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光纤传输的基本知识



发布时间:2017-04-30| 浏览985 次

    成都联通宽带讯:
  1. 光纤传输方式

    同轴电缆由于线材本身特性的问题,使得传输距离受到限制,在充斥着电磁波的使用环境中,电磁波的干扰更使同轴电缆传输的效率降低,若安装地点位于多雷区,两端设备还会因雷击遭到破坏。光纤传输具有同轴电缆无法比拟的优点而成为远距离视频传输的首选设备。

    一、光纤传输的特点

    ㈠传输损耗低

    损耗是传输介质的重要特性,它只决定了传输信号所需中继的距离。光纤作为光信号的传输介质具有低损耗的特点。如使用62.5/125μm的多模光纤,850nm波长的衰减约为3.0dB/km、1300nm波长更低,约为1.0ddB/km。如果使用9/25μm单模光纤,1300nm波长的衰减仅为0.4dB/km、1550nm波长衰减为0.3dB/km,所以一般的LD光源可传输15至20km。目前已经出现传输100公里的产品。

    ㈡传输频带宽

    光纤的频宽可达1GHz以上。一般图像的带宽为6MHz左右,所以用一芯光纤传输一个通道的图像绰绰有余。光纤高频宽的好处不仅仅可以同时传输多通道图像,还可以传输语音、控制信号或接点信号,有的甚至可以用一芯光纤通过特殊的光纤被动元件达到双向传输功能。

    ㈢抗干扰性强

    光纤传输中的载波是光波,它是频率极高的电磁波,远远高于一般电波通讯所使用的频率,所以不受干扰,尤其是强电干扰。同时由于光波受束于光纤之内,因此无辐射、对环境无污染,传送信号无泄露,保密性强。

    ㈣安全性能高

    光纤采用的玻璃材质,不导电,防雷击;光纤传输不像传统电路因短路或接触不良而产生火花,因此在易燃易爆场合下特别适用。光纤无法像电缆一样进行窃听,一旦光缆遭到破坏马上就会发现,因此安全性更强。

    ㈤重量轻,机械性能好

    光纤细小如丝,重量相当轻,即使是多芯光缆,重量也不会因为芯数增加而成倍增长,而电缆的重量一般都与外径成正比。

    二、光纤结构与传输机理

    光纤是光波传输的介质,是由介质材料构成的圆柱体,分为芯子和包层两部分。光波沿芯子传播。在实际工程应用中,光纤是指由预制棒拉制出纤丝经过简单被复后的纤芯,纤芯再经过被复,加强和防护,成为能够适应各种工程应用的光缆。

    ㈠光纤传光机理

    光波在光纤中的传播过程是一个复杂的电磁场的边界问题,一般来说,光纤芯子的直径要比传播光的波长高几十倍以上,因此利用几何光学的方法定性分析是足够的,而且对问题的理解也很简明、直观。

    当一束光纤投射到两个不同折射率的介质交界面上时,发生折射和反射现象。对于多层介质形成的一系列界面,若折射率n1>n2>n3…>nm,则入射光线在每个界面的入射角逐渐加大,直到形成全反射。由于折射率的变化,入射光线受到偏转的作用,传播方向改变。

    光纤由芯子、包层和套层组成。套层的作用是保护光纤,对光的传播没有什么作用。芯子和包层的折射率不同,岂折射率的分布主要有两种形式:连续分布型(又称梯度分布型)和间断分布型(又称阶跃分布型)。

    当入射光经过光纤端面的折射后进入光纤,除了与轴向方向一致的光沿直线传播外,其余的光线则投射到芯子和包层的交界面:一种在界面形成全反射,这些光线将与光轴保持不变的夹角,呈锯齿状无损耗地在光纤芯子内向前传播,称之为传播光;另外一种在界面处只有一部分形成反射,还有一部分折射进入包层,最后被套层吸收,反射的光线再次到达界面时又会有一部分损耗,因而不能传播,称为非传播光。

    实际上进入光线的大部分不是上面所将的轴面光,因此还有一种称为泄漏光,如果芯子和包层的界面十分平坦,这些光线将形成全反射而得到传播,但事实上仅部分反射,尽管损耗比非传播光小还是不能很好地传播。对于长距离传输来说只有传播光是有意义的。

