淺談通信傳輸中的光纖知識

河南有線三門峽分公司網絡建設部 鄭文祺

1.引言

我們的生活離開了光，惡劣的后果簡直不可想象。光是如此重要，又如此奇妙，令人感嘆不已。它到底是粒子還是波，這個問題至今仍未解決。科學家現在認為光有兩重性，既是粒子又是波。對此，我們在這里也就不多做討論。

隨著科學技術和生產力的發展，光信號的傳輸，目前在通信與廣播電視傳輸系統中，已可與電信號分庭抗禮，占據半壁江山。光纖通信成為了一項系統工程，涉及光學，微電子學，信號與系統，機械，計算機與自動控制，材料以及它們之間的交叉，集成和綜合，此外還有光網設計，標準化，成本核算等軟層面上的工作，比如設計一個單信道光纖通信系統，將系統粗略地劃分為發射-信道-接收三部分，需要考慮的諸多因素如圖1所示。

由上述可知，光纖作為光信號的傳輸介質，其重要性自是不言而喻。在這里，我們僅淺談下光纖的分類，連接，衰減，檢測。

2.光纖的分類

2.1 光纖是什么

什么是光纖呢？光纖，光導纖維(Optical Fiber)的簡稱.它是由石英玻璃或塑料形成的很細的纖維狀物質，呈圓柱形，直徑約9-50微米。日常應用中，光纖由纖芯、包層與涂敷層三大部分組成。

纖芯位于光纖的中心部位，直徑4-50μm，纖芯的成分是高純度二氧化硅(目前石英系光纖、多組分玻璃光纖、全塑料光纖、氟化物光纖也得到廣泛應用)，此外，還摻有極少量的摻雜劑(如二氧化鍺，五氧化二磷)，其作用是適當提高纖芯對光的折射率，用于傳輸光信號。

包層位于纖芯周圍，直徑為125μm，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。在這里，摻雜劑(如三氧化二硼)的作用是適當降低包層對光的折射率，使之略低于纖芯的折射率，即纖芯的折射率大于包層的折射率(這是光纖結構的關鍵)，它使得光信號封閉在纖芯中傳輸。

光纖的最外層為涂覆層，包括一次涂覆層、緩沖層和二次涂覆層。一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機硅或硅橡膠材料；緩沖層一般為性能良好的填充油膏；二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。涂覆層的作用是保護光纖不受水汽侵蝕和機械擦傷，同時增加光纖的機械強度與可彎曲性，從而延長光纖壽命。

一般涂敷后的光纖外徑約2.5毫米。由于纖芯的折射率設計得略大于包層，故激光信號在全反射波導狀態下被封閉在纖芯內傳播，光纖的結構見圖2。

2.2 光纖的分類

光纖的分類方法有很多，若按制造光纖所用材料分，可分為石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖、氟化物光纖；按照光的傳輸模式可分為多模光纖(Multi-mode Fiber)和單模光纖(Single-mode Fiber)；按光纖的工作波長可分為短波長光纖、長波長光纖、超長波長光纖；若按最佳傳輸頻率窗口分類可分為常規型單模光纖和色散位移型單模光纖；按折射率分布情況可分為階躍型和漸變型光纖。在這里只重點討論單模光纖和多模光纖。

圖1 單信道通信簡圖

圖2 光纖的結構

圖3 a.切割準確；b.切割后產生了裂縫；c.切割不平，產生了邊唇。

(1)單模光纖：單模光纖中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10μm)，在給定波長上只能以單一模式傳輸，優點是傳輸頻帶寬、容量大；因為只能傳一種模式的光，所以其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導色散，因此單模光纖對光源的譜寬和穩定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩定性要好。后來又發現在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的主要工作波段。1.31μm常規單模光纖的主要參數是由國際電信聯盟ITU－T在G.652建議中確定的，因此這種光纖又稱G.652光纖。

(2)多模光纖：是在給定的工作波長上，能以多個模式同時傳輸。多模傳輸時由于不同模式的光沿線傳輸的速度不同會產生相位差將導致傳輸失真因而使其傳輸頻帶受限。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。因此與單模光纖相比，多模光纖的傳輸性能較差。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。

