光纖資料大全之光纖分類
2017-04-15 admin
光纖的種類很多，分類方法也是各種各樣的。
從材料角度分
按照制造光纖所用的材料分類，有石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物光纖等。
塑料光纖是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）制成的。它的特點是制造成本低廉，相對來說芯徑較大，與光源的耦合效率高，耦合進光纖的光功率大，使用方便。但由于損耗較大，帶寬較小，這種光纖只適用于短距離低速率通信，如短距離計算機網鏈路、船舶內通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纖。
按傳輸模式分
按光在光纖中的傳輸模式可分為：單模光纖和多模光纖。
多模光纖的纖芯直徑為50~62.5μm，包層外直徑125μm，單模光纖的纖芯直徑為8.3μm，包層外直徑125μm。光纖的工作波長有短波長0.85μm、長波長1.31μm和1.55μm。光纖損耗一般是隨波長加長而減小，0.85μm的損耗為2.5dB/km,1.31μm的損耗為0.35dB/km，1.55μm的損耗為0.20dB/km，這是光纖的最低損耗，波長1.65μm以上的損耗趨向加大。由于OHˉ的吸收作用，0.90~1.30μm和1.34~1.52μm范圍內都有損耗高峰，這兩個范圍未能充分利用。80年代起，傾向于多用單模光纖，而且先用長波長1.31μm。
多模光纖
多模光纖(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯較粗(50或62.5μm)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸的距離就比較近，一般只有幾公里。
單模光纖
單模光纖(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10μm)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。后來又發(fā)現在1.31μm波長處，單模光纖的材料色散和波導色散一為正、一為負，大小也正好相等。這就是說在1.31μm波長處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來看，1.31μm處正好是光纖的一個低損耗窗口。這樣，1.31μm波長區(qū)就成了光纖通信的一個很理想的工作窗口，也是現在實用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。1.31μm常規(guī)單模光纖的主要參數是由國際電信聯盟ITU－T在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G652光纖。
最佳傳輸窗口為依據
按最佳傳輸頻率窗口分：常規(guī)型單模光纖和色散位移型單模光纖。
常規(guī)型：光纖生產長家將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長的光上，如1300μm。
色散位移型：光纖生產廠家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個波長的光上，如：1300μm和1550μm。
我們知道單模光纖沒有模式色散所以具有很高的帶寬，那么如果讓單模光纖工作在1.55μm波長區(qū)，不就可以實現高帶寬、低損耗傳輸了嗎？但是實際上并不是這么簡單。常規(guī)單模光纖在1.31μm處的色散比在1.55μm處色散小得多。這種光纖如工作在1.55μm波長區(qū)，雖然損耗較低，但由于色散較大，仍會給高速光通信系統(tǒng)造成嚴重影響。因此，這種光纖仍然不是理想的傳輸媒介。
為了使光纖較好地工作在1.55μm處，人們設計出一種新的光纖，叫做色散位移光纖（DSF）。這種光纖可以對色散進行補償，使光纖的零色散點從1.31μm處移到1.55μm附近。這種光纖又稱為1.55μm零色散單模光纖，代號為G653。
