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百科全書: 光纖基礎知識詳解

光纖的構造

通訊用光纖是由通過內部全反射來傳輸光信號的玻璃構成的。玻璃光纖的標準直徑為125微米(0.125毫米),錶面改寫有直徑250微米或900微米的樹脂保護塗敷層。玻璃光纖的傳送光的中心部分稱為“纖芯”,其周圍的包層的折射率比纖芯低,從而限制了光的流失。

 

石英玻璃非常脆弱,因此覆有保護塗層。通常有三種典型的光纖塗敷層。

一次塗敷光纖

覆有直徑為0.25毫米紫外線固化丙烯酸樹脂塗敷層的光纖。其直徑非常小,增加了光纜內可容納光纖的密度,使用非常普遍。

二次塗敷光纖

亦稱為緊包緩衝層光纖或半緊包緩衝層光纖。光纖錶面覆有直徑為0.9毫米的熱塑性樹脂。與0.25毫米的光纖相比,其具有更堅固,易操作的優點。廣泛應用於局域網佈線及光纖數量較少的光纜。 

帶狀光纖

帶狀光纖提高了連接器組裝的效率,有利於多芯融接,從而提高了作業效率。

帶狀光纖由4根、8根或12根不同顏色的光纖組成,芯纖數最大可達1,000根。光纖表層覆有紫外線固化丙烯酸脂材料,使用標準光纖剝套鉗便可輕鬆去除塗敷層,方便多芯融接或取出單個光纖。使用多芯融接機,帶狀光纖可一次性融接,在光纖數量多的光纜中能輕易識別出來。

 

光纖種類

以下是對最常用的通信光纖種類的描述。

MMF(多模光纖)

– OM1光纖或多模光纖(62.5/125)

– OM2/OM3光纖(G.651光纖或多模光纖(50/125))

SMF(單模光纖)

– G.652(色散非位移單模光纖)

– G.653(色散位移光纖)

– G.654(截止波長位移光纖)

– G.655(非零色散位移光纖)

– G.656(低斜率非零色散位移光纖)

– G.657(耐彎光纖)

只要光預算允許,技術上來講,任何合適的光纖都可應用於FTTx技術,但FTTx技術最常用的光纖為G.652和G.657。

G.651(多模光纖)

G.651主要應用於局域網,不適用於長距離傳輸,但在300至500米的範圍內,G.651是成本較低的多模傳輸光纖。

  

ITU-T G.651光纖即OM2/OM3光纖或多模光纖(50/125)。ITU-T推薦光纖中並沒有OM1光纖或多模光(62.5/125)。

多模光纖(50/125)纖芯的反射率從中心到包層逐漸改變,使得多路光傳輸可以在同一速度下進行。

G.652光纖(色散非位移單模光纖)

世界上最普遍的單模光纖。可以將波長在1,310nm左右的使信號變形的色散降至最低。您可將1550nm波長的工作視窗用於短距離傳輸或與色散補償光纖或與模塊共同使用。

G.652A/B是基本的單模光纖,G.652C/D是低水峰單模光纖

G.653(色散位移光纖)

此光纖可將在1,550nm波長左右的色散降至最低,從而使光損失降至最低。

G.654(截止波長位移光纖)

G.654的正式名稱為截止波長位移光纖,但普通稱為低衰減光纖。低衰減的特性使得G.654光纖主要應用於海底或地面長距離傳輸,比如400千米無轉發器的線路。

G.655(非零色散位移光纖)

G.653光纖在1,550nm波長時色散為零,而G.655光纖則具有集中的或正或負的色散,這樣就減少了DWDM系統中與相鄰波長相互干擾的非線性現象的不良影響。

第一代非零色散位移光纖,如PureMetro®光纖具有每千米色散等於或低於5ps/nm的優點,從而使色散補償更為簡便。第二代非零色散位移光纖,如PureGuide® 色散達到每千米10ps/nm左右,使DWDM系統的容量提高了一倍。

G.656光纖(低斜率非零色散位移光纖)

非零色散位移光纖的一種,對於色散的速度有嚴格的要求,確保了DWDM系統中更大波長範圍內的傳輸性能。

G.657(耐彎光纖)

ITU-T光纖系列中的最新成員。根據FTTx技術的需求及組裝應用而生的新產品。

G.657A光纖與G.652光纖兼容,G.657B光纖無需與傳統單模光纖在連接上兼容。

光纖接線技術的分類

光纖接線技術可以分為融接、機械絞接及連接器接線。融接和機械絞接為永久性接線,連接器接線則可以反覆拆裝。光連接器接線主要用於在光服務的運用和維護中必須切換的接線點,其他場所主要使用永久性接線。

