光纤及特性

2.4　光纤及特性

随着Internet的迅猛发展，光纤通信已经进入用户网，并逐步取代用户网中的音频电缆，从而走进千家万户。所谓光纤通信，是指将要传送的语音、图像和数据信号等调制在光载波上，以光纤作为传输媒介的通信方式。光导纤维是一种细小（50～100μm）柔软并能传导光线的介质。多种玻璃和塑料可以用来制造光导纤维。而使用超高纯石英玻璃纤维可以得到最低的损耗，如图2-13所示。

图2-13　光纤

一、光缆特性

光缆是数据传输中最有效的一种传输介质，它有以下几个优点：

（1）频带较宽，通信容量大。

（2）电磁绝缘性能好。光纤电缆中传输的是光束，由于光束不受外界电磁干扰与影响，而且本身也不向外辐射信号，因此它适用于长距离的信号传输以及要求高度安全的场合。当然，抽头困难是它固有的难题，因为割开的光缆需要再生和重发信号。

（3）衰减较小。目前使用的光纤均为石英系列光纤，而且由于制成的石英玻璃介质的纯度极高，所以光纤的损耗极低，中继距离可以很长。这样，在通信线路中可以减少中继站的数量，降低成本且提高通信质量。

（4）中继器的间隔较大，因此可以减少整个通道中继器的数目，可降低成本。根据贝尔实验室的测试，当数据的传输速率为420Mb/s且距离为119km无中继器时，其误码率为10⁻⁸，可见其传输质量很好。而同轴电缆和双绞线每隔几千米就需要接一个中继器。

在使用光缆互联多个小型机的应用中，必须考虑光纤的单向特性，如果要进行双向通信，那么就应使用双股光纤。由于要对不同频率的光进行多路传输和多路选择，因此在通信器件市场上又出现了光学多路转换器。

在普通计算机网络中安装光缆是从用户设备开始的，因为光缆只能单向传输。为了实现双向通信，光缆就必需成对出现，一个用于输入，一个用于输出。光缆两端接光学接口器。

安装光缆需格外谨慎。连接每条光缆时都要磨光端头，通过电烧烤或化学环氯工艺与光学接口连在一起，确保光通道不被阻塞。光纤不能拉得太紧，也不能形成直角。

光纤的类型由材料（玻璃或塑料纤维）及芯和外层尺寸决定，芯的尺寸大小决定光的传输质量。常用的光缆有：

8.3μm芯、125μm外层、单模；

62.5μm芯、125μm外层、多模；

50μm芯、125μm外层、多模；

100μm芯、140μm外层、多模。

1．组成原理

光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15～50mm，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8～10mm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆，易断裂，因此需要外加一层保护层。其结构如图2-14所示。

图2-14　光纤剖面结构示意

陆地上的光纤通常埋在地下1m处，有时会受到地下小动物的破坏。在靠近海岸的地方，越洋光纤外壳被埋在沟里。在深水中，它们处于底部，极有可能被鱼类咬坏或被渔船撞坏。

2．工作原理

有两种光源可被用作信号源：发光二极管LED（Light-Emitting Diode）和半导体激光ILD（Injection Laser Diode）。它们有着不同的特性，如表2-9所示。

表2-9　不同光源的特性

光纤的接收端由光电二极管构成，在遇到光时，它给出一个点脉冲。光电二极管的响应时间一般为1ns，这就是把数据传输速率限制在1Gb/s内的原因。热噪声也是个问题，因此光脉冲必须具有足够的能量以便被检测到。如果脉冲能量足够强，则出错率可以降到非常低的水平。

3．连接方式

光纤有三种连接方式。首先，可以将它们接入连接头并插入光纤插座。连接头要损耗10%～20%的光，但是它使重新配置系统很容易。

第二，可以用机械方法将其接合。方法是将两根小心切割好的光纤的一端放在一个套管中，然后钳起来。可以让光纤通过结合处来调整，以使信号达到最大。机械结合需要训练过的人员花大约5分钟的时间完成，光的损失大约为10%。

第三，两根光纤可以被融合在一起形成坚实的连接。融合方法形成的光纤和单根光纤差不多是相同的，但也有一点衰减。对于这三种连接方法，结合处都有反射，并且反射的能量会和信号交互作用。

4．接口

目前使用的接口有两种。一是无源接口，它由两个接头熔于主光纤形成。接头的一端有一个发光二极管或激光二极管（用于发送），另一端有一个光电二极管（用于接收）。接头本身是完全无源的，因而是非常可靠的。

另一种接口被称为有源中继器（active repeater）。输入光在中继器中被转变成电信号，如果信号已经减弱，则重新放大到最大强度，然后转变成光再发送出去。连接计算机的是一根进入信号再生器的普通铜线。现在已有了纯粹的光中继器，这种设备不需要光电转换，因而可以在非常高的带宽运行。

光导纤维是一种传输光束的细微而柔韧的媒质。光导纤维电缆由一捆纤维组成，简称为光缆。