G653光纖是單信道、超高速傳輸的極好的傳輸媒介?，F在這種光纖已用于通信干線網，特別是用于海纜通信類的超高速率、長中繼距離的光纖通信系統(tǒng)中。
色散位移光纖雖然用于單信道、超高速傳輸是很理想的傳輸媒介，但當它用于波分復用多信道傳輸時，又會由于光纖的非線性效應而對傳輸的信號產生干擾。特別是在色散為零的波長附近，干擾尤為嚴重。為此，人們又研制了一種非零色散位移光纖即G655光纖，將光纖的零色散點移到1.55μm 工作區(qū)以外的1.60μm以后或在1.53μm以前，但在1.55μm波長區(qū)內仍保持很低的色散。這種非零色散位移光纖不僅可用于現在的單信道、超高速傳輸，而且還可適應于將來用波分復用來擴容，是一種既滿足當前需要，又兼顧將來發(fā)展的理想傳輸媒介。
還有一種單模光纖是色散平坦型單模光纖。這種光纖在1.31μm到1.55μm整個波段上的色散都很平坦，接近于零。但是這種光纖的損耗難以降低，體現不出色散降低帶來的優(yōu)點，所以目前尚未進入實用化階段。
按折射率分布分
按折射率分布情況分：階躍型和漸變型光纖。
階躍型：光纖的纖芯折射率高于包層折射率，使得輸入的光能在纖芯一包層交界面上不斷產生全反射而前進。這種光纖纖芯的折射率是均勻的，包層的折射率稍低一些。光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的，只有一個臺階，所以稱為階躍型折射率多模光纖，簡稱階躍光纖，也稱突變光纖。這種光纖的傳輸模式很多，各種模式的傳輸路徑不一樣，經傳輸后到達終點的時間也不相同，因而產生時延差，使光脈沖受到展寬。所以這種光纖的模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率不能太高，用于通信不夠理想，只適用于短途低速通訊，比如：工控。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。這是研究開發(fā)較早的一種光纖，現在已逐漸被淘汰了。
為了解決階躍光纖存在的弊端，人們又研制、開發(fā)了漸變折射率多模光纖，簡稱漸變光纖。
漸變型光纖：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現在的多模光纖多為漸變型光纖。漸變光纖的包層折射率分布與階躍光纖一樣，為均勻的。漸變光纖的纖芯折射率中心最大，沿纖芯半徑方向逐漸減小。由于高次模和低次模的光線分別在不同的折射率層界面上按折射定律產生折射，進入低折射率層中去，因此，光的行進方向與光纖軸方向所形成的角度將逐漸變小。同樣的過程不斷發(fā)生，直至光在某一折射率層產生全反射，使光改變方向，朝中心較高的折射率層行進。這時，光的行進方向與光纖軸方向所構成的角度，在各折射率層中每折射一次，其值就增大一次，最后達到中心折射率最大的地方。在這以后。和上述完全相同的過程不斷重復進行，由此實現了光波的傳輸?？梢钥闯觯庠跐u變光纖中會自覺地進行調整，從而最終到達目的地，這叫做自聚焦。
按工作波長分
按光纖的工作波長分類，有短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。
常用光纖規(guī)格
單模：8/125μm，9/125μm， 10/125μm
多模：50/125μm歐洲標準62.5/125μm美國標準
工業(yè)，醫(yī)療和低速網絡：100/140μm，200/230μm
塑料光纖：98/1000μm用于汽車控制。
光纖制造
目前通信中所用的光纖一般是石英光纖。石英的化學名稱叫二氧化硅（SiO2），它和我們日常用來建房子所用的砂子的主要成分是相同的。但是普通的石英材料制成的光纖是不能用于通信的。通信光纖必須由純度極高的材料組成；不過，在主體材料里摻入微量的摻雜劑，可以使纖芯和包層的折射率略有不同，這是有利于通信的。
制造光纖的方法很多，目前主要有：管內CVD(化學汽相沉積)法，棒內CVD法，PCVD(等離子體化學汽相沉積)法和VAD(軸向汽相沉積)法。但不論用哪一種方法，都要先在高溫下做成預制棒，然后在高溫爐中加溫軟化，拉成長絲，再進行涂覆、套塑，成為光纖芯線。光纖的制造要求每道工序都要相當精密，由計算機控制。在制造光纖的過程中，要注意：
