光纤与光缆的结构及关系

一、光纤的结构与类型

光纤(OpticFiber),是光导纤维的简称,它能够将进入光纤一端的光线传送到光纤的另一端。光纤是一种多层介质结构的对称柱体光学纤维,它一般由纤芯、包层、涂覆层与护套层构成,如图1所示。


图1 光纤结构示意图

纤芯与包层是光纤的主体,对光波的传播起着决定性作用。纤芯多为石英玻璃,直径一般为5~75^m,材料主体为二氧化硅,其中掺杂其他微量元素,以提高纤芯的折射率。包层直径很小,一般为100~200pm,其材料主体也为二氧化硅,但折射率略低于纤芯。涂覆层的材料一般为硅酮或丙烯酸盐,主要用于隔离杂光。护套的材料一般为尼龙或其他有机材料,用于提高光纤的机械强度,保护光纤。一般,没有涂覆层和护套的光纤,称为裸纤。

光纤的种类很多,从不同的角度出发有不同的分类,一般有以下4种分类。

(1)按光纤材料分,可分7种:石英系光纤、多组分玻璃光纤、氟化物光纤、塑料光纤、液芯光纤、晶体光纤、红外材料光纤。

(2)按光纤横截面上折射率的分布分,可分两类:阶跃型(突变型)光纤和梯度型(自聚焦或渐变型)光纤。

阶跃型光纤纤芯折射率径向分布函数如图2(a)所示,在纤芯和包层两种介质内部,折射率均匀分布,即们、"2均为常数,因此在纤芯与包层的分界处折射率产生阶跃变化。梯度型光纤的纤芯折射率沿径向呈非线性规律递减,故亦称为渐变折射率光纤。图2(b)为一种常见的梯度型光纤的折射率径向分布函数。


图2 光纤纤芯折射率径向分布示意图

(3)按传输模式多少分,可分为两类:单模光纤(Single-Mode)和多模光纤(Multi-Mode),如图3所示。


图3 单模与多模光纤示意图

光纤中传播的模式就是光纤中存在的电磁场场形(HE)或者光场场形,其各种场形,都是光波导中经过多次的反射和干涉的结果,而各种模式是不连续的。由于驻波才能在光纤中稳定的存在,它的存在反映在光纤横截面上就是各种形状的光场,即各种光斑。如果是一个光斑,称为单模光纤,它只传输主模,也就是说,光线只沿光纤的内芯进行传输(见图3)o由于单模光纤完全避免了模式色散,从而使得它的传输频带很宽,因而适用于大容量、长距离的光纤通信。一般,单模光纤使用的光波长为1310nm或1550nm。若为两个以上光斑,则称为多模光纤,即它有多个模式在光纤中传输。由于色散或像差的关系,这种光纤的传输性能较差,频带比较窄,传输容量也比较小,所以传输距离比较短。图3所示为多模光纤光线轨迹图。

(4)按光纤工作波长分,可分三种:0.8~0.9pm的短波长光纤、1~1.7pm的长波长光纤、2nm以上的超长波长光纤。

由于光纤的材料与制造工艺的不同,使光在光纤中传输时会有一定的衰减,其衰减量一般用dB/km表示。而不同波长的光,在光纤中传播时造成的衰减是不一样的。光波长与传输损耗的关系,如图4所示。


图4 光波长与传输损耗的关系

由图4可知,在以纳米(nm)表示波长的一些特定点上,其光的衰减最小。因此,光纤通信中常用的光波长,一般选用使光衰减量最小的850nm,1300nm及1550nm等波长。

二、光缆的结构与类型

一般,光纤裸纤是很脆弱的,它虽然有防护层的保护,但仍不适于长距离室外工程项目的架设。在实际的工程应用中,光纤都是包在高抗拉强度的外套内,以光缆形式出现的。目前,光缆一般具有两种基本类型,即用于室外的松管型和用于室内的紧包缓冲型,室外的松管型光缆如图5所示,室内的紧包缓冲型光缆如图6所示。


图5 松管型光缆示意图


图6 紧包缓冲型光缆示意图

在图5所示的松管型光缆内,填充有防潮用的软胶,每根管内最多可以装12根光纤。在实际的多光纤室外应用时,一般采用如图7所示的多光纤室外光缆。


图7 多光纤室外光缆

这种室外光缆除具有多层金属与非金属的保护套管外,在其中心均设置有一根抗拉钢丝,这就可以进一步提高光缆的抗拉强度。尤其是将这种光缆用于室外架空安装时,还必须按图8所示那样,去捆绑金属钢丝。


图8 光缆在室外架空安装

三、光纤光缆的连接

光纤与光源或光电探测器耦合时,为了提高耦合效率,光纤端面应该抛光成镜面,且垂直于纤心轴线。进行这种光纤端面切割的简便方法是使用光纤切割刀具,如图9所示。


图9 光纤端面切割的方法

将要切断的裸光纤顺着半径为R的(一般为几cm)刚体放置,金刚石刀垂直光纤在光纤上压-伤痕,然后对光纤施一张力(拉紧光纤),伤痕产生的裂纹在弯曲应力和张力的作用下逐渐扩大,结果光纤就能平整如镜般地切断。切记不可用一般剪钳来切光纤,因为这样会因石英的脆性而断裂成高低不平的断面,从而无法使用。

