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光纤光缆
阅读:554时间:2018-04-25 09:33:00

光纤光缆是一种通信电缆,由两个或多个玻璃或塑料光纤芯组成,这些光纤芯位于保护性的覆层内,由塑料PVC外部套管覆盖。沿内部光纤进行的信号传输一般使用红外线。

简介

  传送光波的介质波导。光纤是由成同心圆的双层透明介质构成的一种纤维。使用最广泛的介质材料是石英玻璃(SiO2)。内层介质称为纤芯,其折射率高于外层介质(称为包层)。通过在石英玻璃中掺锗、磷、氟、硼等杂质的方法调节纤芯或包层的折射率。通信用光纤的传输波长主要为0.8~1.7微米的近红外光。光纤的芯径因类型而异,通常为数微米到100微米,外径大多数约为125微米。它的外面有塑料被覆层。光缆(图2)由单根或多根光纤组合并加以增强和保护制成。光缆可以在各种环境下使用。光缆的制造方法与电缆相似。
  光纤光缆
  光纤通信是现代信息传输的重要方式之一。它具有容量大、中继距离长、保密性好、不受电磁干扰和节省铜材等优点。
  报告利用资讯长期对光纤光缆行业市场跟踪搜集的市场数据,从行业的整体高度来架构分析体系。报告主要分析了中国光纤光缆行业的发展现状和前景;光纤光缆行业格局和集中度;光纤光缆行业的技术状况。

发展

  在3G网络建设、FTTH(光纤到户)实施、三网融合试点、西部村村通工程、“光进铜退”等多重利好驱动下,中国光纤光缆行业发展势头较好,我国成为了全球最主要的光纤光缆市场和全球最大的光纤光缆制造国,并取得了引人瞩目的成就。
  2011年,中国光纤光缆行业规模以上企业共有149家,比上年减少21家;实现工业总产值688.02亿元;实现销售收入643.10亿元,同比增长24.68%;创造利润65.54亿元,同比增长47.39%。
  随着我国FTTH及FTTC系统的采用、三网融合以及大规模3G建设的持续,市场对光纤光缆的需求量依然很大,为我国光纤光缆行业发展提供了强劲动力,行业前景大好。
  随着光纤光缆行业竞争的不断加剧,大型光纤光缆企业间并购整合与资本运作日趋频繁,国内优秀的光纤光缆生产企业愈来愈重视对行业市场的研究,特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此,一大批国内优秀的光纤光缆品牌迅速崛起,逐渐成为光纤光缆行业中的翘楚!
  光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。人类社会的信息化建设正在加速进行,即使是在全球经济发展不景气的情况下,通信和信息行业还十分火红。光纤通信正朝高速、超高速、超大容量的光纤传输及全光网方向发展。我国在实现信息化进程中,“九五”期间中国电信完成了“八纵八横”的光缆干线敷设。一个以光缆为主体的骨干通信网逐步形成。四通八达的高容量光缆干线已成为我国的“信息通道”。随着通信事业的不断发展,从省到市、县甚至乡镇也敷设了光缆。“光纤到户”的日期越来越临近了。近几年来,随着技术的进步,电信体制的改革以及电信市场的逐步全面开放,更由于IP业务的爆炸式发展所带来的带宽的巨大需求,光纤通信的发展又一次呈现出蓬勃发展的新局面。
  用玻璃纤维传光已有30多年。初期的光纤应用仅限于某些光学机械和医疗设备(如灯光导引及胃镜等),传输的是可见光,衰减高达1000分贝/公里。1966年,高锟首先提出用石英基玻璃纤维进行长距离光信息传输的设想。1970年在美国用化学气相沉积法制成了高纯石英光纤,其衰减降为20分贝/公里,从而使长距离传输成为现实。其后,光纤的衰减迅速下降,到70年代后期已降至0.2分贝/公里的理论极限水平。光纤的带宽不断增加,到80年代初带宽达到数百吉赫·公里的单模光纤已可供实用。已研制成中继距离超过100公里,容量达数百兆比/秒的光纤通信系统。光纤通信设备制造已经发展成为一个新兴的工业部门。光纤中光波强度和相位随温度、电场、磁场等物理量的改变而变化的特点,已被用于高灵敏度的遥测传感器。

