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光纤的主要特性及分类(2)

时间:2009-07-31 11:30来源:未知 作者:admin 点击:
二 光纤的分类 虽然说在中小型局域网中,光纤用得不多,甚至根本不用,但在大中型局域网和广域网连接中,光纤则是一种非常重要,甚至主要的传输媒

 二 光纤的分类

  虽然说在中小型局域网中,光纤用得不多,甚至根本不用,但在大中型局域网和广域网连接中,光纤则是一种非常重要,甚至主要的传输媒体。它的优越性主要体现在不易受干扰、传输速率高和传输距离远,这些都是我们在进行网络通信中所追求的重要特性。

  光纤与同轴电缆的结构非常相似,只不过光纤电缆没有那一层密织的网用来屏蔽,因为光纤本身就具有非常高的屏蔽性能,无须另外的屏蔽层。光纤的分 类标准非常之多,主要可以从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法等方面来进行分类。下面先简单介绍一下各种分类标准,然后再展开介绍一些主 要的光纤类型。

  (1)按光纤工作波长的不同可分为:紫外光纤、可观光纤、近红外光纤和红外光纤(又可分为0.85 pm、1.3 pm和1.55 pm 3种)等。

  (2)按光纤折射率分布的不同可分为:阶跃(SI)型、近阶跃型、渐变(GI)型和其他(如三角型、W型、凹陷型等)。

  (3)按光纤传输模式的不同可以分为:单模光纤(含偏振保持光纤、非偏振保持光纤)和多模光纤。

  (4)按光纤原材料的不同可分为:石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料(如塑料包层、液体纤芯等)和红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料(碳等)、金属材料(铜、镍等)和塑料等。

  (5)按光纤制造方法的不同可分为:预塑有汽相轴向沉积(VAD)和化学汽相沉积(CVD)等,拉丝法有管律法(Rod intube)和双坩埚法。

  1.按传输模式来划分

  根据光纤中传输模式的多少,可分为"单模光纤"和"多模光纤"两类。单模光纤只传输一种模式,纤芯直径较细,通常在8 μm~10 μm范围内。而多模光纤可传输多种模式,纤芯直径较粗,典型尺寸为50 μm左右,相当于一根头发丝那么精细。

  (1)单模光纤(Single-Mode Fiber,SMF)

  单模光纤只传输主模,也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输。单模光纤携带单个频率的光将数据从光缆的一端传输到另一端,如图2中的左图所示。

 

  图2  单/双模光纤的信号传输

  SMF光纤直径较细,约为10 μm。单模光纤使用的光波长为1.31 μm或1.55 μm。目前在有线电视和光通信中,SMF光纤是应用最广的一种光纤。

  由于SMF光纤完全避免了模式射散,使得单模光纤的传输频带很宽,因而适用于大容量,长距离的光纤通信。SMF光纤只能传输一种模式的光,因此 其模间色散很小,适用于远程通信,但还存在着材料色散和波导色散,这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求,即谱宽要窄,稳定性要好。后来又发现在 1.31 μm波长处,单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负,大小也正好相等。这就是说在1.31 μm波长处,单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看,1.31 μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样,1.31 μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口,也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31 μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU-T在G652建议中确定的,因此这种光纤又被称为G652光纤。

  SMF光纤没有多模色散,传输频带较多模光纤更宽,再加上SMF的材料色散和结构色散的相加抵消,其合成特性恰好形成零色散的特性,使传输频带更加拓宽。

  (2)多模光纤(Multi-Mode Fiber,MMF)

  多模光纤可以在单根或多根光纤上同时携带几种光波,如图2中的右图所示。

  MMF光纤纤芯直径较粗,通常为50或62.5 μm。由于其模间色散较大,限制了传输数字信号的频率,而且随距离的增加会更加严重。例如,600 Mbps/km的光纤在2 km时则只有300 Mbps的带宽了。因此,多模光纤传输的距离就比较近,一般只有几千米。

  MMF光纤在过去曾用于有线电视和通信系统的短距离传输。不过自从出现SMF光纤后,似乎成为了历史。但实际上,由于MMF较SMF的芯径大,且与LED等光源结合容易,在众多LAN中更有优势,所以在短距离通信领域中MMF在重新受到重视。

  MMF按折射率分布进行分类时,可分为渐变(GI)型和阶跃(SI)型两种。GI型的折射率以纤芯中心为最高,沿包层徐徐降低。从几何光学角度来看,在纤芯中前进的光束以蛇行状传播。由于光的各个路径所需时间大致相同,所以传输容量较SI型大。

