光纤结构和基本原理

光纤基本结构及原理

2011-08-16 12:04

2.6.1 光纤通信的概念与基本原理

多种多样的通信业务迫切需要建立高速率的信息传输网。在传输网，特别是骨干网中，高速数字通信的速率已迈向每秒G（109）比特级，正在向T（1012）比特级迈进。要实现这样高速的数字通信，依靠无线媒质或是以传统电缆为代表的有线媒质均是不可想象的。这一难题直到光纤作为一种传输媒质被人们发现之后才得以破解。光纤的潜在容量可达数百T，要比传统电缆的容量至少高出5个数量级。

纵观通信发展史，不难发现，人们一直在不断开拓电磁波的各个频段，把如何利用电磁波作为通信技术的重要研究方向。在大学物理课程中我们已经学到，光可以看作是可见光波段的电磁波。因此，开发光波作为通信的载体与介质是很自然的。在光通信的发展历史中，两大主要的技术难点是光源和传输介质。在上世纪60年代，美国开发了第一台激光器，相对于其他普通光源，激光器具有亮度高、谱线窄、方向性好的特点，可以产生理想的光载波。另一方面，激光如果在大气中传播，会受到变幻无常的气候条件的影响。因此人们设想利用可以导光的玻璃纤维——光纤进行长距离的光波传输。1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/1km的石英玻璃光纤，达到了实用水平。目前实用的光纤直径很小，既柔软又具有相当的强度，是一种理想的传输媒质。目前，在朗迅（Lucent）、北电（Nortel）、阿尔卡特（Alcatel ）、西门子（Siemens）等公司的实验室中，光纤传输技术已经达到数千公里无中继的先进水平。

光纤通信的定义：光纤通信是以光波为载频，光导纤维为传输媒介的一种通信方式。光纤通信一般在发送方对信息的数字编码进行强度调制，在接收端以直接检波的方式来完成光/电变换。

2.6.2 光纤的工作窗口

1．工作窗口的定义

光波可以看作是电磁波，不同的光波就会有不同的波长与频率。我们知道，透明的彩色玻璃之所以有颜色，是因为它只允许一种颜色的光波通过，而其他颜色的光波通过较少。石英光纤也具有类似的选择特性，对特定波长的光波的传输损耗要明显小于其它波长的光波，这些特定的波长就是光纤的工作窗口。工作窗口是随着原材料工艺的不断发展和对光纤传输特性研究的不断深入而一个接一个被打开的。

2．三个工作窗口

（1）0.8~0.9 μm，最低损耗2.5dB/km，采用石英多模光纤，主要应用于近距通信，目前在传输网中已很少使用；

（2）1.31 μm，最低损耗0.27 dB/km，采用石英单模光纤，目前已获得大规模应用；（3）1.55 μm，最低损耗0.16 dB/km，采用石英单模适当色散光纤。目前主要用于长距离传输系统，如跨海光缆等。

2.6.3 光纤的相关概念

1．光在光纤中的传播

在物理课中学过，光在空气中是沿直线传播的，光射向镜面时会发生反射，而从一种介质进入另一种介质时，会发生折射。当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，如果入射角大于临界值就会发生全反射。不难看出如果在玻璃纤维外包裹一定的材料，就可以由全反射来保证光波只在玻璃纤维中传播，这即是光导纤维的工作原理。

2．光纤的结构

实用的光纤是比人的头发丝稍粗的玻璃丝，通信用光纤的外径一般为125~140 μm。一般所说的光纤是由纤芯和包层组成，纤芯完成信号的传输，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用。工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆。图2-7、图2-8给出了光纤和光缆的一般结构。

图2-8四芯光缆剖面示意图

3．光纤的分类

（1）根据光纤横截面上折射率的不同，可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤，阶跃型光纤的纤芯和包层间的折射率分别是一个常数，在纤芯和包层的交界面，折射率呈阶梯型突变。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小，在纤芯与包层交界处减小为包层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物线；