光纖接線中出現損耗的原理

光纖接線必須使光通過的纖芯部分對置,正確定位。

光纖的接線損耗主要由下列原因引起。

(1)軸偏移 

連接光纖之間的光軸偏移會引起接線損耗。在通用的單模光纖的情況下,接線損耗大約為軸偏移量的平方乘以0.2的值。(例如,在光源波長為1310nm的情況下,軸偏移量為1μm時,接線損耗約為0.2dB)

(2)角度偏移 

連接光纖的光軸之間的角度偏移會引起接線損耗。例如,如果融接之前用光纖切割刀切斷的斷面角度變大,光纖會以傾斜狀態接線,因此必須註意。

 

(3)縫隙 

光纖端面之間的縫隙會引起接線損耗。例如,如果用機械絞接連接的光纖端面沒有正確貼合,就會引起接線損耗。

(4)反射 

光纖端面存在空隙時,由於光纖和空氣的折射率不同,會因最大0.6dB程度的反射而引起接線損耗。並且,為了防止斷光,在光連接器上清潔光纖端面很重要。但是在光纖端面以外的光連接器端面夾有垃圾也會出現損耗,因此,清潔所有的光連接器端面很重要。

融接的種類和原理

融接是利用電極棒之間放電產生的熱能使光纖融化為一體的接線技術。融接方式分為以下兩類。

(1)光纖芯調芯方式 

這是在顯微鏡下觀察光纖的芯線,通過圖像處理進行定位,使芯線的中心軸一致,然後進行放電的融接方式。採用配置雙向觀察攝影機的融接機從兩個方向進行定位。

(2)固定V型槽調芯方式 

這是採用高精度V型槽排列光纖,利用融化光纖時的錶面張力所產生的調芯效果進行外徑調芯的融接方式。最近,由於製造技術的發展使光纖芯位置等的尺寸精度得到提高,因此,可以實現低損耗接線。本方式主要用於多芯一次性接線。

融接作業的註意事項

這是採用高精度V型槽排列光纖,利用融化光纖時的錶面張力所產生的調芯效果進行外徑調芯的融接方式。最近,由於製造技術的發展使光纖芯位置等的尺寸精度得到提高,因此,可以實現低損耗接線。本方式主要用於多芯一次性接線。

①插入光纖保護套管 

光纖保護套管用於保護在接線點露出的光纖。由於保護套管無法補插,因此請不要忘記插入。

②去除芯線塗敷層 

因為要使光纖的玻璃部分露出,所以採用剝套鉗去除塗敷層。

(註)由於去除塗敷層之後會在剝套鉗上殘留塗敷層廢屑,因此,請去除塗敷層廢屑並清潔刀刃。

(註)去除帶狀芯線的塗敷層時,使用加熱式剝套鉗。為了穩妥地進行去除作業,請將塗敷層加熱5秒左右,然後再去除塗敷層。

③清潔光纖 

去除塗敷後,用乙醇清潔玻璃部分。

(註)如果殘留塗敷層廢屑,融接時可能會出現軸偏移,接線損耗會增大,因此請仔細清掃。

(註)在多芯光纖的情況下,光纖前端之間會因酒精而粘在一起,有可能會在裁斷光纖時引起裁斷不良,因此,請用手指將光纖前端彈開。

④切斷光纖

按照裁斷光纖的操作步驟進行裁斷。

(註)裁斷將決定融接時的損耗特性。為了降低裁斷不良,請註意清潔光纖切割刀的光纖拿持部和裁斷刀刃。

(註)請註意不要碰撞或觸摸裁斷後的光纖前端。否則會引起接線不良。

(註)請註意不要讓光纖廢屑到處亂灑。

⑤融接

按照融接機的操作步驟進行融接作業。

(註)如果在融接機的V型槽和夾具上有垃圾,會因軸偏移而引起損耗異常,因此請充分清掃。

(註)如果具備接線前雙向觀察檢查功能,便可以在接線前探測裁斷狀態的異常。

(註)光纖呈彎曲狀態時,用手指輕輕捋直,使光纖朝下彎曲放置。

⑥融接部補強 

在光纖融接部套上光纖保護套管,在加熱機上進行芯線補強。

(註)移動芯線時,請註意避免使光纖彎曲或扭曲。否則會造成光纜破損斷裂。

(註)設置光纖保護套管時,請使光纖保護套管的中心與接線部的中心基本保持一致。

(註)進行芯線補強時,請務必避免玻璃部分彎曲放置。

光纖的有關規定

● 光纖芯直徑 

適用於多模光纖的技術引數。表示最接近光纖芯範圍的外圍圓的直徑。因為該值越小越能夠實現寬帶化,所以目前光纖芯直徑一般為50µm。

 