    进入光纤的光线在向芯子包层界面传播时,由于芯子折射率逐渐减小,受到一个向心偏转的作用,与轴线夹角θ小于一定值的光纤不能到达界面或到达界面形成全反射,因而受束于芯子内、呈波浪状无损耗地向前传播,成为传播光。其余的光由于有一部分在界面处折射进入包层,逐渐被吸收掉而不能传播。

    因此,光纤芯子和包层的折射率及折射率的分布与光纤的转播特性有密切关系。

    ㈡光纤的分类

    可以从不同的角度对光纤进行分类,如构成光纤的材料、制造方法、光纤芯子包层折射率的分布和光纤可以传播光的模数等。

    构成光纤芯子和包层的材料主要有:多组合玻璃、高纯度石英玻璃和低损耗卤化物材料等。不同的材料其预制棒的制备和光纤的拉制方法也不同。目前应用叫多的是高纯度石英玻璃光纤(石英光纤),其材料制备技术、光纤的传输特性和强度等方面具有综合的优越性。

    光纤芯子和包层的折射率分布与光纤材料、拉制方法以及光纤的结构有关,除了前面提到的梯度分布型和阶跃分布型外还有单材料光纤、环形光纤、W型光纤等都属于阶跃分布型光纤,结构上各有特点。

    也可以按照传播光的模数来区分。我们可以将一条光线理解为代表一个模,或者是不同的模代表不同的角度的入射光,光的波动原理认为光纤只能允许有限的离散树木的光(或模)传播。光纤中可传播的数目是芯子的横截面积和芯子中心与包层间的折射率差的函数,与其成正比关系。当光纤就只允许一个模的光传播就是单模光纤。单模光纤由于只传播轴线关,因此不存在模色散,具有很大的信息载送容量。多模光纤一般可有几百和低损耗的传播模。容易与光源和大面积探测器耦合。

    按照制造方法还可以分为CVD(化学汽相沉淀法)、MCVD(改进化学汽相沉积法)等。

    ㈢光纤的特性

    光纤的特性包括传播特性、几何参数和芯子包层折射率差等基本特性。传输特性则主要表现在光纤的损耗和带宽两个方面。

    ⒈数值孔径NA

    它代表光纤芯子与包层之间的折射率差,是光纤一个最重要的基本特性。NA是反映光纤芯子包层折射率关系的参数,折射率差越大,NA越大,光纤可以接收并传播的光越多,即与光纤可传播的模数成正比。因此在某种意义上数值孔径表示了光纤集光的能力。

    ⒉传输损耗

    这是光纤一项重要的光学特性,它很大程度上决定了传输信号所需中继的距离,也关系到系统经济性。引起光纤损耗的原因有材料吸收、散射损耗和结构缺陷等。

    材料吸收是一种损耗机理。由于光纤不可能是完美的圆柱体,某些参数会沿长度方向呈周期的变化,这些参数既可以是折射率分布,也可以是几何参数,即可以是沿长度方向的变化,也可以是轴线相对于直线的偏离。这就会引起一个传播上光功率部分地转移到另一模上去,这就是散射。如果转移模为非传播模就产生了散射损耗。散射损耗是按1/λ4的比例形成的,因此选择长波工作是有好处的。有些小的参数变化,如材料成分、应力等是可以通过改进制作技术来减小的,但有些小的折射率变化是光纤拉制过程中热扰动形成的不能完全消除,它决定了光纤散射损耗的最低极限。

    光纤结果缺陷,如芯子包层界面不光滑、气泡、应力、直径的变化和轴线弯曲等都会引起光纤的传输损耗,所以提高光纤结构的完美和一致性是拉纤工艺的重要任务致意。

    光纤的损耗是以每公里分贝(dB/km)来计量。石英光纤有三个低损耗波长区——0.85μm、1.3μm、1.55μm。氟化物光纤的损耗更低。

    ⒊传输带宽

    它表示光纤的传输速率,主要受到光纤色散的限制。当光脉冲沿光纤传播时,每个脉冲都会随着距离的增加而展宽,最后相邻的脉冲发生重迭,这就限制了光纤传送信息的速率,限制了光纤传输带宽,导致光脉冲展宽的机理是光纤的色散,包括材料色散、波导色散和模色散。