①光纖原材料的純度必須很高。
②必須防止雜質污染，以及氣泡混入光纖。
③要正確控制折射率的分布；
④正確控制光纖的結構尺寸；
⑤盡量減小光纖表面的傷痕損害，提高光纖機械強度。
光纜的優(yōu)點
光導纖維是一種傳輸光束的細微而柔韌的媒質。光導纖維電纜由一捆光纖組成,簡稱為光纜。光纜是數據傳輸中最有效的一種傳輸介質，它的優(yōu)點和光纖的優(yōu)點類似，主要有以下幾個方面：
(1)頻帶較寬。
(2)電磁絕緣性能好。光纖電纜中傳輸的是光束，由于光束不受外界電磁干擾與影響，而且本身也不向外輻射信號，因此它適用于長距離的信息傳輸以及要求高度安全的場合。當然，抽頭困難是它固有的難題，因為割開的光纜需要再生和重發(fā)信號。
(3)衰減較小?？梢哉f在較長距離和范圍內信號是一個常數。
(4)中繼器的間隔較大，因此可以減少整個通道中繼器的數目，可降低成本。根據貝爾實驗室的測試，當數據的傳輸速率為420Mbps且距離為119公里無中繼器時，其誤碼率為,傳輸質量很好。而同軸電纜和雙絞線每隔幾千米就需要接一個中繼器。
如何安裝
在使用光纜互聯多個小型機的應用中，必須考慮光纖的單向特性，如果要進行雙向通信，那么就應使用雙股光纖。由于要對不同頻率的光進行多路傳輸和多路選擇，因此在通信器件市場上又出現了光學多路轉換器。
在普通計算機網絡中安裝光纜是從用戶設備開始的。因為光纜只能單向傳輸。為了實現雙向通信，光纜就必需成對出現，一個用于輸入，一個用于輸出。光纜兩端接光學接口器。
安裝光纜需格外謹慎。連接每條光纜時都要磨光端頭，通過電燒烤或化學環(huán)氯工藝與光學接口連在一起，確保光通道不被阻塞。光纖不能拉得太緊，也不能形成直角。
常用光纜
光纖的類型由模材料(玻璃或塑料纖維)及芯和外層尺寸決定，芯的尺寸大小決定光的傳輸質量。常用的光纜有：
·8.3μm 芯、125μm外層、單模。
·62.5μm 芯、125μm外層、多模。
·50μm芯、125μm外層、多模。
·100μm芯、140μm外層、多模。
敷設方式
通信光纜自70年代開始應用以來，現在已經發(fā)展成為長途干線、市內電話中繼、水底和海底通信以及局域網、專用網等有線傳輸的骨干，并且已開始向用戶接入網發(fā)展，由光纖到路邊（FTTC）、光纖到大樓（FTTB）等向光纖到戶（FTTH）發(fā)展。針對各種應用和環(huán)境條件等，通信光纜有架空、直埋、管道、水底、室內等敷設方式。
架空光纜
架空光纜是架掛在電桿上使用的光纜。這種敷設方式可以利用原有的架空明線桿路，節(jié)省建設費用、縮短建設周期。架空光纜掛設在電桿上，要求能適應各種自然環(huán)境。架空光纜易受臺風、冰凌、洪水等自然災害的威脅，也容易受到外力影響和本身機械強度減弱等影響，因此架空光纜的故障率高于直埋和管道式的光纖光纜。一般用于長途二級或二級以下的線路，適用于專用網光纜線路或某些局部特殊地段。
架空光纜的敷設方法有兩種：
1、吊線式：先用吊線緊固在電桿上，然后用掛鉤將光纜懸掛在吊線上，光纜的負荷由吊線承載。
2、自承式：用一種自承式結構的光纜，光纜呈“8”字型，上部為自承線，光纜的負荷由自承線承載。
直埋光纜
這種光纜外部有鋼帶或鋼絲的鎧裝，直接埋設在地下，要求有抵抗外界機械損傷的性能和防止土壤腐蝕的性能。要根據不同的使用環(huán)境和條件選用不同的護層結構，例如在有蟲鼠害的地區(qū)，要選用有防蟲鼠咬嚙的護層的光纜。
根據土質和環(huán)境的不同，光纜埋入地下的深度一般在0.8m至1.2m之間。在敷設時，還必須注意保持光纖應變要在允許的限度內。
管道光纜
管道敷設一般是在城市地區(qū)，管道敷設的環(huán)境比較好，因此對光纜護層沒有特殊要求，無需鎧裝。
管道敷設前必須選下敷設段的長度和接續(xù)點的位置。敷設時可以采用機械旁引或人工牽引。一次牽引的牽引力不要超過光纜的允許張力。
制作管道的材料可根據地理選用混凝土、石棉水泥、鋼管、塑料管等。
水底光纜