当光缆与光发射机及光接收机相连接时,必须使用连接器。目前,光纤的连接方式有永久性固定连接和活动连接两种。固定连接一般用于线路中光纤与光纤的连接。活动连接用于机器与线路以及需要经常拆装的连接。不管是哪一种连接方式,其主要要求都是一样的,即应具有低的损耗。

(1)光纤活动连接器。光纤活动连接器是把光纤芯的两个端面精密地对接起来,使发射端光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收端光纤中,并使它本身介入到光链路而对系统造成的影响减少到最小。在一定程度上,光纤连接器影响着光传输系统的可靠性和各项性能。

光纤活动连接器的外形如图10所示。


图10 光纤活动连接器的外形

光纤活动连接器品种很多,一般分多模光纤连接器和单模光纤连接器。

①多模光纤连接器:用于多模光纤系统,它有U型环路连接器、插座式连接器、现场装配连接器(FA),以及C型连接器等,它们的损耗在0.4~0.5dB以下。

②单模光纤连接器:有直接接触型(PC型)、平面对接型(FC型)、矩形型(SC型)以及ST、D4、DIN、MU、MT等。现又发展了LC型与MTRJ型。

LC型是为满足客户对连接器小型化、高密度连接的使用而开发的一种新型连接器,它压缩了整个网络中面板、墙板及配线箱所需要的空间,使其占有的空间只相当于ST和SC连接器的一半,多应用在提供SFP扩展槽交换机上的SFP(mini GBIC)光纤模块中,在单槽SFP方面,它实际已占据了主导地位,在多模方面的应用也增长迅速。

MTRJ型是一种集成化的小型双纤连接器,它带有与RJ-45型LAN点连接器相同的闩锁机构,通过安装在小型套管两侧的导向销去对准光纤,为便于与光收发相连,连接器端面光纤为双芯(间隔0.75mm)排列设计,属于数据传输的高密度光纤连接器。

为保证光纤连接器的光芯能够与光发射机及光接收机上接口座内的光芯部分平滑无缝地连接,必须对光纤连接器的光芯截面进行磨光处理,以尽可能地减小光纤连接点处的插入损耗。而对光芯截面进行磨光处理的过程,需借助专用的光纤连接磨光机来完成。光纤连接磨光机可以精确地固定光纤连接器的光芯部分,使其与置于玻璃板上面的磨光薄膜保持严格的垂直关系。通过使其在磨光薄膜表面绕“8”字形的轨迹反复摩擦运动,即可将连接器的光芯截面打磨平滑。

一般,对光纤连接器的性能要求如下。

①光学性能:主要是插入损耗和回波损耗两个基本的参数。插入损耗(Insertion Loss)即连接损耗,是指因连接器的介入而引起的链路有效光功率的损耗,插入损耗越小越好,一般要求不大于0.5dB。回波损耗(Return Loss,Reflection Loss)是指连接器对链路光功率反射的抑制能力,其典型值应不小于25dB。实际应用的连接器,插针表面经过了专门的抛光处理,可以使回波损耗增大,一般不低于45dB。

②互换性、重复性:连接器是通用的无源器件,对于同一类型的连接器,一般都可以任意组合使用,并可以多次重复使用,由此而导入的附加损耗一般都小于0.2dB的范围。

③抗拉强度:对于做好的光纤连接器,一般要求其抗拉强度不低于90N。

④温度:一般光纤连接器在-40~+70℃的温度下才能够正常使用。

⑤可插拔次数:目前使用的光纤连接器一般都可插拔1000次以上。

(3)光纤永久性连接。光纤光缆的永久性连接,不能像电缆那样简单地焊接,一般分为黏结剂连接和热熔熔接两种方式,如图11所示。


图11 光纤永久性连接

这种连接都需要V形槽或精密套管,将光纤中心对准后加黏结剂使之固化,或者采用二氧化碳激光器或电弧放电等热熔光纤对接,如图11(c)所示,使之连接起来。目前,大多采用这种热熔熔接法。由于光纤很细,而单模光纤的纤芯直径在10Um以下,所以要借助专门的熔接机,其操作过程都是在显微镜下对每一根光纤进行熔接的,实际上,目前在工程中多采用高精度自动熔接机,在先将光纤端面切割好后,光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤,都在微处理机的控制下自动完成,因而其熔接质量很好,接头的附加损耗可控制在0.1dB以下。

在单模光纤连接时,除要求光纤纤径一致之外,重要的是要求在实质上代表分布宽度的模场直径(Mode File Diameter,MFD)要一致。

一般,良好的接续是指在接续点上没有光传输的不连续现象,因连接焊点的好坏,直接决定连接的损耗。如焊接点的芯径失配、折射率分布失配、同心度不良、横向错位、轴向角偏差,以及端面的污染等,都可能使接点损耗增加。总之,不能出现图12所示的任何一种连接偏差。

图12 光纤连接可能出现的偏差

其中,图12(a)、图12(b)、图12(f)和图12(g)所示的连接偏差,对插入损耗影响最大。因此,固定焊接时,要求很高的几何精度和工艺水平,这样才能使接头损耗低达0.1dB水平。

 

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