    材料色散的物理意义是:光在介质中的传播速度与折射率成反比,光纤材料的折射率是随波长变化的,因此不同波长的光在光纤中传播的速度不同。波长越短,色散越严重。

    波导色散是由于波长不同的光线在光纤中运行的轨迹不同、渡越时间也不同所造成的。对于同一模来说,不同波长的光在光纤中将走循不同的轨迹,有着不同的渡越时间,引起波导色散。与材料色散相反,波长越长波导色散越严重,同时光纤芯子直径越小,波导色散越严重。

    模色散也称模间色散。对于同一波长的入射光,不同入射角的光纤代表不同的模,不同模在光纤中行走的路径不同,渡越时间也不同,从而形成模色散。模色散随着光纤芯子直径的减小而减小,当直径小到一定程度时光纤成为只允许传输一个模的单模光纤,就不存在模色散了。

    在1.3μm波长处,光纤的波导色散与材料色散相抵消,因此理论上可以制造1.3μm的零色散单模光纤,如果将石英单模光纤的零色散波长1.3μm移到最低损耗波长1.55μm处,就可以制造色散移位(DS)单模光纤。如果能够在长波长范围内的两个零色散波长,使光纤在宽范围内色散都很低,即可制成色散平坦单模光纤。

    光纤的色散与光纤的长度或信号的传输距离有关,因此光纤的传输带宽是传输距离的函数,常用带宽距离乘积来计量光纤的传输带宽,而对单模光纤则常用色散值来表示传输特性。

    三、光缆

    光缆是对光纤进行防护、加强后使之成为具有实用价值的传输介质。

    ㈠光缆的设计目标

    光缆设计应考虑以下几点:避免产生纤芯的微弯损耗;避免使纤芯的表面受到损伤;保证光缆具有足够的机械强度、良好的密封性和防潮性能;对多芯光缆要便于识别每根纤芯;合理的重量、体积和纤芯空间分布。

    ㈡光缆的结构

    常用的光缆分为层绞式和骨架式,其它还有单位式、软线式、带状等型式。

    层绞式是一根限位加强塑料或钢丝构成中心加强件外环绕一层缓冲层,多根纤芯均匀地分布在缓冲层外、螺线状环绕着中心加强件,纤芯层的外面再形成一缓冲层,最后是防水被复,通常采用聚乙烯铝被复。

    骨架式光缆采用一包含一根中心钢丝的特殊形状的塑料骨架,纤芯疏松地放置在骨架周围的空腔中。纤芯同样是螺线状地环绕着中心钢丝,这就保证了在光缆折弯时,避免纤芯承受附加的应力。光缆最外层也是防水被复。为了提高光缆的防潮性能,有些光缆在骨架的空腔中灌注防潮密封胶,纤芯是浮在密封胶中,因此具有极好的防潮密封性。

    多芯单元式结构是将几根纤芯疏松地装在一个护套中,形成一个单元,几个单元再环绕中心加强体的周围。
    中心加强件(中心钢丝)在施工中承受绝大部分牵引力,因此决定了光缆的抗拉强度,铝套和骨架则提高了光缆的抗侧压强度。

    根据光缆所含纤芯数量分为单芯和多芯光缆,干线应用中多为多芯光缆,各点分路时多为单芯光缆。

    四、光源

    ㈠光纤传输用光源

    光源是光纤传输系统中的重要器件之一。光纤传输用的光源与其它应用的光源具有完全不同的要求。其本声本身并不需要很大的功率,但要有很好的稳定性和足够的寿命。其几何尺寸和结构型式应与光纤相匹配,并保证有足够的光功率进入光纤。为了得到好的传输效果,光源应在光纤的低损耗和低色散波长处输出。同时要求信号调制容量大,调制频率可低至音频,高至几GHz以上。根据这样的要求,能够适用于光纤传输的光源就仅限于少数体积小、价格低又易于调制的固体器件。

    ⒈发光二极管(LED)

    发射波长为0.8~0.9μm或1.1~1.5μm的发光二极管是最简单的固体光源,在光纤传输中得到大量的应用。它可以提供足够的输出规律和中等程度的光谱宽度,可以方便地直接调制,有长的工作寿命,价格也较低廉。
    LED的设计要求之一是具有能够输出其辐射的结构,获得有效的外部光功率,便于与光纤耦合,产生较高的入纤功率。有两种结构型式的LED:表面发光二极管和端面发光二极管。

