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【你真的知道吗】一文带你全面了解光纤的“秘密”!

作者:www.cechina.cn2020.06.05阅读 2469


图片来源:L-com

  进入21世纪以来,伴随着互联网的发展,人类逐渐进入了真正的信息化时代。在这个信息爆炸的时代里,我们每天的生活都会产生、传输大量的数据和信息,传统的电缆通信无论从带宽、损耗和抗干扰能力都是无法承载这样的负荷的。
  幸而,人类发明了光纤,并随之开启了光通信的时代,打破了时代的瓶颈和壁垒。所以,如果罗列20世纪最重要的发明,光纤必然会有一席之地。当然,科学之路永远是崎岖艰辛的,从发现其物理现象到真正的广泛应用,光纤的发展亦辗转了一百多年的时间。
  早在1840年,瑞士科学家丹尼尔·科拉登和法国科学家雅克·巴比内特向人们展示了光可以顺着弯曲的水流在其中传播的现象。

  三十年后,英国著名科学家丁达尔将其总结为光的全反射原理——光从光密介质射向光疏介质时,当入射角超过某一角度C(临界角)时,光线不再发生介质间的折射,而是全部反射回去。这就是光纤的理论基础。
  随后的几十年中,人们尝试把玻璃作为光导介质,将其拉成长长的玻璃纤维,并在其外层附上包层防止光泄露,形成了光纤的基本形态。科学家开展各种实验用光纤传递图像、声音。
  然而这些实验虽然不断向前推进,也在医学内窥镜等领域开始应用,但始终都只能在短距离内进行。究其原因,光在当时的光纤中的衰减速度太快,这一度让人类几乎放弃了光纤通信的研究。

  1966年7月,出生于上海的英藉华裔物理学家高锟发表了一篇著名的论文,从理论上分析了用光纤作为传输媒介实现光通信的可能性,并提出通过原材料的提纯,光纤传输损耗将大大降低。这一里程碑式的发现,开启了光通信的大门,同时也让高锟在2009年获得了诺贝尔物理奖。
  在高锟的理论影响下,各国倾注了大量人力物力的投入,也让光纤技术得到了爆炸性的发展。60年代,光纤的传输损耗高达1000dB/km,而在高锟的论文发布的四年后,这一数据狂降至20dB/km。到了80年代,人类更是把损耗控制在0.2dB/km以内,已经接近光纤的理论衰耗极限值。这标志着长距离光纤通信成为可能,时代的大门已经缓缓打开。
  巧的是,几乎在同一时代,光源也取得了齐头并进的巨大突破。1960年美国人梅曼发明了红宝石激光器,产生了单色相干光www.cechina.cn,亮度高,方向性好,让光的长距离传输有了可能性。1970年,美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续工作几个小时的砷化镓铝半导体激光器。如今,激光器的使用寿命已在10万小时以上。
  解决了损耗和光源这两个关键性技术,光纤走出了实验室逐渐开始得到广泛应用。相比传统的金属电缆,光纤重量更轻直径更小,传输速率和带宽更大,传输损耗和所需能量更少,同时还不受电磁和射频干扰,保密性强,原材料资源还特别丰富。这些优点让光纤几乎碾压性地击败了传统电缆,成为了互联网时代信息传输的“主角”。
  光纤的结构 
  站在时代舞台的最中央,光纤也不再是当年那根“裸奔”的玻璃丝了。经过多年的改进和发展,科学家和工程师给它穿上了一层有一层的衣服,大大提升了其强度和性能。让我们来看看现代光纤的基本结构吧!

  光纤最内部的结构包括高折射率玻璃纤芯和低折射率包层,光在纤芯和包层之间发生全反射,保证光信号一直在纤芯内部传输。
  在包层之外通常还有涂覆层、芳纶(Kevlar)和外层保护套CONTROL ENGINEERING China版权所有,这些都起到保护作用,防止信号溢出增加线缆的强度和柔韧性,毕竟玻璃纤维是非常脆弱的。
  光纤的规格和类型 
  作为一个联通全世界的重要工具,人们自然需要给光纤建立全世界通用的统一标准和规格。

  现在光纤规格一般使用“纤芯直径/包层直径”来标注,目前大多数的光纤包层直径均为125微米。根据纤芯直径的粗细,我们又把光纤分为多模光纤和单模光纤。多模光纤的纤芯直径一般为62.5或者50微米,而单模光纤的直径一般为9微米。
  由于多模光纤和单模光纤纤芯直径的不同,光在其中的传播路径形态也不同(如下图所示),它们的性能和应用场景也有所不同。

