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光纤基本信息和光纤布线系统设计基础
日期:2021-02-27 12:45:26
光纤

我们发表有关光纤技术的基本背景信息和有关光纤布线系统设计的可靠指南为新手和专家提供了坚实的基础。
 
迄今为止,光缆安装已为公司,校园,大学,医院,图书馆,办公室和家庭带来了高速网络通信。当前,光纤布线也正成为闭路电视,政府网络安全,工厂自动化系统和医学成像网络等的连接选择。在未来的操作环境中,诸如同步光网络,光纤分布式数据接口,异步传输模式和光纤通道等标准的开发和实施有望加速光缆的安装。
 
基本光纤元素
光纤光缆包括芯线,包层和涂层。由玻璃或塑料制成的纤芯是光纤的透光材料。纤芯越大,越多的光穿过光纤。包层在纤芯界面处提供低折射率,从而在纤芯内引起反射。这样,光波被限制在光纤内。光纤涂层通常是多层塑料,用于保持光纤强度,吸收冲击并保护纤芯和包层。

光纤芯

 
可以通过光线在光纤芯内传播的路径或模式的类型来识别光纤。光纤的两种基本类型是多模和单模。
 
多模光纤纤芯可以是阶跃折射率或渐变折射率类型。阶跃折射率多模光纤的名称源于纤芯和包层折射率的急剧阶梯状差异。在普通的渐变折射率多模光纤中,光线也会沿着多条路径向下引导。但是,与阶跃折射率光纤不同,渐变折射率纤芯包含许多玻璃层,每层玻璃的折射率都较低,因为这些层从轴向外延伸。
 
渐变的作用是使光线在外层中加速,以匹配在核心轴上沿较短路径行进的光线。结果是渐变折射率多模光纤可均衡各种模式的传播时间。因此,在光脉冲开始重叠并在接收器端变得难以区分之前,可以以更长的距离和更高的速率发送数据。商业上可获得渐变折射率光纤,其纤芯直径为50、62.5和100微米。
 
单模光纤仅允许单个光线路径或模式沿纤芯向下传输。这种传输实际上消除了由于重叠的光脉冲而引起的任何失真。单模光纤的纤芯非常小,直径大约为5到10微米。单模光纤比两种多模光纤中的任何一种具有更高的容量和能力。例如,海底电信光缆可以在一对单模光纤上传送60,000个语音通道。

光纤布线设计

 
光纤布线设计注意事项
为光纤布线选择组件时,请考虑影响传输性能的三个光纤因素:光纤尺寸,带宽和衰减。
 
光纤的尺寸通常由其纤芯和包层的外径来表示。例如,50/125表示具有直径为50微米的纤芯和直径为125微米的包层的光纤。(一微米等于一米的百万分之一;因此,25微米等于1/1000英寸。)
 
光纤芯直径可以在8到200微米之间,但是只能以某些尺寸在市场上买到。通常,对于这些光纤尺寸,包层直径范围为125到230微米。通常,纤芯直径越小,就低衰减和高带宽而言,光纤性能越好。设计的权衡是,光纤尺寸越小,光纤将从发射器捕获的光越少。这种情况有时需要使用大功率发射机。
 
实际考虑是,光纤尺寸必须与所使用的发射器和接收器相匹配。在某些情况下,发射器和接收器可能会针对几种不同的光纤尺寸进行评估。在其他情况下,它们可能仅适用于特定的光纤尺寸。但是,在所有情况下,必须共同考虑光纤的性能和发射器/接收器。
 
带宽是光纤数据承载能力的度量。带宽值越大,光纤的信息容量越大。带宽以频距形式(兆赫公里)表示。例如,额定200 MHz-km的光纤可以将200 MH的数据移动1 km,或者将100 MH的数据移动2 km。
 
除了由带宽限制的频率引起的光脉冲的物理变化之外,随着光脉冲穿过光纤的传播,光功率的水平也会降低。在指定波长下,此光功率损耗或衰减以每公里分贝为单位表示。
 
光纤损耗
光是振荡的电磁波。短波长存在于紫外线光谱中。但是,光纤传输通常发生在红外光谱中。
 
波长以纳米为单位-十亿分之一米-代表同一波的两个周期之间的距离。由于吸收,反射和散射,光纤中会发生不同波长的光功率损耗。这些损耗取决于特定的光纤及其尺寸,纯度和折射率。

光纤

 
光纤针对在特定波长下的运行进行了优化。例如,对于工作在1300 nm的50/125微米多模光纤,典型的损耗小于1 dB / km。对于工作在850 nm的同一根光纤,通常小于3 dB / km(损耗50%)。这两个波长-850和1300 nm-是当前光纤系统最常指定的区域。光纤还针对单模光纤传输系统在1550 nm处进行了优化。
 
