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1、光纤和光缆知识及光缆敷设规范光纤和光缆知识及光缆敷设规范概述所谓光通信就是利用光波载送信息的通信.在载波技术方面,电磁波的通信已广泛应用于广播,电视等领域,本世纪末,随着数字技术的进步,出现了移动通信等数字无线电波技术.在另一方面,光波作为一种波长很短的无线电波,同样也得到技术突破,目前已成为新一代的有线通信载波.光通信技术的进步,推动了整个信息产业的飞速发展.光纤发展概况1960年,梅曼(T.H.Maiman)发明了红宝石激光器,产生了单色相干光,实现了高速的光调制.美国林肯实验室首先研制出利用氦氖激光器通过大气传输彩色电视,利用大气传输光信号具有以下的缺点:气候严重影响通信,如雾天;大气的
2、密度不均匀,传输不稳定;传输设备之间要求没有阻隔利用大气传输光波的思想实际上是电磁波传输的技术,光波实质上是频率极高的电磁波(31014Hz),其通信的容量比一般的电磁波大万倍以上,如果光通信能够实现,它将具有划时代的意义.早期,为了避免大气对光传输的干扰,研制了透镜光波导的技术,利用管子进行光传输,在一定距离上设置聚焦透镜,汇聚散射光和诱导光转折,但振动和温度又严重影响了光传输.这种思想,被后来采用直至成功研制成光导纤维.1966年,英籍华人高锟(C.K.Kao)和 Hockham 实验证明利用玻璃可以制作光导纤维(Optic Fiber).但当时的玻璃衰减达1000dB/km,无法用于传输
3、,后经过美国贝尔实验室主席Ian Ross,英国电信研究所(BTRL,BPO)和美国康宁玻璃公司(CORNING)的 Maurer 等合作,于1970年首先研制成功衰减为20 dB/km 的光纤,取得重大突破.之后,各发达国家纷纷开展光纤通信研究,出现了多组成份玻璃光纤,塑料光纤,液芯光纤等,其中利用介质全反射原理导光的石英光纤被广泛采用.石英光纤衰减小,性能高,强度大要实现长距离的光纤通信,必须减少光纤的衰减.高锟指出降低玻璃内过度金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素,1974年,光纤衰减降低到2 dB/km.1976年通过研究发现降低玻璃内的 OH 离子含量就出现地衰减的长波长双窗口:1.
4、3m 和 1.55m.在1980年,1.55m波长光纤衰减达到0.2 dB/km,接近理论值.80年代中,又发现水分和潮气长期接触光纤会扩散到石英光纤内,从而使光纤衰减增大且强度降低.于是采用注入油膏于光纤套管中隔绝水气,制成品质完善的光缆用于工程.要实现大容量的通信,要求光纤有很宽的带宽.单模(SM:Single Mode)光纤的带宽最宽,是理想的传输介质.但是单模光纤纤芯很细,70年代工艺无法做到,因此,多模(MM:Multi Mode)光纤较早应用,光在多模光纤里各模式间存在光程差,造成输出的光信号带宽不宽.1976年日本研制成渐变型(又称自聚焦型,SELFCO)光纤,光纤的带宽达到 K
5、Hz/km 数量级.80年代,单模光纤研制成功,带宽增大到10 KHz/km,这一成就使大容量光通信成为可能,80年代中,零色散波长为1.55m 的光纤研制成功,光纤通信实现长距离超大容量传输.70年代,光纤的低衰减窗口在近红外区0.85m 的短光波,光源采用 GaAlAs(镓铝砷)注入式半导体激光器(LD:Laser Diode),但是寿命很短.直到研制成功可连续运行的 GaAlAs 双异质结注入式激光器(Hayashi 等),同时也发展了 GaAlAs 发光二极管(LED:Burrus),LED 寿命长,价格低,但谱线宽,速率低,功率笑,属于非相干光源.80年代,研究出了 InGaAsP(