（2）按传输模式分：分为单模光纤（Single Mode Fiber）和多模光纤（Multi Mode Fiber）。光以一特定的入射角度射入光纤，在光纤和包层间发生全发射，从而可以在光纤中传播，即称为一个模式。当光纤直径较大时，可以允许光以多个入射角射入并传播，此时就称为多模光纤；当直径较小时，只允许一个方向的光通过，就称单模光纤。由于多模光纤会产生干扰、干涉等复杂问题，因此在带宽、容量上均不如单模光纤。实际通信中应用的光纤绝大多数是单模光纤。二者的区别如图2-9所示。

图2-9 单模光纤与多模光纤

其中，单模光纤又可以按照最佳传输频率窗口分为：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。常规型单模光纤是将光纤传输频率最佳化在单一波长的光

上，如1.31 μm，相关国际标准为ITU-T G.652。色散位移型单模光纤是将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1.31 μm和1.55 μm，相关国际标准为ITU-T G .653。

设计色散位移型单模光纤的目的是使光纤较好地工作在1.55 μm处，这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31μm处移到1.55 μm附近。这种光纤也称为1.55 μm零色散单模光纤，是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。现在这种光纤已用于通信干线网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。色散位移光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。因此，又出现了一种非零色散位移光纤，这种光纤将零色散点移到1.55 μm 工作区以外的1.60 μm以后或在1.53 μm以前，但在1.55 μm波长区内仍保持很低的色散，相关国际标准为ITU-T G.655。这种非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需

要，又兼顾将来发展的理想传输媒介；

（3）按照制造光纤所用的材料分：可以分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。其中，塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。它的特点是制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机局域网链路、船舶内通信

等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。

4．光纤的损耗

（1）损耗：当光波通过光纤后，光的强度会被衰减，这说明光纤中存在某种物质或是由于某种原因阻挡光波信号通过，这就形成了光纤的传输损耗。损耗是影响光纤通信传输距离的重要因素。选择“工作窗口”即是选择损耗小的工作波长；

（2）固有损耗和附加损耗：根据引起损耗的原因，可以把损耗分为固有损耗和附加损耗。固有损耗是光纤本身具有的损耗，由光纤本身的特点决定，一般又可以分为散射损耗、吸收损耗和由于波导结构不完善引起的损耗。附加损耗是指由于使用条件引起的损耗。需要特别说明的是，在不同的工作波长下，光纤的固有损耗是不同的；

（3）吸收损耗：制造光纤的材料会在一定程度上吸收光能，材料中的粒子吸收光能后，会产生振动发热等现象而将能量散失掉，这就产生了吸收损耗。根据常用光纤的工作波长，这种粒子吸收能量主要以紫外吸收和红外吸收的形式存在；

（4）散射损耗：如果光纤材料粒子的固有振动频率与入射光波的频率相同，就会产生共振，该粒子就会把入射光向各个方向散射，从而衰减了入射光的能量。另外，光纤中的杂质、如气泡，以及粗细不均匀等现象也会引起散射；

（5）使用损耗：光纤的附加损耗主要是由使用损耗构成的。在光纤的连接处，微小弯曲、挤压、拉伸受力均会引起使用损耗。使用损耗的机理是：光纤在这些情况下，传输模式发生了变化。施工工艺的提高可以最大限度的减小使用损耗。

5．光纤的带宽与色散

（1）色散：光信号经光纤传输，到达输出端时会发生时间上的展宽，这种现象称为色散。色散产生的原因是因为光信号的不同频率分量和不同传播模式造成的传输速度的差异，使信号到达终点所用时间不同，即由于群时延而引入了色散。色散会导致信号波形产生畸变，从而导致误码，这对于高速数字通信的影响尤为明显；