    表面发光二极管在小面积的有源区发光,光沿着垂直于结平面的方向通过有源区上面的一个很薄的或透明的半导体层输出。小面积的有源区有利于较高电流密度的散热,把有源区作成小的圆面,直径通常为75~100μm,上面的半导体层非常薄(10~15μm),这样光纤的端面可以非常接近有源区,获得很好的耦合。散热LED很重要的问题,结温度的上升将引起输出功率的下降。异质结型比同质结型LED发光效率和输出光效率高,但散热性能不如同质结型。

    端面发光二极管是直接从暴露的有源区的一个端面输出辐射。高效率的端面发光二极管发射出来的光形成一个比较定向的光束,因此有利于把发射光耦合进光纤,特别对于小口径光纤这种方式就更优越了。由于有源层的折射率高于两侧,形成波导效应,将发射光限制于有源层内,在一个端面镀上全反射膜,而在另一个相对的端面(即输出端面)镀上抗反射膜,就会使光线比较集束的从一个端面发射出来。由于光是从十分小的端面发射出来,所以端面的有效亮度非常高,与光纤耦合时,在端面放置一个很有效的,因为器件的出光面要小于光纤的横截面积。

    ⒉半导体激光器(LD)

    半导体激光器所发射的光谱宽度比发光二极管要窄得多,一般都小于1nm。在材料色散是限制传输带宽的主要因素时是非常优越的。激光器即使有几个模式同时振荡,在与多模光纤耦合时效率高于50%,比LED 高得多。因此,与LED发出相同输出功率的激光器耦合进入光纤的光功率要比LED高15至20dB。同时,在正常的偏置条件下,其调制频率可高达1GHz以上,所以在长距离、高速率传输系统中非常适用。

    ㈡光源的特性

    ⒈光谱特性

    这是光源的基本特性,通常采用光源的波长λ和光谱宽度Δλ(光功率3dB的宽度,又称为半值宽度)来表示。传输损耗和由材料色散所限制的传输速率均与光源的波长和光谱宽度有关。

    ⒉功率效率

    对于光源的工作效率,尤其是LED,测量总的输出功率是没有实际意义的,因为不是所有加到二极管上的电功率都能转换为输出光功率,更不是所有的输出光功率都能耦合进入光纤获得实际应用。所以一般采用有用功率效率这一指标,它表示实际接收的光功率与加到二极管上的电功率之比。实际接收的光功率是与光源的结构、光纤的耦合方式有关,如表面发光二极管采用大数值孔径光纤在二极管碗口处直接耦合来提高有用功率,也就提高了有用功率效率。

    耦合效率也是一个十分有用的指标,它是注入光纤的光功率与光源输出光功率之比。一般LED的耦合效率为百分之几,LD的耦合效率可达50%。另外,出纤率也是一个经常使用的指标。

    ⒊输出特性

    光源的输出特性表示了工作电流和输出光功率(或出纤率)之间的关系。LED的输出特性在很宽的范围内具有良好的直线性,当注入电流达到一定值时,呈现饱和状态。LD的输出特性曲线出现有一个拐点,它对应于受激发光的阈值,注入电流低于阈值时,只有很低的发射输出,器件处于LED状态;当注入电流超过阈值时,开始产生受激发射,产生高功率的光输出,有一段很好的线性区。

    光源的输出特性是设计光发射机时选取静态工作点、确定电信号的调制幅度的重要依据。保证光源工作在良好的线性段是保证传输系统线性的关键,尤其是对模拟信号,如视频信号的传输减小非线性时针是该很重要的。

    ⒋效率和调制带宽

    光源的输出功率、功率效率与注入电流有关,也与光源有源层的几何尺寸、材料掺杂浓度等因素有关。光源的调制速度(直接由载有信息信号电流加以调制)也与这些因素有关。目前的工艺对于影响效率和调制速度的参数可以做适当的调节,但二者相互制约,不可能同时获得大的输出功率和高的调制速度。调制带宽对应于直接调制速度,是按照电信号的带宽定义的,也就是说,高输出的器件只能以低速率直接调制,具有较低的调制带宽。若要获得高的调制速度就必须牺牲输出功率。