水底光纜是敷設于水底穿越河流、湖泊和灘岸等處的光纜。這種光纜的敷設環(huán)境比管道敷設、直埋敷設的條件差得多。水底光纜必須采用鋼絲或鋼帶鎧裝的結構，護層的結構要根據河流的水文地質情況綜合考慮。例如在石質土壤、沖刷性強的季節(jié)性河床，光纜遭受磨損、拉力大的情況，不僅需要粗鋼絲做鎧裝，甚至要用雙層的鎧裝。施工的方法也要根據河寬、水深、流速、河床、流速、河床土質等情況進行選定。
水底光纜的敷設環(huán)境條件比直埋光纜嚴竣得多，修復故障的技術和措施也困難得多，所以對水度光纜的可靠性要求也比直埋光纜高。
海底光纜也是水底電纜，但是敷設環(huán)境條件比一般水底光纜更加嚴竣，要求更高，對海底光纜系統(tǒng)及其元器件的使用壽命要求在25年以上。
海底光纜：結構與發(fā)展
1988年，在美國與英國、法國之間敷設了越洋的海底光纜（TAT-8）系統(tǒng)，全長6700公里。這條光纜含有3對光纖，每對的傳輸速率為280Mb／s，中繼站距離為67公里。這是第一條跨越大西洋的通信海底光纜，標志著海底光纜時代的到來。1989年，跨越太平洋的海底光纜（全長13200公里）也建設成功，從此，海底光纜就在跨越海洋的洲際海纜領域取代了同軸電纜，遠洋洲際間不再敷設海底電纜。
光纖的傳輸容量大，中繼站間的距離長，適用于海底長距離的通信。用于海底光纜的光纖比陸地光纜所用的光纖有更高的要求；要求低損耗、高強度、制造長度長，光纜的中繼距離長，一般都在50公里以上，在光纖的傳輸性能方面要求在25年以內不會變化。在海底光纜的結構方面：要求能經受強大的壓力和拉力，特別是深海光纜（敷設在水深1000米以上海底的光纜），在敷設和維修作業(yè)中除了光纜本身的重量外，還要加上海浪加到光纜上的動態(tài)應力，在如此大的負荷條件下，光纜的應變要限制在0.7～0.8%之內；海底光纜的結構要求堅固、材料輕，但不能用輕金屬鋁，因為鋁和海水會發(fā)生電化學反應而產生氫氣，氫分子會擴散到光纖的玻璃材料中，使光纖的損耗變大。因此海底光纜既要防止內部產生氫氣，同時還要防止氫氣從外部滲入光纜。為此，在90年代初期，研制開發(fā)出一種涂碳或涂鈦層的光纖，能阻止氫的滲透和防止化學腐蝕。光纖接頭也要求是高強度的，要求接續(xù)保持原有光纖的強度和原有光纖的表面不受損傷。
按照上述要求和特點，海底光纜的基本結構是將經過一次或兩次涂層處理后的光纖螺旋地繞包在中心加強構件（用鋼絲制成）的周圍。光纖設在螺旋形的U形槽塑料骨架中，槽內填滿油膏或彈性塑料體形成纖芯。纖芯周圍用高強度的鋼絲繞包，在繞包過程中要把所有縫隙都用防水材料填滿，再在鋼絲周圍繞包一層銅帶并焊接搭縫，使鋼絲和銅管形成一個抗壓和抗拉的聯合體，這個銅管還是傳送遠供電流的導體。在鋼絲和銅管的外面還要再加一層聚乙烯護套。這樣嚴密多層的結構是為了保護光纖、防止斷裂以及防止海水的侵入，同時也是為了在敷設和回收修理時可以承受巨大的張力和壓力。
即使是如此嚴密的防護，在80年代末還是發(fā)現過深海光纜的聚乙烯絕緣體被鯊魚咬壞造成供電故障的實例。海纜系統(tǒng)的遠程供電十分重要，海底電纜沿線的中繼器，要靠登陸局遠程供電工作。海底光纜用的數字中繼器功能多，比海底電纜的模擬中繼器的用電量要大好幾倍，供電要求有很高的可靠性，不能中斷。因此在有鯊魚出沒的地區(qū)，在海底光纜的外面還要加上鋼帶繞包兩層和再加一層聚乙烯外護套。
進入90年代，海底光纜已經和衛(wèi)星通信成為當代洲際通信的主要手段。我國自1989年開始到1998年底已經先后參與了18條國際海底光纜的建設與投資。其中第一個在中國登陸的國際海底光纜系統(tǒng)是1993年12月建成的中國——日本（C-J）海底光纜系統(tǒng)。1996年2月中韓海底光纜建成開通，分別在我國青島和韓國泰安登陸，全長549公里；1997年11月，我國參與建設的全球海底光纜系統(tǒng)（FLAG）建成并投入運營，這是第一條在我國登陸的洲際光纜系統(tǒng)，分別在英國、埃及、印度、泰國、日本等12個國家和地區(qū)登陸，全長27000多公里，其中中國段為622公里；由中國電信和新加坡等地的電信公司共同發(fā)起的亞歐海底光纜系統(tǒng)，延伸段正在建設，該系統(tǒng)連接亞洲、歐洲和大洋洲，在33個國家和地區(qū)登陸，全長達38000公里，是世界上最長的海底光纜，采用先進的8波長波分復用技術，主干路由的設計容量高達40Gb／s，將在我國上海、汕頭兩地登陸，預計1999年底建成開通。