微弯曲损失
没有保护,光纤容易发生微弯曲,这可能导致芯内光功率的损失。微弯是由横向机械力引起的微小光纤偏差。为了克服这个问题,使用了两种基本的光纤保护类型:松散的缓冲层和紧密的缓冲层。
 
在松散缓冲结构中,将光纤放置在塑料管中,该塑料管的内径比光纤本身大得多。然后,通常在塑料管的内部填充凝胶。松套管将光纤与作用在光缆上的外部机械力隔离开来。对于多光纤光缆,将几根分别包含一根或多根光纤的管与强度构件组合在一起,以使光纤不受应力,并使光缆的伸长和收缩最小化。
 
通过在制造过程中改变管内光纤的数量,可以控制由于温度变化引起的微弯曲程度。以此方式,在温度范围内的衰减增加程度被最小化。
 
在紧缓冲结构中,塑料的直接挤出用于覆盖基础光纤涂层。紧密的缓冲结构可实现类似光纤配置的小巧轻便的设计,并且通常会产生柔性,耐挤压的光缆。但是,这种结构也导致光纤与温度变化应力之间的隔离度降低。并且,尽管比松散的缓冲器相对灵活,但由于宏弯而导致的急剧弯曲或扭曲的紧密缓冲光缆会产生可能超过标称规格的光损耗。
 
紧包缓冲结构的一种改进形式是分支光缆,其中紧紧缓冲的光纤被芳纶纱和通常由聚氯乙烯制成的护套包围。然后,这些单光纤子单元元件被公用护套覆盖,以形成分支光缆。这种“光缆内的光缆”结构具有直接,简便地连接和安装连接器的优点。
 
每种类型的光缆结构都有其固有的优点和局限性。通常,松散缓冲的光缆用于室外安装,而紧缓冲的光缆用于室内安装。但是,一旦选择了松散缓冲结构或紧密缓冲结构,系统设计人员就已经决定了微弯曲损耗与获得光学操作目标的灵活性之间的权衡取舍。
 
对于安装光缆,机械性能(例如抗张强度,抗冲击性,挠曲和弯曲)是重要的系统设计考虑因素。在安装之前,系统设计人员还必须考虑环境因素,例如必须具有防潮性,耐化学性以及其他类型的大气或地下条件。
 
在安装过程中承受的正常光缆负载最终可能会使光纤处于拉应力状态。这些应力水平可能会导致微弯曲损失,从而导致衰减增加和可能的疲劳影响。
 
为了帮助在短期安装和长期应用中转移应力负荷,在光缆结构中增加了各种内部强度构件。加强件的添加提供了与电子光缆类似的拉伸负荷特性,通过使伸长率最小化来保持光纤不受应力。在某些情况下,强度构件还可以用作温度稳定元件。
 
因为光纤在断裂之前几乎没有拉伸,所以强度构件在预期的拉伸载荷下必须具有较低的伸长率。选择强度构件时,必须研究其他机械因素,例如抗冲击性,挠曲性和弯曲性。
 
光纤光缆制造中使用的常见强度构件包括芳纶纱,玻璃光纤环氧棒和钢丝。磅一磅,芳纶比钢强五倍。当需要全介电结构时,通常会选择芳纶和玻璃光纤环氧棒。当需要极冷的温度性能时,通常建议使用钢或玻璃光纤环氧树脂,因为它们具有更好的温度稳定性。为了在室外应用中提供更好的保护,可以指定光缆使用单层或双层护套,也可以使用铠装的光缆,以用于空中,地下管道和直接掩埋安装。
 
光纤数
要指定光缆厂中使用的光纤数量,系统设计人员必须仔细评估潜在的未来网络需求。由于光纤技术的快速变化,这一步骤至关重要。
 
根据网络中应用程序的数量和类型以及所需的冗余级别,骨干网或每个配线间的光纤数量范围从2到100多个。由于昂贵的多路复用设备,通常为每种应用使用单独的专用光纤。即使某些系统明确指出所需的光纤数量,也没有现行的光纤数量规则。
 
例如,如果要用FDDI骨干网将两座建筑物联网,则建筑物之间的光缆中将需要四根光纤-两根光纤进行传输,两根光纤进行接收。但是,为了适应将来的需求,应在系统主干网中至少安装两倍数量的光纤。安装不仅可以满足当前需求的光纤数量,还可以安装备用光纤以及其他用于将来扩展的光纤,从而确保了灵活,可扩展的光缆设备。
 
考虑到变量的数量,要满足当今的需求,同时准备好适应迅速出现的通信技术,为光纤网络设计解决方案并不是一件容易的事。但是,花时间掌握和花费“未来证明”当今布线设计所需资源的系统设计人员将可以更好地定位,以方便快捷地升级其系统,以适应未来的应用。