    ⒋寿命

    工作寿命表示光源的输出功率降低至初始值一半时的工作时间。LED一般可达107,比LD的寿命长得多。

    ㈢光源的调制

    与电波通讯一样,必须把信息搭载到光波上,也就是对光波进行调制。调制可以是模拟的,也可以是数字的,采用方法要根据系统要求、综合光纤传输特性、探测器特性以及光源自身特性决定。模拟方式设备简单、价格有优势,尽管其要求的高信噪比限制了其只能应用于较窄带宽和较短距离的场合。数字方式是应用于宽带长距离系统的理想方式。

    对于发光二极管,改变注入电流的就可以LED的输出光功率,也就实现了光强调制。对于半导体激光器,通过改变驱动电流来进行直接调制。

    常见的调制方式包括:IM(光强调制)、PCM(脉码调制)、FM(调频)、AM(调幅)、PFM(脉冲频率调制)。

    五、探测器

    探测器与光源一样也是光纤传输系统中的另一主要器件,与光源相反,探测器解调光信号,把光信号的变化转换为电信号的变化。对探测器的主要要求有:在工作波段上有足够的灵敏度和带宽;引入的噪声要低,工作稳定性好;结构上便于与光纤耦合及与处理电路组合等。常用的探测器有半导体光电二极管和雪崩二极管(ADP)。

    六、光纤传输系统

    ㈠光纤传输系统的结构

    光纤传输的是光信号,因此光发射机完成E/O转换核心器件是光源,而光接收机完成的是O/E转换,核心器件是探测器。因此光纤传输系统的三要素为光源、光纤、探测器。

    ⒈光载波波长的选择

    应该从两个方面考虑,一是在该波长处探测器能良好的工作,二是光纤在该波长处的损耗和色散性能良好。传输距离较短的系统对光纤损耗和色散要求不十分苛刻,波长选择时应实际考虑光源和探测器的成本。

    ⒉光源的选择

    光源的选择除了与波长有关外,还要涉及系统的调制方式、传输带宽(传输速率)及成本因素。LD价格比LED要高,驱动电路也比LED复杂,寿命比LED短。因此。LED是一种实用、廉价的光源器件,对于大多数5km以下的应用是足够的。

    LD的入纤功率比LED要高10到25dB,在噪声为主要限制因素的应用中,LED显然是很不利的,况且LD在避免材料色散方面也很有利,所以在高速度、长距离系统中LD要优于LED。

    ⒊探测器的选择

    与PIN二极管相比,雪崩二极管可以提高接收机的灵敏度,但价格较高,对温度敏感,需要一个复杂的电路来保证工作稳定。

    ⒋光纤的选择

    光纤的选择主要考察的是单模与多模之间的选择,也包括折射率差和折射率分布等。

    采用LED做光源,为了传输尽可能多的光功率必须选择多模光纤,而且希望有大的折射率差。梯度光心对于减小模间色散有一定好处。

    采用LD做光源,既可以使用单模光纤,也可以采用多模光纤。单模光纤截面积小(5~10μm),光纤接续比多模光纤要困难。在高速率的系统中LD与单模光纤耦合最佳。

    ㈡视频传输的系统

    宽带是视频信号的特点,应用电视中主要采用模拟基带方式和PFM方式传输。

    ⒈传输的特性

    信号噪声比(S/N):S/N影响图像分辨力,关系到主观测试效果。影响S/N的因素主要有光路(光纤)的损耗,光源的功率和探测器的灵敏度。除了合理的选择光源和探测器外,在计算光路损耗时要包括光源与光纤的耦合,光连接器的损耗,光纤接头的损耗,当然主要是光纤的长度损耗,首先提出探测器的接收光功率,然后根据光路损耗折算出光源功率。采用PFM方式可以减小损耗对S/N的影响,但会出现三角噪声,这一点可通过对视频信号进行预加重来减轻。

