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【你真的知道嗎】一文帶你全面了解光纖的“秘密”!
2020-06-06 11:25:26
詳細內(nèi)容

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圖片來源:L-com


進入21世紀以來,伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,人類逐漸進入了真正的信息化時代。在這個信息爆炸的時代里,我們每天的生活都會產(chǎn)生、傳輸大量的數(shù)據(jù)和信息,傳統(tǒng)的電纜通信無論從帶寬、損耗和抗干擾能力都是無法承載這樣的負荷的。


幸而,人類發(fā)明了光纖,并隨之開啟了光通信的時代,打破了時代的瓶頸和壁壘。所以,如果羅列20世紀最重要的發(fā)明,光纖必然會有一席之地。當(dāng)然,科學(xué)之路永遠是崎嶇艱辛的,從發(fā)現(xiàn)其物理現(xiàn)象到真正的廣泛應(yīng)用,光纖的發(fā)展亦輾轉(zhuǎn)了一百多年的時間。


早在1840年,瑞士科學(xué)家丹尼爾·科拉登和法國科學(xué)家雅克·巴比內(nèi)特向人們展示了光可以順著彎曲的水流在其中傳播的現(xiàn)象。


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三十年后,英國著名科學(xué)家丁達爾將其總結(jié)為光的全反射原理——光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時,當(dāng)入射角超過某一角度C(臨界角)時,光線不再發(fā)生介質(zhì)間的折射,而是全部反射回去。這就是光纖的理論基礎(chǔ)。


隨后的幾十年中,人們嘗試把玻璃作為光導(dǎo)介質(zhì),將其拉成長長的玻璃纖維,并在其外層附上包層防止光泄露,形成了光纖的基本形態(tài)??茖W(xué)家開展各種實驗用光纖傳遞圖像、聲音。


然而這些實驗雖然不斷向前推進,也在醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡等領(lǐng)域開始應(yīng)用,但始終都只能在短距離內(nèi)進行。究其原因,光在當(dāng)時的光纖中的衰減速度太快,這一度讓人類幾乎放棄了光纖通信的研究。


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1966年7月,出生于上海的英藉華裔物理學(xué)家高錕發(fā)表了一篇著名的論文,從理論上分析了用光纖作為傳輸媒介實現(xiàn)光通信的可能性,并提出通過原材料的提純,光纖傳輸損耗將大大降低。這一里程碑式的發(fā)現(xiàn),開啟了光通信的大門,同時也讓高錕在2009年獲得了諾貝爾物理獎。


在高錕的理論影響下,各國傾注了大量人力物力的投入,也讓光纖技術(shù)得到了爆炸性的發(fā)展。60年代,光纖的傳輸損耗高達1000dB/km,而在高錕的論文發(fā)布的四年后,這一數(shù)據(jù)狂降至20dB/km。


到了80年代,人類更是把損耗控制在0.2dB/km以內(nèi),已經(jīng)接近光纖的理論衰耗極限值。這標志著長距離光纖通信成為可能,時代的大門已經(jīng)緩緩打開。


巧的是,幾乎在同一時代,光源也取得了齊頭并進的巨大突破。1960年美國人梅曼發(fā)明了紅寶石激光器,產(chǎn)生了單色相干光,亮度高,方向性好,讓光的長距離傳輸有了可能性。


1970年,美國貝爾實驗室研制出世界上第一只在室溫下連續(xù)工作幾個小時的砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器。如今,激光器的使用壽命已在10萬小時以上。


解決了損耗和光源這兩個關(guān)鍵性技術(shù),光纖走出了實驗室逐漸開始得到廣泛應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的金屬電纜,光纖重量更輕直徑更小,傳輸速率和帶寬更大,傳輸損耗和所需能量更少,同時還不受電磁和射頻干擾,保密性強,原材料資源還特別豐富。


這些優(yōu)點讓光纖幾乎碾壓性地擊敗了傳統(tǒng)電纜,成為了互聯(lián)網(wǎng)時代信息傳輸?shù)摹爸鹘恰薄?/span>


光纖的結(jié)構(gòu) 


站在時代舞臺的最中央,光纖也不再是當(dāng)年那根“裸奔”的玻璃絲了。經(jīng)過多年的改進和發(fā)展,科學(xué)家和工程師給它穿上了一層有一層的衣服,大大提升了其強度和性能。讓我們來看看現(xiàn)代光纖的基本結(jié)構(gòu)吧!