  多模光纤由于纤芯直径大,支持多种光传播模式,射线在光纤内同时传播 。但是多个模的光信号由于角度不同会有不同的路径长度,易发生干涉造成色散现象,在数百米之后信号质量会显著下降。
  单模光纤直径更细,通常只传输一个模的光信号,传播路径也更接近直线,从而大大降低了色散效应和信号损耗,不仅数据带宽更宽,传输距离更大大增加至数十公里。同时,单模光纤本身的价格也更低。
  然而,多模光纤与单模光纤相比具有更强的”聚光”能力。较大尺寸的纤芯简化了连接,并可采用比较便宜的发光二极管作为光源。单模光纤则必须使用昂贵的激光发生器作为光源,所以在多模光纤的有效工作距离中,依然有其应用范畴。

  特别要注意的是,在搭建网络的过程中CONTROL ENGINEERING China版权所有,这两种模式的光纤与相应的光模块(收发器)必须匹配,不能混用,否则对网络的性能会有较大影响。
  当然,多模光纤和单模光纤只是光纤的结构性分类,实际上这两种光纤都有着不同性能的更丰富的型号,他们的带宽和传输距离如下图所示:

  值得一提的是,在实际应用中单模光纤通常为亮黄色,OM1/OM2多模光纤通常为灰色和橙色,OM3/OM4多模光纤为蓝色或紫红色,而最新的OM5多模光纤则为浅绿色。
  OM5多模光纤由最高质量的石英制成,支持850到953nm波长的超宽带传输,也称为WBMMF,其芯径也是50um。它支持采用短波长SWDM复用技术(850nm、880nm、910nm和940nm)在一根光纤内来实现100G传输速率,大幅节省系统整体成本。
  此外,在实际应用场景中,在更复杂的网络环境中常常需要多条信号传输路径,于是人们把不同数量的光纤组合在一起形成了不同的产品。比如,知名有线和无线连接产品生产商L-com的光纤产品就分为单芯光纤、双芯光纤和多芯光纤,来应对不同的使用场景。
  同时为了增加光纤的强度,光纤还被增加了各种保护层,制成光纤线缆。L-com产品线根据光纤数量和排列形式分为单芯光缆、双芯紧套光缆、可分支光缆和层绞式光缆。

  其中可分支光缆硬度最高,每一条光纤都有独立的保护层www.cechina.cn,拥有极高的强度。而层绞式光缆更侧重于紧凑的结构,每条光纤外层仅有900微米的缓冲层保护,但是线缆的柔性就非常好。
  光接口 
  光纤开启自己的时代也需要解决与“旧时代”无缝衔接的问题。我们的电子设备内部都使用电信号传递信息,所以在光纤通信时,需要先用光模块把电信号形式的信息转化为光信号,长距离传输后再转换回电信号,这就是光纤通信系统的基本模式。

  光纤与光模块或者光纤之间的连接需要物理接口,在早期不同的厂家开发了不同的接口,它们适用也因为各自的特性适用于不同的场景。L-com产品线中也提供了不同的连接器接口,在选择时要根据实际需要选择合适的接口。


  值得注意的是,当光信号传输至一条光纤的末端控制工程网版权所有,光信号会在端面产生一定的反射造成信号的损失,这一参数叫做回波损耗。对于本身对信号要求较高的单模光纤来说,控制回波损耗十分重要。为了减少反射,控制回波损耗,光纤的端面被制作成特殊的形状。下面三种端面的回波损耗方面PC > UPC > APC,L-com单模光纤标配PC和APC面,也提供UPC面的订制规格。

  光纤防护 
  尽管光纤通信有着金属线缆无法比拟的优点,但柔软纤细的玻璃光纤也需要更坚实的保护。为了适应更多极端恶劣的场景,为了户外、军用、工业用途的特种光纤线缆及连接器组件,防护等级可达到IP67防护级和IP68加固级。
  此外,光纤的护套材料LSZH是一种低烟未卤化的线缆护套材料,具有阻燃、低烟、低腐蚀等防火安全特性,适用于公共轨道交通系统、核电厂、炼油厂或其他针对有毒、腐蚀性气体为人员设备提供保护的应用领域。
  光纤另一个需要注意的问题是切忌大角度弯折,一方面让部分光纤在弯折出因达不到全反射的入射角而发声信号溢出损耗,同时微米级的玻璃纤维也经不起这样“粗暴”的对待。但是在很多有限的空间内,接线端的弯折又很难避免。
  L-com提供了一套解决方案,应用弯曲不敏感光纤跳线,配置可弯折柔性护套,在对信号无损的情况下实现近90度的弯折。

  好了,相信看了这篇文章,你对光纤有了比较全面的理解,也看到了光纤科技发展的迅猛。
  它变得越来越多样化,适应各种复杂的应用场景。相信随着光纤的进一步优化升级,我们的世界在未来必将发生更加翻天覆地的变化!

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