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光纤

光纤

点击数:7893 次   录入时间:03-04 11:38:25   整理:http://www.55dianzi.com   通信技术
 

通信光纤主要分类:

1)传输点模数类

  传输点模数类分单模光纤(Single Mode Fiber)和多模光纤(Multi Mode Fiber)。单模光纤的纤芯直径很小, 在给定的工作波长上只能以单一模式传输,传输频带宽,传输容量大。多模光纤是在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输的光纤。 与单模光纤相比,多模光纤的传输性能较差。

2)折射率分布类

  折射率分布类光纤可分为阶跃(SI)型光纤和渐变(GI)型光纤两种。跳变式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。 在纤芯和保护层的交界面,折射率呈阶梯型变化。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小, 在纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物线。。GI型的折射率以纤芯中心为最高,沿向包层徐徐降低。从几何光学角度来看,在纤芯中前进的光束呈现以蛇行状传播。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。SI型MMF光纤的折射率分布,纤芯折射率的分布是相同的,但与包层的界面呈阶梯状。由于SI型光波在光纤中的反射前进过程中,产生各个光路径的时差,致使射出光波失真,色激较大。其结果是传输带宽变窄,目前SI型MMF应用较少
 

光纤的模式-单模与多模光纤

  光纤可以支持一个或几个(有时甚至许多) 传导模式 ,这些模式的强度分布位于纤芯及其周围,不过也会有一些光强在包层中传导。此外,还有众多的包层模 ,它们并没有被约束在纤芯周围。通常包层模传输一小段距离后就会损耗掉,但是在某些情况下也可以传输更长的距离。在包层外通常还有一个起保护作用的聚合物涂覆层,它能够改进光纤的机械强度、防止潮湿、并确保包层模具有一定的损耗。这些涂覆层可由如丙烯酸酯,硅树脂或聚酰亚胺等材料组成。

单模和多模光纤的重要的区别是:

  单模光纤这是指在工作波长中,只能传输一个传播模式的光纤,通常简称为单模光纤(SMF:Single ModeFiber)。目前,在有线电视和光通信中,是应用最广泛的光纤。由于,光纤的纤芯很细(约10pm)而且折射率呈阶跃状分布,当归一化频率V参数<2.4时,理论上,只能形成单模传输。另外,SMF没有多模色散,不仅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。SMF中,因掺杂物不同与制造方式的差别有许多类型。凹陷型包层光纤(DePr-essed Clad Fiber),其包层形成两重结构,邻近纤芯的包层,较外倒包层的折射率还低。另外,有匹配型包层光纤,其包层折射率呈均匀分布。。

  多模光纤有更大的纤芯和(或)更大的纤芯包层折射率差,因此它们支持不同强度的分布的多种模式。多模光纤将光纤按工作波长以其传播可能的模式为多个模式的光纤称作多模光纤(MMF:MUlti ModeFiber)。纤芯直径为50pm,由于传输模式可达几百个,与SMF相比传输带宽主要受模式色散支配。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仍在重新受到重视。

  长距离光纤通信系统通常使用单模光纤,因为不同的模式有不同群速度,在高速数据传输时将导致信号失真( 见模间色散 ) 。但是对于较短距离的数据传输,使用多模光纤能降低对光源和准直器件的要求。因此,在局域网( LANs )中 ,除非需要提供非常高的带宽,通常使用的多模光纤。

  单模光纤通常也用于光纤激光器和放大器 。多模光纤常用于当光源的光束质量比较低且(或)需要大模场面积以传递高功率激光时的传输。

  光纤中不同的模式可以通过多种效应发生耦合,如弯曲或不规则的折射率分布。它们可能是无意引入的,也可能是有意引入的,如光纤布喇格光栅 。波导理论表明,波数差是影响不同模式之间耦合的重要因素,要实现有效的耦合,它必须与导致耦合的扰动的空间频率相匹配
 

光纤系统的运用

  多股光导纤维做成的光缆可用于通信,它的传导性能良好,传输信息容量大,一条通路可同时容纳数十人通话;可以同时传送数十套电视节目,供自由选看。光导纤维内窥镜可导入心脏和脑室,测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、体温等。用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用,并可用作光敏法治癌。

  光导纤维可以把阳光送到各个角落,还可以进行机械加工。计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像。如与敏感元件组合或利用本身的特性,则可以做成各种传感器,测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色等。在能量传输和信息传输方面也获得广泛的应用。

  高分子光导纤维开发之初,仅用于汽车照明灯的控制和装饰。现在主要用于医学、装饰、汽车、船舶等方面,以显示元件为主。在通信和图像传输方面,高分子光导纤维的应用日益增多,工业上用于光导向器、显示盘、标识、开关类照明调节、光学传感器等,同时也用在装饰显示、广告显示。
 

光网络的结构

  光网络的基本结构类型有星形、总线形(含环形)和树形等3种,可组合成各种复杂的网络结构。光网络可横向分割为核心网、城域/本地网和接入网。核心网倾向于采用网状结构,城域/本地网多采用环形结构,接入网将是环形和星形相结合的复合结构。光网络可纵向分层为客户层、光通道层(OCH)、光复用段层(OMS)和光传送段层(OTS)等层。两个相邻层之间构成客户/服务层关系。

  客户层:由各种不同格式的客户信号(如SDH、PDH、ATM、IP等)组成.