原理

  光纤传输基于可用光在两种介质界面发生全反射的原理。突变型光纤,n1为纤芯介质的折射率,n2为包层介质的折射率,n1大于n2,进入纤芯的光到达纤芯与包层交界面(简称芯-包界面)时的入射角大于全反射临界角θc时,就能发生全反射而无光能量透出纤芯,入射光就能在界面经无数次全反射向前传输。原来
  当光纤弯曲时,界面法线转向,入射角度小,因此一部分光线的入射角度变得小于θc而不能全反射。但原来入射角较大的那些光线仍可全反射,所以光纤弯曲时光仍能传输,但将引起能量损耗。通常,弯曲半径大于50~100毫米时,其损耗可忽略不计。微小的弯曲则将造成严重的“微弯损耗”。
  人们常用电磁波理论进一步研究光纤传输的机制,由光纤介质波导的边界条件来求解波动方程。在光纤中传播的光包含有许多模式,每一个模式代表一种电磁场分布,并与几何光学中描述的某一光线相对应。

原理

  光纤传输基于可用光在两种介质界面发生全反射的原理。突变型光纤,n1为纤芯介质的折射率,n2为包层介质的折射率,n1大于n2,进入纤芯的光到达纤芯与包层交界面(简称芯-包界面)时的入射角大于全反射临界角θc时,就能发生全反射而无光能量透出纤芯,入射光就能在界面经无数次全反射向前传输。原来
  当光纤弯曲时,界面法线转向,入射角度小,因此一部分光线的入射角度变得小于θc而不能全反射。但原来入射角较大的那些光线仍可全反射,所以光纤弯曲时光仍能传输,但将引起能量损耗。通常,弯曲半径大于50~100毫米时,其损耗可忽略不计。微小的弯曲则将造成严重的“微弯损耗”。
  人们常用电磁波理论进一步研究光纤传输的机制,由光纤介质波导的边界条件来求解波动方程。在光纤中传播的光包含有许多模式,每一个模式代表一种电磁场分布,并与几何光学中描述的某一光线相对应。

衰减

  造成光纤衰减的因素有散射损耗、吸收损耗和微弯损耗等。散射损耗主要由瑞利散射产生,它是由玻璃的不规则分子结构引起的微观折射率波动所造成的,是光纤的固有损耗,也是光纤衰减的最低限。它与λ4成反比。在波长小于0.8微米时,瑞利散射损耗迅速上升,限制了光纤的使用。光纤基质材料SiO2和掺杂氧化物分子的本征吸收损耗又使光纤的衰减,在波长大于1.7微米时,迅速增大。因此,这类光纤的使用波长就被限制在0.8~1.7微米范围内。在这一范围内,衰减主要是石英玻璃中所含的杂质Fe++、Cu++等过渡金属离子和OH-。的吸收损耗造成的。随着纯化工艺的改进,杂质吸收损耗已被基本上消除,从而达到了瑞利散射损耗的极限。光纤的不规则微小弯曲引起模式耦合,造成微弯损耗,因此在加工和使用中应尽量避免光纤微弯。

带宽

  光纤传输的载波是光,虽然频带极宽,但并不能充分利用,这是由于光在光纤中传输有色散(模间色散、材料色散和波导色散)的缘故。它们在不同程度上影响光纤带宽。
  模间色散是由于不同模式的光线在芯-包界面上的全反射角不同,曲折前进的路程长短不一。因而,一束光脉冲入射光纤后,它所含的各模式经一定距离传输到达终点的时间会有先后,因而引起脉冲展宽。它可使一束窄脉冲展宽达20纳秒/公里左右,光纤的相应带宽约为20兆赫·公里。
  材料色散是一种模内色散。光纤所传输的光即使是激光,也包含有一定谱宽的不同波长的光分量。例如,GaAlAs半导体激光器发出的激光谱宽约为2纳米。光在介质中的传输速度与折射率n有关,而石英介质的折射率随波长变化,因此当一束光脉冲入射光纤后,即使是同一模式,传输群速也会因光波长不同而有差异,致使到达终点后的脉冲展宽,这就是材料色散。在1.3微米附近,折射率随波长的变化极小,因此,材料色散很小(例如3皮秒/公里·纳米)。消除模间色散可使光纤带宽大大提高。纯石英在1.27微米波长上具有零色散特性。
  波导色散也是一种模内色散,是由于模式传播常数随波长变化引起群速差异而造成的。波导色散更小。在1.3微米波长附近,材料色散显着减小,以致二者大致相同,并有可能相互抵消。 光纤的种类 按使用的材料分,有石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层光纤和塑料光纤等几大类。其中石英光纤以高纯SiO2玻璃作光纤材料,具有衰减低、频带宽等优点,在研究及应用中占主要地位。如按纤芯折射率分类主要有突变型光纤和渐变型光纤。按传输光的模式分,有多模光纤和单模光纤。