● 模場直徑 (MFD)

適用於單模光纖的技術引數。表示傳輸樣式的電場分佈範圍 (光通道) 的直徑。光通常通過光纖芯範圍,但是在單模光纖的情況下,光也會泄露到包層範圍,因此,不按光纖芯直徑而按MFD規定。為此,MFD比光纖芯直徑要大一 些。該值越小對校準精度的要求越高。此外,連接的光纖之間的MFD的差越大接線損耗就越大。

● 包層直徑

最接近包層錶面的圓的直徑。連接的光纖之間的包層直徑的差越大接線損耗就越大。

● 光纜截止波長

適用於單模光纖的技術引數。如果以小於該值的波長使用,則不為單模。該值由折射率分佈和光纖芯的尺寸等光纖的構造來決定。

● 屏蔽等級

屏蔽是指為了去除玻璃的缺陷等、提高結構的可靠性而給予整個光纖一定的伸長率,預先使低強度部分斷裂的方法。屏蔽等級表示該伸長率的值。該值越大光纖的可靠性就越高。

● 傳輸損耗

表示光纖傳輸光時兩點之間的光功率的減少值,以下麵的算式表示。 

α=-(10/L) log (P2/P1)

L:光纜長度

P:入射光的功率

P2:出射光的功率

該值越大,光功率的減少就越大,因此,傳輸距離就越短。

● 傳輸頻帶

適用於多模光纖的技術引數。表示基帶傳輸函式的大小減少到某個規定值 (6dB) 的頻率。也就是說,它是表示到哪個頻率為止能夠使信號在不失真的狀態下傳輸的值。該值越大就越能夠以高頻率、大容量傳輸。

● 零色散波長

適用於單模光纖的技術引數。表示波長色散為零的波長。如果以波長色散的絕對值較大的波長傳輸,色散會變大,光脈衝的失真也會變大。將零色散波長設計在1310nm附近的光纖為通用SM。設計在1550nm附近的光纖為色散位移光纖 (DSF)。

● 零色散斜率

適用於單模光纖的技術引數。表示零色散波長的色散傾斜度。如果零色散斜率較大,一般情況下各種波長的色散絕對值也會變大。

光纜部分的有關規定

● 最大允許張力

鋪設光纜時可以施加的最大張力。但是並不是鋪設後也可以一直施加該張力,因此必須加以註意。

● 最小允許彎曲半徑

光纜能夠彎曲的最小半徑。在鋪設中和鋪設後,最小彎曲半徑會不同。一般情況下的標準是:最小允許彎曲半徑在鋪設中為光纖半徑的20倍,在鋪設後為光纖半徑的10倍。

● 適用溫度範圍

可鋪設光纖的溫度環境。一般情況下的標準是:如果在室外使用,適用溫度範圍為-20~+60℃,如果在室內使用,適用溫度範圍為-10~+40℃。

● 防水特性率

一般情況下,對在地下鋪設的光纜要求其具備防水特性。試驗方法有各種各樣,本公司在常溫下連續24小時進行以下試驗時,一般以光纜內不會有3m程度以上程度的進水為標準,這個標準根據光纜的構造有所不同。

 

光連接器的有關規定

● 接線損耗

是連接光纖與光纖時,光從一方的光纖進入另一方的光纖時出現的損耗,用以下算式表示。

α=-10log (P2/P1) [dB] 

P1:緊挨著接線部位前部的光功率

P2:在接線部位反射的光功率

該值越大,反射的光功率就越小,因此,噪聲就越小。

● 反射損耗

是以數字表示的到光連接器的入射光功率與在接線面反射的光功率的比值,用以下算式表示。

α=-10log (P3/P1) [dB〕

P1:緊挨著接線部位前部的光功率

P3:在接線部位反射的光功率

該值越大,反射的光功率就越小,因此,噪聲就越小。

 

● 插芯的研磨方法

插芯的研磨方法,連接器的接線特性有所不同。 

光終接/接線箱、接頭盒的有關規定

● 防塵防水特性

光終接/接線箱、接頭盒都要求針對一般外界固體加以保護,並針對浸水加以保護 (主要是室外)。保護的分類以 [JIS C 0920] 中規定的IP代碼表示。

● 表示方法

IP54:防塵形並且針對水的飛沫加以保護。

IP3X:針對直徑為2.5mm以上的外界固體加以保護。省 略針對水的保護。

IPX7:省略針對外界固體的保護,保護工作做到即使浸水也沒有影響。

● 表示方法 

 