  光通道层:为透明传送各种不同格式的客户层信号提供端到端的光通路联网功能,这一层也产生和插入有关光通道配置的开销,如波长标记、端口连接性、载荷标志(速率、格式、线路码)以及波长保护能力等,此层包含OXC和OADM相关功能.

  光复用段层:为多波长光信号提供联网功能,包括插入确保信号完整性的各种段层开销,并提供复用段层的生存性,波长复用器和高效交叉连接器属于此层.

  光传送段层:为光信号在各种不同的光媒体(如G.652、G.653、G.655光纤)上提供传输功能,光放大器所提供的功能属于此层。

  从应用领域来看,光网络将沿着"干线网→本地网→城域网→接入网→用户驻地网"的次序逐步渗透。
 

特殊类型的光纤

  所谓的双包层光纤有一个单模纤芯和一个多模的内包层,内包层用于传输高功率光纤激光器或放大器的泵浦光。

  保偏光纤有各种类型,但基本上都是通过引入高双折射来实现的 。线偏振光的偏振方向与光纤一个双折射轴方向相同时,其在光纤中传输可以保持初始的偏振状态。此外还有单偏振光纤(起偏光纤),它的一个偏振方向具有很高的损耗。

  光子晶体光纤又称微结构光纤或多孔光纤,是一种特殊类型的光纤。这种光纤常由单一材料构成(通常是石英),包含非常小的空气孔(直径可在1 μm以下),这种光纤可利用堆砌毛细管形成带孔的预制棒进行制造。通过改变空气孔的排布方式,光纤可具有非常不同的特性,例如:

•非常大或小模场面积,从而导致极弱或极强的非线性 ;
•在非常大的波长范围单模传导( 无截止单模光纤 )
•把光场主要约束在空气孔中传导( 空气传导光子带隙光纤 )
•不寻常的色散特性,如在可见光区域实现反常色散

  目前光子晶体光纤已在广泛的应用领域获得关注,包括特殊的非线性光纤设备,工作在短波长区域的孤子光纤激光器和高功率光纤放大器 。

  虽然大多数光纤纤芯由各种二氧化硅(例如锗硅酸盐玻璃或铝硅酸盐玻璃)构成 ,但也可以使用其他的玻璃材料,如:

•磷酸盐玻璃主要用于光纤放大器和激光器 (由于不易发生淬灭,可以可实现稀土离子的高浓度掺杂)
•硫系玻璃(硫化物,碲化物或硒化物玻璃)具有小声子能量,主要用于中红外应用
•氟化物玻璃也具有小声子能量,用于中红外和上转换激光器

  低成本多模光纤可采用廉价的聚合物材料(塑料光纤 ,POF),这种光纤能够采用简单的挤压方法制造,即使在大直径的情况下仍具有较高的耐用性和灵活性。塑料光纤常用于中等速率的光数据传输,预计将在消费市场(如家庭网络)、汽车和飞机制造业等领域中得到广泛应用。现在即使是光子晶体光纤也可以利用聚合物制造。一些聚合物光纤还可用于传输太赫兹波。

  在某些情况下,光纤可采用某些晶体材料如蓝宝石制成。但这些光纤通常不灵活,可以被看作是使用波导传播细柱(中心可以有或没有纤芯结构) 。它们可用于极高功率光纤激光器和放大器 。
 

光纤生产方法

  ①管棒法:将内芯玻璃棒插入外层玻璃管中(尽量紧密),熔融拉丝;

  ②双坩埚法:在两个同心铂坩埚内,将内芯和外层玻璃料分别放入内、外坩埚中;

  ③分子填充法:将微孔石英玻璃棒浸入高折射率的添加剂溶液中,得所需折射率分布的断面结构,再进行拉丝操作,它的工艺比较复杂。在光导纤维通信中还可用内外气相沉积法等,以保证能制造出光损耗率低的光导纤维。光导纤维应用时还要做成光缆,它是由数根光导纤维合并先组成光导纤维芯线,外面被覆塑料皮,再把光导纤维芯线组合成光缆,其中光导纤维的数目可以从几十到几百根,最大的达到4000根。
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