6、铟镓砷磷)长波长激光器和 LED,现已广泛应用.光检测器是光接收的主要器件,用于将光信号转变为电信号.主要有用于短波长的 Si-PIN 管和 Si-APD 雪崩光电二极管以及适用于长波长的 InGaAs/InP 的 PIN 管和 APD 管,还有 Ge-APD 管.由于工程上的需要,各式各样的光无源器件和光仪表也相应出现.如:光活动连接器,光衰减器,光纤熔接机和光时域反射测试仪等.光纤通信1976年,美国首先在亚特兰大建成距离为10公里,码率为44Mbit/s 的光纤通信系统,80年代,许多国家都建成商用的通信系统.在此中,发现利用激光器和多模光纤,当光纤机械振动则接收的光信号随机起伏,出现所
7、谓“模式噪声“,因此,用单模光纤的传输介质和激光器光源成为光纤通信的基本方式,80年代中,还发现 FP 型激光器不能维持单谱线相干性,使输出信号中带有“模分配噪声“,从而使光纤的容量和传输距离受到限制,之后研究出动态单纵模激光器解决了此问题,如:分布反馈(DFB)激光器和更优良的量子阱激光器.这些技术的解决,使超过100km 已上无中继,容量到达 Gbit/s 的光通信成为现实.目前,全世界广泛应用光纤通信网络,光纤用量超过2000万 km,建成了横跨太平洋,大西洋的海底光缆线路,见图1-2,国际上565Mbit/s 高速光纤通信系统(可传送7680路双向电话)已广泛使用,2.4Gbit/s
8、超高速系统也付诸商用.70年代初,我国已开始光纤技术的研究.70年代末,制造出衰减为4dB/km,1.3m 波长的光纤,并能制造0.85m 的 LED 和 LD 以及 Si-APD 雪崩光电二极管,实验系统码率为8Mbit/s.80年代初,开始研制长波长多模光纤,长波长激光器和 PIN-FET 光电检测组件.82年在武汉建立了13多公里的短波长,长波长实用市内线路,码率为8Mbit/s 和34 Mbit/s.80年代末,研制出单模光纤和140Mbit/s 系统,88年在武汉建立了单模架空线路,距离为35公里.1991年在合肥和芜湖间建成单模直埋线路,全长150km,从水下跨越长江.现在,国内已
9、广泛使用光纤通信,至今已敷设近60000km 光缆.如北京-武汉-广州,北京-沈阳-哈尔滨国家干线光缆等,如图1-3所示.我国幅员广阔,光纤通信在不同的地理,气候环境中使用,在北方要求耐-40低温,在南方的架空光缆要抗台风与雷击,在西北沙漠地带,直埋光缆要防风沙的袭击,在华东经济发达地区,如在上海等建成了565Mbit/s 的高速系统,在华中地区如武汉,则建成了跨长江的水下线路.我国现已有了一定规模的光纤通信产业,能生产光纤,光缆,光电器件,光端机和光仪表,国产光纤衰减能达到0.38 dB/km(1.3m),其产量包括合资生产年约100000km,如侯马光缆厂,武汉长飞,成都西门子等.我国能生
10、产少数国家才能生产的长波长激光器,PIN-FET 和 nGaAs/InP-PAD 组件,寿命可达200000小时,满足商用要求.国产光端机的传输码率达到140Mbit/s,565Mbit/s(PDH 系统),90年代随着 SDH 技术的发展,又相继推出了155Mbit/s,622Mbit/s 甚至2.4Gbit/s 的超高速系统,如“巨大中华“(巨龙,大唐,中兴和华为)等民族企业,其生产的光端机广泛应用于国家一级干线,二级干线(省级),本地网和市话网.随着接入网络(AN)技术的成熟,我国光纤通信技术将会更快速地发展.未来光纤接入网络到90年代,通信技术高速发展,移动通信,卫星传输和光纤通信,将
11、通信演变为高速,大容量,数字化和综合的多媒体业务.在 ITU-T 的推动下,光纤通信的各种标准纷纷制定,如PDH,SDH,DWDM,AN 和 B-ISDN 等.因此,美国首先提出建立国家信息高速公路的构想:国家信息基础建设(NII),之后各国纷纷制定计划,并推出全球的信息技术建设计划(GII).70年代,光纤网络主要用于市内等大容量业务区,80年代向市外长途干线发展,到90年代逐步向用户方向延伸,即所谓光纤道路边(FTTC),光纤到大楼(FTTB)直到光纤到家庭(FTTH).目前也有采用电缆到家庭(如:CABLE MODEM 和 ADSL 技术)的经济方式,但也可实现光纤到公寓(FTTA),见