按光在光纖中的傳輸樣式可將光纖分為單模光纖和多模光纖兩種。

單模光纖(Single-mode Fiber):一般光纖跳線用黃色表示,接頭和保護套為藍色;傳輸距離較長。

 

多模光纖(Multi-mode Fiber):一般光纖跳線用橙色表示,也有的用灰色表示,接頭和保護套用米色或者黑色;傳輸距離較短。

 

多模光纖(MMF,Multi Mode Fiber),纖芯較粗,可傳多種樣式的光。但其模間色散較大,且隨傳輸距離的增加模間色散情況會逐漸加重。多模光纖的傳輸距離還與其傳輸速率、芯徑、樣式帶寬有關。

單模光纖(SMF,Single Mode Fiber),纖芯較細,只能傳一種樣式的光。因此,其模間色散很小,適用於遠程通訊。

光纖直徑

光纖直徑一般採用纖芯直徑/包層直徑的表示方法,單位μm。例如:9/125μm表示光纖中心纖芯直徑為9μm,光纖包層直徑為125μm。

光纖使用註意:

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。R>一般的情況下,短波光模塊使用多模光纖(橙色 的光纖),長波光模塊使用單模光纖(黃色光纖),以保證資料傳輸的準確性。

光纖在使用中不要過度彎曲和繞環,這樣會增加光在傳輸過程的衰減。

光纖跳線使用後一定要用保護套將光纖接頭保護起來,灰塵和油污會損害光纖的耦合。

光纖連接器按傳輸媒介的不同可分為常見的硅基光纖的單模、多模連接器,還有其它如以塑膠等為傳輸媒介的光纖連接器;按連接頭結構形式可分為:FC、SC、 ST、LC、D4、DIN、MU、MT等等各種形式。其中,ST連接器通常用於佈線設備端,如光纖配線架、光纖模塊等;而SC和MT連接器通常用於網絡設備端。按光纖端面形狀分有FC、PC(包括SPC或UPC)和APC;按光纖芯數劃分還有單芯和多芯(如MT-RJ)之分。

FC 圓型帶螺紋(配線架上用的最多) 

ST 卡接式圓型 

SC 卡接式方型(路由器交換機上用的最多) 

MT-RJ 方型,一頭雙纖收發一體

PC 微球面研磨拋光 

APC 呈8度角並做微球面研磨拋光 

( PC, APC為對接端面的型別)

使用的光纖: 

單模: L ,波長1310 單模長距LH 波長1310,1550 

多模:SM 波長850 

SX/LH表示可以使用單模或多模光纖 

在表示尾纖接頭的標註中,我們常能見到“FC/PC”,“SC/PC”等,其含義如下 

“/”前面部分表示尾纖的連接器型號 

“SC”接頭是標準方型接頭,採用工程塑料,具有耐高溫,不容易氧化優點。傳輸設備側光接口一般用SC接頭 , “LC”接頭與SC接頭形狀相似,較SC接頭小一些. “FC”接頭是金屬接頭,一般在光纖配線架(ODF)側採用,金屬接頭的可插拔次數比塑料要多。 

下麵是參考示意圖:

 

上圖中為光連接器,常見的是FC(俗稱圓頭)、SC(俗稱方頭)和LC。

FC型又分為FC/FC和FC/PC(APC)型,前一個FC 是Ferrule Connector 的縮寫,表明其外部加強件是採用金屬套,緊固方式為螺絲扣;後面的FC 表明接頭的對接方式為平面對接,PC 是Physical Connection 的縮寫,表明其對接端面是物理接觸,即端面呈凸面拱型結構,APC和PC類似,但採用了特殊的研磨方式,PC是球面,APC是斜8度球面,指標要比PC好些。目前電信網常用的是FC/PC型,FC/APC多用於有線電視系統。一般寫成FC或PC均是指FC/PC光連接器。

SC型其外殼採用模塑工藝,用鑄模玻璃纖維塑料製成,呈矩型;插頭套管(也稱插針)由精密陶瓷製成,耦合套筒為金屬開縫套管結構,其結構尺寸與FC 型相同,端面處理採用PC 或APC 型研磨方式;緊固方式是採用插拔銷閂式,不需旋轉頭。常用於在資料工程中使用。一般SC型均指SC/PC。由日本NTT公司開發的光纖連接器。其外殼呈矩形,所採用的插針與耦合套筒的結構尺寸與FC型完全相同。其中插針的端面多採用PC或APC型研磨方式;緊固方式是採用插拔銷閂式,不需旋轉。此類連接器價格低廉,插拔操作方便,介入損耗波動小,抗壓強度較高,安裝密度高。ST和SC接口是光纖連接器的兩種型別,對於10Base-F連接來說,連接器通常是ST型別的,對於100Base-FX來說,連接器大部分情況下為SC型別的。ST連接器的芯外露,SC連接器的芯在接頭裡面。