海底光纜承擔的洲際通信業(yè)務量逐年上升，已經超過了衛(wèi)星通信的業(yè)務量，成為現代洲際通信的主力。
最細的光纖
英國巴斯大學的物理學家們研究出世界上最細的用于通訊的光纜。每根光纜長為10公里，每個結僅有0.00000001毫米粗。
塑料光纖
很早以前人們就考慮過用塑料來制造光纖，但是由于塑料光纖的衰減太大、帶寬太窄而沒有考慮用于通信。近年來，通過日本、美國和歐洲一些國家的研究開發(fā)，降低了塑料光纖的衰減、增大了帶寬，使它用于短距離的接入網成為可能。
塑料光纖最主要的優(yōu)點是成本低、易于加工、重量輕、可撓性好、芯徑和數值孔徑都比較大，耦合效率較高，對施工和維護都比較方便。目前，塑料光纖大都用在短波長，GI結構。據報道，日本和美國研制出的塑料光纖在100m上可以達到吉比特級。目前其市場正逐步上升，年增長率約為20%，這很值得注意。
神鷹之目――導彈制導
用光纖制導導彈有些人可能迷惑不解。光纖細如蛛絲，高速飛行的導彈會不會拉斷光纖呢？這的確是光纖制導中的一個關鍵問題。一般市場上出售的光纖的抗拉強度，遠不能滿足光纖制導的要求。而光纖制導用的光纖，是經過特殊加工的。這種光纖的外徑只有300微米左右，可承受巨大的拉力，足以滿足光纖制導的要求。
光纖制導就如同放風箏一樣，制導導彈可從車輛和直升飛機上發(fā)射。操縱人員通過屏幕顯示器觀察導彈尋的器傳來的信號，有如隨同導彈一起飛向目標，當然其命中精度要高得多。導彈向前飛行時，從彈體內拉出一根細光纖。操縱手通過這根光纖向導彈發(fā)出控制指令。導彈就如同長“眼睛”一樣盯住目標，直到擊中為止。那么，光纖制導的導彈為什么能跟蹤目標呢？原來這種導彈除了裝有發(fā)動機、戰(zhàn)斗部分和控制系統(tǒng)外，還在導彈頭部安裝“成像式尋的器”，如電視攝像機、紅外線成像傳感器等。它們起到眼睛的作用。實際上，導彈并不是瞄準目標發(fā)射，而是垂直發(fā)射的。當導彈飛到一定高度，尋的器“看”到地面情況，先將地物反射的光變換成電信號，再把電信號轉變成一定波長的光信號，通過光纖下行傳回發(fā)射裝置，并在顯示器上顯示出圖像來。操縱手根據顯示的圖像選擇目標，發(fā)出指令并通過光纖上傳送給導彈，將導彈導引到目標上。
這根纖細的光纖在導彈和發(fā)射裝置之間，起著雙向傳輸光信號的作用。那么，上行和下行的光信號能否產生干擾呢？如果上行和下行的光信號采用同一波長的光，肯定會產生干擾的。但是光纖制導的下行光信號是鎵鋁砷激光器發(fā)出的波長為850納米的紅外激光，而上行光信號是銦鎵砷磷發(fā)光二級管發(fā)射的波長為1.06微米的紅外光，由于這兩束光的波長不同，所以在光纖中傳播不會產生互相干擾，并且可以通過光纖兩端的雙向耦合器把兩者分開。
光纖制導技術，由于光信號在光纖中傳播，所以不受大氣的影響，抗干擾的能力強，精度也高，由于光纖制導使用單根光纖，而紅外有線制導使用兩根導線，所以又具有體積小、重量輕的特點。這些優(yōu)點使光纖制導具有廣闊的發(fā)展前景。
白衣天使的新搭檔
光纖在醫(yī)學上的應用自然首推胃鏡了。
自1869年德國醫(yī)生庫什莫爾（Kussmaul）首先制成第一臺胃鏡以來，胃鏡經歷了100多年的歷史。由硬式而至半曲，由金屬而至光學纖維胃鏡。纖維胃鏡的普及確定是30年來胃腸病學領域劃時代的進展，纖細而可屈的鏡身，靈活的操縱部，日益變廣的視角，越來越大的彎曲度使食道、胃、十二指腸粘膜在胃鏡視野內暴露無遺，從而使消化科醫(yī)師對胃粘膜病變識別有如皮膚科醫(yī)師對皮損的觀察，清晰、形象而逼真，胃鏡檢查等于給醫(yī)生裝上了可深入病人體內的“望遠鏡”。對于一個熟練的操作者，也不再存在盲區(qū)。因此，胃鏡對臨床診斷及隨訪觀察都提供了最佳的工具。加上閉路電視及錄像裝置的配備，使圖像再現十分方便，使用胃鏡可以準確而高效地診斷各種食道、胃、十二指腸疾病。