（2）带宽与色散的关系：色散现象限制了光纤对高速数字信号的传输，从而也就限制

了光纤的带宽。从另一方面理解，线路的带宽越宽，脉冲波形的展宽就越小，可传送的信号频率就越高。实际上这两个定义从不同角度描述了光纤的同一种特性；

（3）色散的分类：

① 模式色散：多模光纤中，不同的传输模式其传输路径不同，到达终点的时间也不同，从而引起光脉冲被展宽，由此产生的色散称为模式色散；

② 材料色散：严格来讲，石英玻璃对不同波长的光波的折射率是不同的，而光源所发出的光也并不是理想的单一波长，因此它们的传输速度不同，由此而引起的色散称为材料色散；

③ 波导色散：在纤芯与包层交界处发生全发射时，部分光波会进入包层传输，其中又有光波会传回纤芯。由于这部分的光波与原有光信号的传输路径不同也会引起色散，称为波导色散。

（4）色散问题的解决：一般来说，模式色散>材料色散>波导色散，在限制带宽方面起主要作用的是模式色散。因此应用单模光纤和窄谱线的激光器就可以有效地减小色散。实用的1.31 μm单模光纤,总色散接近零。而如果将总色散零点移至1.55 μm处，则将同时具有最小色散和最小损耗；

（5）光纤的传输带宽：带宽主要受限于色散，一般光纤出厂时会标明其传输带宽。通常单模光纤的传输带宽在10GHz以上。

2.6.4 光纤作为传输介质的主要特点

1．传输频带宽

更宽的带宽就意味着更大的通信容量和更强的业务能力，一根光纤的潜在带宽可达T 比特级（1012）。目前，160Tbit/s的密集波分复用（DWDM）设备在部分制造商的实验室已经试制成功。可以看出，通信媒质的通信容量大小不是由导线（媒质）本身的体积大小决定的，而是由它传输电磁波的频率高低来决定的，频率越高，带宽就越宽。

2．传输距离长

在一定线路上传输信号时，由于线路本身的原因，信号的强度会随距离增长而减弱，为了在接收端正确接收信号，就必须每隔一定距离加入中继器，进行信号的放大和再生。常用的同轴电缆的中继距离只有数公里，而光纤的传输损耗可低于0.2dB/km，理论上光纤的损耗极限可达0.15dB/km，目前已试制成功数千公里无需中继的光纤。

3．抗电磁干扰能力强

一是由于光纤是绝缘体，不存在普通金属导线的电磁感应、耦合等现象；二是光纤中传输的信号频率非常高，一般干扰源的频率远低于这个值，因此光纤抗电磁干扰的能力非常强。此外，光纤对于湿气等环境因素也具有很强的抵抗能力。这一特性使它非常适用于沿海区域和越洋通信。

4．保密性好

由于金属导线存在电磁感应现象，同时屏蔽不好导线本身就可以看作是一段天线，因此其保密性较差。而光纤本身的工作原理使得光波只在光纤内传波（既使在拐角很大处，也只有少量泄漏）如果再在表面涂装吸光剂，基本上就不会发生信号泄漏。这一特性使光纤被大规模地应用于军用通信，美英等先进国家的军用通信网基本上已经是全光通信网。5．节省大量有色金属

光纤制造的主要原料是二氧化硅、即砂子，这基本是取之不尽的，而传统电缆需要使用大量的铜、铝等有色金属。

6．体积小，重量轻

这个特点对于一些特殊应用领域具有重要的意义。例如在航空航天应用中，标准的18管同轴电缆重11kg，而同等容量的光纤重90g。如果能够在人造卫星上节省几十kg的重

量，就有可能降低上几百万，甚至上千万美元的成本。

7．需要经过额外的光/电转换过程

目前在通信网络中仍然是以电信号的形式进行对信息的处理，要使用光纤进行信息传输，就必须先把电信号转换为光线信号，接收时亦然。这一处理过程增加了额外的复杂程度。另外，光纤比铜线更难分接和接合。把铜线分接开来后加入一个组件相对来说比较容易，但要把玻璃光纤分接开来就必须使用特殊的工程设备。