12、图1-4.FTTA,B,C 构成未来的光纤接入网络,用户可以采用 BRI(2B+D)的 ISDN 设备实现电话,传真,数据和计算机等通信,利用 PRI(30B+D)的 B-ISDN 设备则可以完成除 Hi-Fi 和 TV 外的所有业务包含在内,预计到2020年,交换中心局到远端模块带宽达到2.4Gbit/s,远端模块带宽到用户间带宽达到622Mbit/s 后,电视信号由 MPEG-1的34Mbit/s 压缩到20 Mbit/s(MPEG-2),声音由64Kbit/s 压缩到16 Kbit/s,这样,通信,计算机,广播电视和其它光通信将构成统一的4C 网络(Communication,Compu
13、ter,Consumer 另一种 CO2激光器波长为10.6m,为不可见近红外光.当今通信用传输介质石英光纤的低衰减“窗口“为0.6m1.6m 的波段范围,是属于可见红外光与不可见近红外光波段上.1,光波速度光波与电磁波在真空中的传输速度为 c=3105km/s.光在均匀介质中直线传播,速度与介质的折射率成反比,即:式中,n 为介质光折射率,c 为真空中的光速.以真空的光折射率为1,其它介质的折射率大于1,因此传输速度比真空中小.其中空气的折射率近视为1,而石英光纤的折射率为1.458,则光波速度为 v=2105km/s.光波的波长(),频率(f)和速度之间的关系为:或2,光波的折射与反射光在
14、同一均匀介质中是直线传播的,但在两种不同的介质的交界处会发生反射和折射现象,如图2-3所示.设 MM为空气与玻璃的界面,NN为界面的法线,空气折射率 n1包层的折射率 n2,其折射率分布的数学式如下:光线以光纤的轴心线平行射入,则直线向前传播.若光线以光纤端面入射角 进入光纤,则在包层产生包层界面入射角.因为 n1n2,包层界面入射角的临界角 M,与临界端面入射角a 的关系为:当 a 时,则10dB/km),属于材料吸收为主,而通信中的衰减主要来自波导散射和材料散射.如图2-9所示,光衰减与波长有关,从曲线可知,石英光纤由三个衰减区(又称作低率耗“窗口“),第一衰减区为0.6m0.9m,为短波
15、长低率耗区.第二和第三衰减区分别为1.0m1.35m和1.45m1.8m,为长波长低衰耗区.光纤弯曲衰减,微弯衰减和接头衰减一弯曲衰减:光纤可弯曲,如果曲率半径过小,光就会从包层泄漏,因此在光纤制成缆,现场铺设(管道转弯),光缆接头盒等场合可能出现弯曲衰减,描述为:其中,R 为弯曲半径,A,B 与光纤参数(纤芯半径 a,光纤外径2b,相对折射率差 )有关的待定常数.二微弯衰减微弯是随机的,其曲率半径与光纤横截面尺寸相比拟的畸变.常发生在套塑,成蓝,周围温度变化.微弯衰减是光纤随机畸变的高次模与辐射模之间的耦合模所引起的光功率损耗.大小表示为:其中:N 是随机微弯的个数;h 是微弯凸起的高度;表
16、示统计平均符号;E 是涂层料的杨氏模量;Ef 是光纤的杨氏模量;a 为纤芯半径;b 为光纤外半径; 微光纤的相对折射率差.三接头衰减光通信中两个中继站之间的长光纤,是由许许多多的短光纤连接起来的(一般每2km 一段),采用熔接(0.05dB)或冷接(0.1dB)的技术,因此存在接头损耗,一般的熔接要求两根光纤的轴心偏移不超过10%.光纤的涂覆与套塑光纤的一次涂覆通用光纤的外径按 ITU-T 的规定为125m,其中单模光纤纤芯在8m 25m,多模光纤纤芯在15m 50m.玻璃是脆性断裂材料,在空气中裸露会发生腐蚀,只要用100克左右的拉力就可以导致光纤断裂.为保护光纤的表面,提高抗拉强度和抗弯曲度,需要给光纤涂覆硅酮树脂或聚氨甲酸乙脂.通常采用两次涂覆,第一层用变性硅酮树脂,可吸收包层透过的光;第二层采用普通的硅酮树脂,涂层较厚有利于提高低温和抗微弯性能.紧套光纤:如跳线(jumper)和尾纤(pigtail),低温性能好,两次涂覆后光纤的外径为900m.松套光纤:裸纤(b