單模光纖和多模光纖可以從纖芯的尺寸大小來簡單地判別。一般的情況下，為保證數據傳輸的準確性，短波光模塊使用多模光纖，長波光模塊使用單模光纖。單模光纖的跳線一般用黃色表示，接頭和保護套為藍色或綠色；多模光纖的跳線一般用橙色表示，也有的用灰色表示，接頭和保護套用米色或者黑色。光纖跳線兩端的光模塊的收發波長必須一致，也就是說光纖的兩端必須是相同波長的光模塊，簡單的區分方法是光模塊的顏色要一致。

3.光纖的衰減

造成光纖衰減的主要因素有：本征，雜質，不均勻和彎曲，擠壓，對接等。

本征：即光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

雜質：光纖內雜質吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。

圖4 光纖熱熔接簡圖

圖5 光纖冷接簡圖

不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。

彎曲：光纖彎曲時部分光纖內的光會因散射而損失掉，造成的損耗。

擠壓：光纖受到擠壓時產生微小的彎曲而造成的損耗。

對接：光纖對接時產生的損耗，如：不同軸(單模光纖同軸度要求小于0.8μm)，端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質量差等。

前三個因素是由光纖自身因素和生產工藝造成，很難克服。后三個因素則主要是在使用中，因人為因素造成。所以，光纖在使用時，要避免過度彎曲和繞環；在熔接時，要盡量保證切割端面的平整，這樣可降低光在傳輸過程中，人為因素造成的衰減。另外，光纖跳線使用后，也必須用保護套將光纖接頭保護起來，否則灰塵和油污會損害光纖的耦合，造成信號急劇衰減。如圖3。

4.光纖的連接

光纖的連接方法大致可分為：永久性連接、應急連接、活動連接。

(1)永久性光纖連接(又叫熱熔)

這種連接是用放電的方法將連根光纖的連接點熔化并連接在一起。一般用在長途接續、永久或半永久固定連接。其主要特點是連接衰減在所有的連接方法中最低，典型值為0.01-0.03dB/點。但連接時，需要專用設備(熔接機)和專業人員進行操作，而且連接點也需要專用容器保護起來。如圖4

(2)應急連接(又叫)冷熔

應急連接主要是用機械和化學的方法，將兩根光纖固定并粘接在一起。這種方法的主要特點是連接迅速可靠，連接典型衰減為0.1～0.3dB/點。但連接點長期使用會不穩定，衰減也會大幅度增加，所以只能短時間內應急用。如圖5。

圖6 光纖成端樣圖

(3)成端活動連接

成端活動連接是利用各種光纖連接器件(插頭和插座)，將站點與站點或站點與光纜連接起來的一種方法。這種方法靈活、簡單、方便、可靠，多用在前端機房內的網絡布線中。其典型衰減為1dB/接頭。如圖6。

5.光纖的檢測

光纖檢測的主要目的是保證系統連接的質量，減少故障因素以及故障時找出光纖的故障點。檢測方法很多，主要分為人工簡易測量和精密儀器測量。

(1)人工簡易測量：這種方法一般用于快速檢測光纖的通斷和施工時用來分辨所做的光纖。它是用一個簡易光源從光纖的一端打入可見光，從另一端觀察哪一根發光來實現。這種方法雖然簡便，但它不能定量測量光纖的衰減和光纖的斷點。

(2)精密儀器測量：使用光功率計或光時域反射圖示儀(OTDR)對光纖進行定量測量，可測出光纖的衰減和接頭的衰減和光纖大致的斷點位置。這種測量，可用來定量分析光纖網絡出現故障的原因或對光纖產品進行評價。

6.結束語

通過上面的介紹，我們知道由于單根光纖的強度很低，不便敷設，因此單根光纖外面包再加一層薄的塑料外套用來保護封套。封裝好后的光纖，按不同規格扎成束，就成為易于施工鋪設的光纜。

[1]楊淑雯.全光光纖通信網[M].科學出版社,2004.

[2]樂孜純譯.光網絡[M].機械工業出版社,2004.

[3]陳才和.光纖通信[M].電子工業出版社,2004.