分类

  突变型
  纤芯部分折射率不变,而在芯-包界面折射率突变。纤芯中光线轨迹呈锯齿形折线。这种光纤模间色散大,带宽只有几十兆赫·公里。常做成大芯径,大数值孔径(例如芯径为100微米,NA为0.30)光纤,以提高与光源的耦合效率,适用于短距离、小容量的通信系统。
  渐变型
  纤芯折射率分布如图4。纤芯中心折射率最高,沿径向按下式渐变:
  n(r)=n1【1-2墹(r/ɑ)α】1/2 (2)
  式中α为折射率分布指数。可以把这种光纤的纤芯分割成多层突变型光纤来分析
  其传输原理。在分析中可近似地认为各层内折射率均匀。当入射角为θ0的光线入射纤芯后,在各层界面依次折射。按折射定律,折射角θ1逐渐增大,直到大于全反射临界角θc;发生全反射后,即折向纤芯中心。然后,经各层时折射角又逐渐减小,到达中心时仍为θ0。结果光线呈正弦形轨迹。高次模即入射角较大的光线处于靠近包层的区域,这里折射率较小,光速较大,因此虽然路程较长,传输时间仍有可能与处于中心区的低次模接近或一致,即各模式的光线轨迹可聚焦于一点,使模间色散大大减小。当折射率分布接近抛物线(α=2)时,模间色散最小,带宽可达吉赫·公里的水平。
  单模光纤
  当光纤的归一化频率ν<2.41时,光纤中只允许单一模式(基模)传输,就成为单模光纤。根据式(2),这种光纤芯径和数值孔径必然很小,一般芯径只有数微米,因此连接耦合难度大。由于是单模传输,消除了模间色散,在波长1.3微米附近材料色散又趋近于零,因此带宽极大(可达数百吉赫·公里)。单模光纤被视为今后大容量长途干线通信的主要传输线。
  玻璃光纤
  组成光纤的玻璃成分以SiO2为主,约占百分之几十,此外还含有碱金属、碱土金属、铅硼等的氧化物。它的特点是熔点低(1400摄氏度以下),可用传统的坩埚法拉丝,适于制做大芯径、大数值孔径光纤。这种光纤尚处于研制阶段,故应用不多。
  包层光纤
  这是一种以高纯石英作纤芯、塑料(如有机硅)作包层的突变型多模光纤。芯径和数值孔径较大,例如芯径大于200微米,NA大于0.3。这种光纤便于连接和耦合,适于短距离小容量系统使用。
  塑料光纤
  光纤材料主要是特制的高透明度的有机玻璃、聚苯乙烯等塑料,可做成突变型或渐变型多模光纤,光纤衰减已从初期的500~1000分贝/公里降低到数十分贝/公里,但仍须进一步降低。它的特点是柔软、加工方便、芯径和数值孔径大。
  被覆光纤
  裸光纤脆而易断,这是因为玻璃光纤表面总是存在随机分布的微裂纹,在潮气、尘埃和应力作用下迅速增殖而导致破坏。在光纤拉丝的同时立即涂覆一层塑料护层,制成一次被覆光纤,可保证光纤的高强度和长寿命。但为了进一步提高其耐压和抗弯折等机械性能,便于成缆和使用,往往在表面上再挤覆一层较厚的塑料层,这就是二次被覆光纤,也称被覆光纤。它的外径一般为1毫米左右。按照光纤在二次被覆护层中的松动状态,还可分为松包光纤和紧包光纤两类。

结构

  按照被覆光纤在光缆中所处的状态,光缆有紧结构与松结构两类。骨架型光缆是一种典型的松结构。光纤埋在骨架外周螺旋槽中,有活动余地。这种光缆隔离外力和防止微弯损耗的特性较好,2b的绞合型光缆当使用紧包光纤时是一种典型的紧结构,被覆光纤被紧包于缆结构中,但绞合型光缆使用松包光纤时,由于光纤在二次被覆塑料管中可以活动,仍属松结构。绞合型光缆的成缆工艺较为简单,性能良好。此外,还有带状光缆、单芯光缆等结构类型。
  各种光缆中都有增强件,用以承载拉力。它由具有高弹性模量的高强度材料制成,常用的有钢丝、高强度玻璃纤维和高模量合成纤维芳纶等。增强件使光缆在使用应力下只产生极低的伸长形变(例如小于0.5%),以保护光纤免受应力或只承受极低的应力,以防光纤断裂。
  光缆的护套结构和材料视使用环境和要求而定,与同样使用条件下的电缆基本相同。按照光缆的使用环境分,有架空光缆、直埋光缆、海底光缆、野战光缆等。