  2.按纤芯直径来划分

  如果按光芯直径大小来分的话,可以分为以下类型。

   缓变型多模光纤:50/125 μm。

   缓变增强型多模光纤:62.5/125 μm。

   突变型单模光纤:8.3/125 μm。

  50/62.5/8.3(μm)均是指光纤纤芯直径大小,125(μm)均是指光纤玻璃包层的直径大小。

  因为光纤的包层直径均为125 μm,所以以上3种类型的光纤就可标识为:50 μm /125 μm(光纤直径/包层直径)缓变型多模光纤、62.5 μm/125 μm缓变增强型多模光纤和8.3 μm/125 μm突变型单模光纤。在综合布线系统中较为常用的是62.5 μm/125 μm缓变增强型多模光纤,其他两种光纤应根据工程的实际需要选用。

  3.按光纤芯折射率分布划分

  在这种划分标准下,光纤又可以分为以下几种类型。

  (1)阶跃型光纤(Step Index Fiber,SIF)

  SIF又称"突变型光纤",目前,单模光纤多属此类,最早的多模光纤也属此类。这种SIF光纤纤芯的折射率与包层的折射率成阶跃型分布。它的特 点是芯的折射率是均匀的,在芯和包层之间的分界面上,折射率有一不连续的阶跃性突变。纤芯直径为50~100 μm,光线以曲折形状传播,特点是信号畸变大。

  (2)渐变型光纤(Graded Index Fiber,GIF)

  GIF光纤也称为梯度光纤,它有单模和多模两种类型的光纤,其特点是纤芯中心的折射率最大,沿径向往外逐步变小,最后达到包层的折射率。分布曲线近似为抛物线,形成一个连续渐变的梯度或坡度。纤芯直径为50 μm,光线以正弦形状传播,信号畸变小。

  (3)单模环形光纤(Ring Fiber)

  这种光纤折射率分布与突变型光纤相似,纤芯直径为8 μm~12 μm,光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为光纤只能传一个模式,所以称为单模光纤,其折射率最高,信号畸变小。

  (4)单模W形光纤(W-Fiber)

  这种光纤也称为双包层光纤,因其折射率分布像W形而得名。它的横截面分为3个区域,每个区域内的折射率都是均匀的,中心的折射率最高,中间区域折射率最低,最外面区域的折射率介于两者之间。可以实现10 Gbps容量的100 km的超大容量超长距离的信号传送。

  (5)单模三角型光纤

  这种光纤纤芯折射率分布曲线为三角形,是一种新型的单模光纤。这种光纤在1.55 μm有微量色散,有效面积较大,适合于密集波分复用和狐子传输的长距离系统使用。

  (6)单模椭圆型光纤

  同样,这种光纤也是因其纤芯折射率分布为椭圆型而得名的。这种光纤具有双折射特性,即两个正交偏振模的传输常数不同。强双折射特性能使传输光保持其偏振状态,因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤。其优点是传输距离长。

  4.按光纤的组成材料划分

  按光纤的组成材料可分为:石英玻璃光纤(主要材料为SiO2)、复合光纤(主要材料为SiO2、Na2O和CaO等氧化物)、硅酸盐光纤、氟化 物光纤、塑包光纤、全塑光纤、液芯光纤、测光光纤、尾光光纤和工业光纤等。光通信中主要用石英光纤,以后所说的光纤也主要是指石英光纤。

  (1)石英光纤

  石英光纤是一种以高折射率的纯石英玻璃(SiO2)材料为芯,以低折射率的有机或无机材料为包皮的光学纤维。由于石英光纤传输波长范围宽(从近 紫外到近红外,波长从0.38 μm ~2.0μm),所以石英光纤适用于紫外到红外各波长信号及能量的传输。另外,石英光纤数值孔径大、光纤芯径大、机械强度高、弯曲性能好和很容易与光源耦 合等优点,故在传感、光谱分析、过程控制及激光传输、激光医疗、测量技术、刑侦,信息传输和照明等领域的应用极为广泛。尤其是在工业和医学等领域的激光传 输中得到了广泛的应用,这是其他种类的光纤无法比拟的。

  (2)复合光纤

  复合光纤(Compound Fiber)是在SiO2原料中再适当混合诸如氧化钠(Na2O)、氧化硼(B2O3)、氧化钾(K2O)等氧化物的多成分玻璃作成的光纤。其特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用在医疗业务的光纤内窥镜。

  (3)氯化物光纤

  氯化物光纤(Fluoride Fiber)是由氟化物玻璃作成的光纤。这种光纤原料又简称ZBLAN(即将氟化锆(ZrF4)、氰化钡(BaF2)、氟化镧(LaF3)、氟化铝 (A1F2)、氰化钠(NaF)等氯化物玻璃原料简化成的缩语)。它主要工作在2pm~10pm波长的光传输业务。