    幅频特性:构成10MHz传输带宽的光纤传输系统很容易,所以对于基带传输来说不存在大的问题。幅频特性决定了图像的分辨力,而幅频特性的平坦性又影响到彩色图像的色饱和度和色调。一般来说光系统对幅频特性的影响不大,大对于多路视频传输来说,光源的调制带宽和探测器的响应速度将会引起图像的线性失真。
    线性失真:通常采用脉冲和条子信号来测试,影响线性失真的主要因素是光纤的色散,而光源的光谱宽度也有一定的关系,激光器与单模光纤的耦合具有极小的线性失真。

    非线性失真:主要指DG和DP,主要是由光源的非线性引起,需要通过光端机电路进行补偿

    ⒉典型的视频传输系统

    视频模拟基带传输是一种最为简单的系统,通常可以得到10MHz以上带宽,传输距离可达数公里,是电视信号传输应用最广泛的方式。这些系统多LED光源。

    PFM传输方式具有模拟和数字调制两者的优点,比模拟方式更适合于长距离传输并便于中继放大,又不像数字方式那样高成本,是视频信号传输的一种经济实用的方式。PFM的关键在于调制与解调,光源驱动和光接收预放等与其它型式的系统相同。采用LD光源和APD探测器PFM可以实现几十公里高质量的无中继传输。

    ㈢常见的多路传输方式

    实现多路传输对降低系统成本、提高资源利用率很有好处。常见方式有频分复用(FDM)和波分复用(WDM)方式。前者是利用电信号的频分多路技术,将多路信号形成一宽带载频信号,然后由一路光纤传输,在接收端再分路解调形成多路输出。而后者是利用光波波长的复用,在一路光纤中传输多路光载波。

    ㈣光路的建立

    ⒈光纤的接续

    光纤的接续有两种方法:一是熔接,二是使用连接器。前者是在永久性系统和要求低损耗和高可靠性的场合采用的方法。后者是一种可拆卸的方式,适合于短期系统。光纤连接器大部分采用精确的几何定位的方法,使良好的光纤端面能够精确地对中,保证光功率能从一根光纤最大限度地进入另一个光纤。连接器的主要型式有圆椎定位型和异槽型定位型。按照光耦合方式分,有直接耦合和透镜耦合方式。单模光纤的芯径很小,对连接器的精度要求就更高。连接器造成的光纤接续的偏差同熔接是一样的,要求有高精度的加工以减小光纤轴向、横向和角度差,保证良好的光耦合,同时要有足够的插拔次数,反复使用仍具有高的精度。

    ⒉合光器和分光器

    合光器和分光器是实现波分复用多路传输的光学器件。分光器的结构型式有棱镜、干涉膜滤波器和衍射方式。分光与合光是互逆的器件,只要把入射和出射方向更换一下分光器就变成合光器了。

    对于复用波长较少的情况采用干涉膜容易实现,工艺稳定。光纤与干涉膜的偶合常采用平凸棒透镜和自聚焦透镜方式。后者是一种经济方便的方式,由于自聚焦透镜(聚焦棒)在1/4λ节距时,具有准直光饿会聚光的作用,故而耦合效率高,易于调节。

    波分复用是光纤传输提高传输信息容量的一项有效方法。它可以降低成本,尤其在已经铺设好光缆的情况下,使传输容量成倍增加。

    ⒊光缆接头的防护装置

    由于熔接后的光纤是裸露的因此必须进行防护。防护装置的功能主要有:

    ⑴保证接头部分的密封性,防止潮湿进入防护腔内。因为潮湿是引起光纤损耗增加和寿命降低的主要原因。另外也防止内部机械件的锈蚀而失去原有的功能。

    ⑵能够很好地安放剩余的光纤。光纤的熔接必须有一定的余量,还可能出现余量长度不同的情况,因此必须安放这些光纤,这就要求有足够的尺寸,使之可在最小折弯限度以上顺畅的盘放,并很好地固定。

    ⑶可靠地固定光缆接头,以保证加上防护装置后,光缆仍有一定机械强度。

    ⑷要便于现场的操作与使用。光缆接头防护主要在室外,防护装置最好不需要特殊工具和方法就能安装,具有好的工程性能。

    常用的防护装置一般是一些机械结构件为腔体结构,内部有防止剩余光纤的空间和固定光缆端头和光纤的结构。光缆的出入口要采用一定的密封技术,腔体的结合处也要采用密封装置。