选择要点

  1、光缆芯数的选定
  在施工方便的条件下,尽量选择盘长较大的光缆。选择光缆芯数时,要把效益和长期规划结合起来,充分考虑扩容的可能性;根据“建设一条线服务一大片”的指导思想,充分考虑沿途各大单位的通信需要。
  2、光缆结构程式的选择
  长途干线光缆应采用波长1310nm窗口,并能在1550nm窗口使用的单模光纤;光纤筛选张力应不小于5N(牛顿);采用无金属线对光缆,在雷击严重或强电影响地段可采用非金属构件加强芯光缆,光缆芯采用充油膏结构。
  光缆护层结构选择的规定:架空和管道光缆(简易塑料管管道)为防潮层+PE外护层;直埋光缆为防潮层+PE内护层+钢带铠装层+PE外护层;水底光缆为防潮层+PE内护层+粗钢丝铠装层+PE外护层。
  光缆的机械性能应符合表1.1所规定。光缆承受短期允许张力或侧压力,在张力或侧压力解除后光纤衰减不变化,光纤延伸率不大于0.15%;光缆在承受长期允许张力或侧压力时,光纤衰减不变化,光缆延伸率不大于0.2%,光前没有应变。
  3、水底光缆的选用
  通航机动船、帆船、木筏较多的主要航运河流,应采用钢丝铠装光缆;河水流速特别急、河道变化较大时,应采用双层钢丝铠装光缆;河宽(两堤或自然岸间)大于150m的平原河流,宜采用钢丝铠装光缆;有的河宽虽小于150m,但流速较大(3m/s以上)、河床土质松散、两岸易受冲刷塌方、河底坎坷不平或为石质河床、大卵石河床,应才用刚丝铠装的水底光缆;有的河宽虽不大于150m,但河床土质稳定,流速很小,河道顺直又无冲刷现象,可不采用刚丝铠装的水底光缆;山区河流,应根据河床土质、流速、流量的大小、冲刷程度以及上游水文等情况确定。备用水底光缆的设置,综合考虑的因素有:特大的河流;河床稳定性能很差的较大河流;有其他特殊要求;限于自然地形和施工条件,光缆的安全程度较差或抢修很困难。

延长寿命的方法

  第一、当疲劳参数n一定时,纤维的寿命ts只与所承受到的应力σ有关,因此,减小纤维承受到的应力是提高光纤使用寿命的一种方法。当人们制造光纤时,在光纤表面上形成一种压缩应力以对抗所承受到的张应力,使张应力减到尽可能小的程度,由此就产生了压应力包层技术来制造光纤。
  若设光纤承受到的应力为σa,寿命为t1,当光纤具有压应力σR包层时,光纤的寿命为t2:t2=t1[(σa-σR)/σa]-n,其中,(σa-σR)为光纤真正承受到的净应力。由此表明:具有压应力包层的光纤比一般光纤的寿命长得多。近年来就有人用掺GeO2石英做光纤表面的压缩层,也有人用掺TiO2石英做光纤的外包层使光纤本身的抗拉强度从50kpsi提高到130kpsi(相当抗拉强度从430g提高到1100g),也使光纤的静态疲劳参数从n=20~25提高到n=130。
  第二、提高光纤的静态疲劳参数n来提高光纤的使用寿命。因此,人们在制造光纤时,设法把石英纤维本身与大气环境隔绝开来,使之不受大气环境的影响,尽可能地把n值由环境材料参数转变为光纤材料本身的参数,就可以使n值变得很大,由此产生了在光纤表面的“密封被覆技术”。

展望

  由于瑞利散射损耗与λ4成反比,石英光纤在长波长(1.3~1.6微米)下具有更低的衰减,因此长波长光纤将获得最广泛的使用。1.3微米的长波长光纤已取代0.85微米的短波长光纤。人们正在研制1.55微米波长的传输系统。以及工作波长更长、衰减更低的新型光纤材料。单模光纤具有更高的带宽,并能适应相干传输和外差接收新技术,可大大扩展中继距离和信息容量,已成为人们研究的重点,单模光纤可在长途干线及海底光缆中大量使用。工作在一个偏振状态的偏振维持型单模光纤适用于相干传输和相位调制型光纤传感器。

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