LC光纖連接器採用模塊化插孔(RJ)機理製成。其所採用的插針和套桶的尺寸是普通SC,FC等尺寸的一半。LC常見於通信設備的高密度的光接口板上。LC型連接器是著名Bell(貝爾)研究所研究開發出來的,採用操作方便的模塊化插孔(RJ)閂鎖機理製成。其所採用的插針和套筒的尺寸是普通SC、FC等 所用尺寸的一半,為1.25mm。這樣可以提高光纖配線架中光纖連接器的密度。目前,在單模SFF方面,LC型別的連接器實際已經占據了主導地位,在多模 方面的應用也增長迅速。

MT-RJ ( (Mechanical Transfer Registered Jack) 起步於NTT開發的MT連接器,帶有與RJ-45型LAN電連接器相同的閂鎖機構,通過安裝於小型套管兩側的導向銷對準光纖,為便於與光收發信機相連,連接器端面光纖為雙芯(間隔0.75mm)排列設計,是主要用於資料傳輸的下一代高密度光纖連接器。

MU型連接器 MU(Miniature unit Coupling)連接器是以目前使用最多的SC型連接器為基礎,由NTT研製開發出來的世界上最小的單芯光纖連接器,。該連接器採用1.25mm直徑的套管和自保持機構,其優勢在於能實現高密度安裝。利用MU的l.25mm直徑的套管,NTT已經開發了MU連接器系列。它們有用於光纜連接的插座型連接器 (MU-A系列);具有自保持機構的底板連接器(MU-B系列)以及用於連接LD/PD模塊與插頭的簡化插座(MU-SR系列)等。隨著光纖網絡向更大帶 寬更大容量方向的迅速發展和DWDM技術的廣泛應用,對MU型連接器的需求也將迅速增長。

配接器

  

上圖是各種光連接器與之對應的配接器,也稱法蘭盤,用在ODF架上,供光纖連接。

 

該圖為FC/PC型光纖跳纖(非正規叫法是雙頭尾纖),英文名為PATCH CORD即兩頭帶光纖連接器的軟光纖,用於設備至ODF架的連接以及ODF架之間的跳接。光跳線顏色為黃色,表示單模跳纖。 

 

該圖為MTRJ-SC型光纖跳纖, 光跳線顏色為橙色,表示多模跳纖。

另外,還有用於光纜成端的尾纖,英文名為PIGTAIL CORD,一端與光纜熔接,一端固定在ODF上。在生產中,為了便於測試,均生產為跳纖,即兩頭均有光纖連接器,施工時,從中間剪斷,一根跳纖即成了兩根尾纖。

光纜尾纖

特點:

採用高質量的二氧化陶瓷插芯;

光纖外徑可選擇¢0.9mm.¢2.0mm.¢3.0mm;

有FC、SC、ST等型號供選擇;

光纖長度可按用戶要求業做;

主要技術指標:

插入損耗:≤0.3db;

回波損耗:PC≥40db,UPC≥50db,APC≥60db;

各項實驗插入損耗變化值:

互換性試驗:<0.2db(任意對接)

振動試驗:<0.1db(5-50HZ,1.5mm振幅)

抗拉強度試驗:<0.1db

高溫試驗:<0.2db(+85℃,連續100小時後)

低溫試驗:<0.2db(-40℃,連續100小時後)

溫度迴圈試驗:<0.2db(-40℃+85℃,迴圈5次後)

溫度試驗:<0.2db(-25℃+65℃,相對濕度93%,100小時後)

 

耦合器

纖耦合器(Coupler)又稱分歧器(Splitter),是將光訊號從一條光纖中分至多條光纖中的元件,屬於光被動元件領域,在電信網路、有線電視網路、用戶迴路系統、區域網路中都會應用到,與光纖連接器分列被動元件中使用最大項的。光纖耦合器可分標準耦合器(雙分支,單位1×2,亦即將光訊號分成兩個功率)、星狀/樹狀耦合器、以及波長多工器(WDM,若波長屬高密度分出,即波長間距窄,則屬於DWDM),製作方式則有燒結(Fuse)、微光學式(Micro Optics)、光波導式(Wave Guide)三種,而以燒結式方法生產占多數(約有90%)。很多人把配接器當作耦合器是錯誤的。

 

來源:ittbank 微信公眾號

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