  由于ZBLAN具有超低损耗光纤的可能性,正在进行着用于长距离通信光纤的可行性开发,如其理论上的最低损耗在3pm波长时可达3dB/km~10dB/km,而石英光纤在1.55pm时却在0.15dB/km~0.16dB/km之间。

  目前,ZBLAN光纤由于难于降低散射损耗,只能用在2.4pm~2.7pm的温敏器和热图像传输,尚未广泛实用。不过最近,为了利用ZBLAN进行长距离传输,正在研制1.3pm的掺错光纤放大器(PDFA)。

  (4)塑包光纤

  塑包光纤(Plastic Clad Fiber)是将高纯度的石英玻璃做成纤芯,而将折射率比石英稍低的如硅胶等塑料作为包层的阶跃型光纤。它与石英光纤相比较,具有纤芯租、数值孔径 (NA)高的特点。因此,易与发光二极管LED光源结合,损耗也较小,非常适用于局域网(LAN)和近距离通信。

  (5)全塑光纤

  全塑光纤是将纤芯和包层都用塑料(聚合物)制作成的光纤。早期产品主要用于装饰和导光照明及近距离光链路的光通信中。 原料主要是有机玻璃(PMMA)、聚苯乙稀(PS)和聚碳酸酯(PC)。损耗受到塑料固有的C-H结合结构制约,一般每千米可达几十分贝。为了降低损耗正 在开发应用氟索系列塑料。由于塑料光纤(Plastic Optical Fiber)的纤芯直径为1 000 pm,比单模石英光纤粗100倍,接续简单,而且易于弯曲,便于施工,近年来,加上宽带化的进度,作为渐变型(GI)折射率的多模塑料光纤的发展受到了社 会的重视。最近,它在汽车内部LAN中应用速度较快,未来在家庭LAN中也可能得到应用。

  (6)碳涂层光纤

  在石英光纤的表面涂敷碳膜的光纤,被称为碳涂层光纤(CCF,Carbon Coated Fiber)。其机理是利用碳素的致密膜层,使光纤表面与外界隔离,以改善光纤的机械疲劳损耗和氢分子的损耗增加。CCF是密封涂层光纤(HCF)的一种。

  (7)金属涂层光纤

  金属涂层光纤(Metal Coated Fiber)是在光纤的表面涂布Ni、Cu、A1等金属层的光纤。也有再在金属层外被覆塑料的,目的在于提高抗热性和可供通电及焊接。它是抗恶环境性光纤 之一,也可作为电子电路的部件用。早期产品是在拉丝过程中,涂布熔解的金属制作成的。由于此法因玻璃与金属的膨胀系数差异太大,会增微小弯曲损耗,实用化 率不高。近期,由于在玻璃光纤的表面采用低损耗的非电解镀膜法的成功,使性能大有改善。

  (8)掺稀土光纤

  掺稀土光纤是在光纤的纤芯中,掺杂如铒(Er)、钕(Nd)、镨(Pr)等稀土族元素的光纤。1985年英国的南安普顿 (Southampton)大学的佩恩(Payne)等人首先发现掺杂稀土元素的光纤(Rare Earth DoPed Fiber)有激光振荡和光放大的现象,从此揭开了掺铒等光放大的面纱。现在已经实用的1.55 pmEDFA 就是利用掺铒的单模光纤,利用1.47 pm的激光进行激励,得到1.55 pm光信号放大的。另外,掺杂氟化物光纤放大器(PDFA)正在开发中。

  (9)发光光纤

  发光光纤是采用含有荧光的物质制造的光纤。它是在受到辐射线、紫外线等光波照射时,产生的荧光,可经光纤闭合进行传输的光纤。发光光纤 (Luminescent Fiber)可以用于检测辐射线和紫外线,以及进行波长变换,或用做温度敏感器、化学敏感器。在辐射线的检测中也称做闪光光纤 (Scintillation Fiber)。 发光光纤从荧光材料和掺杂的角度上,目前正在开发塑料光纤。

  5.按光纤的套塑层分类

  按光纤的套塑层可分为"紧套光纤"和"松套光纤"两类。"紧套光纤"中光纤被套管紧紧地箍住,不能在其中松动,它与塑料套层是一个整体结构。 而"松套光纤"可在套管层中松动。套管内填充油膏,以防水渗入。若一根管内含有多根光纤,则称为松套光纤束。紧套光纤和松套光纤的外观及截面结构分别如图 3中的左、右图所示。

 


图3  紧套光纤和松套光纤的外观及截面结构

  其实光纤的分类还非常多,如还可以按一条光纤中所含光芯数量分,目前常见的就有4芯、6芯、8芯、10芯、12芯和14芯等,当然也有单芯的。注意这是指芯数,而不是指光传输模式中的单模和多模。无论单模还是多模光纤都可以有单芯和多芯光纤。

(责任编辑:admin)

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