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光纖最內(nèi)部的結(jié)構(gòu)包括高折射率玻璃纖芯和低折射率包層,光在纖芯和包層之間發(fā)生全反射,保證光信號一直在纖芯內(nèi)部傳輸。


在包層之外通常還有涂覆層、芳綸(Kevlar)和外層保護套,這些都起到保護作用,防止信號溢出增加線纜的強度和柔韌性,畢竟玻璃纖維是非常脆弱的。


光纖的規(guī)格和類型 


作為一個聯(lián)通全世界的重要工具,人們自然需要給光纖建立全世界通用的統(tǒng)一標準和規(guī)格。


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現(xiàn)在光纖規(guī)格一般使用“纖芯直徑/包層直徑”來標注,目前大多數(shù)的光纖包層直徑均為125微米。根據(jù)纖芯直徑的粗細,我們又把光纖分為多模光纖和單模光纖。多模光纖的纖芯直徑一般為62.5或者50微米,而單模光纖的直徑一般為9微米。


由于多模光纖和單模光纖纖芯直徑的不同,光在其中的傳播路徑形態(tài)也不同(如下圖所示),它們的性能和應(yīng)用場景也有所不同。


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多模光纖由于纖芯直徑大,支持多種光傳播模式,射線在光纖內(nèi)同時傳播 。但是多個模的光信號由于角度不同會有不同的路徑長度,易發(fā)生干涉造成色散現(xiàn)象,在數(shù)百米之后信號質(zhì)量會顯著下降。


單模光纖直徑更細,通常只傳輸一個模的光信號,傳播路徑也更接近直線,從而大大降低了色散效應(yīng)和信號損耗,不僅數(shù)據(jù)帶寬更寬,傳輸距離更大大增加至數(shù)十公里。同時,單模光纖本身的價格也更低。


然而,多模光纖與單模光纖相比具有更強的”聚光”能力。較大尺寸的纖芯簡化了連接,并可采用比較便宜的發(fā)光二極管作為光源。單模光纖則必須使用昂貴的激光發(fā)生器作為光源,所以在多模光纖的有效工作距離中,依然有其應(yīng)用范疇。


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特別要注意的是,在搭建網(wǎng)絡(luò)的過程中,這兩種模式的光纖與相應(yīng)的光模塊(收發(fā)器)必須匹配,不能混用,否則對網(wǎng)絡(luò)的性能會有較大影響。


當(dāng)然,多模光纖和單模光纖只是光纖的結(jié)構(gòu)性分類,實際上這兩種光纖都有著不同性能的更豐富的型號,他們的帶寬和傳輸距離如下圖所示:


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值得一提的是,在實際應(yīng)用中單模光纖通常為亮黃色,OM1/OM2多模光纖通常為灰色和橙色,OM3/OM4多模光纖為藍色或紫紅色,而最新的OM5多模光纖則為淺綠色。


OM5多模光纖由最高質(zhì)量的石英制成,支持850到953nm波長的超寬帶傳輸,也稱為WBMMF,其芯徑也是50um。它支持采用短波長SWDM復(fù)用技術(shù)(850nm、880nm、910nm和940nm)在一根光纖內(nèi)來實現(xiàn)100G傳輸速率,大幅節(jié)省系統(tǒng)整體成本。


此外,在實際應(yīng)用場景中,在更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中常常需要多條信號傳輸路徑,于是人們把不同數(shù)量的光纖組合在一起形成了不同的產(chǎn)品。比如,知名有線和無線連接產(chǎn)品生產(chǎn)商L-com的光纖產(chǎn)品就分為單芯光纖、雙芯光纖和多芯光纖,來應(yīng)對不同的使用場景。


同時為了增加光纖的強度,光纖還被增加了各種保護層,制成光纖線纜。L-com產(chǎn)品線根據(jù)光纖數(shù)量和排列形式分為單芯光纜、雙芯緊套光纜、可分支光纜和層絞式光纜。



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其中可分支光纜硬度最高,每一條光纖都有獨立的保護層,擁有極高的強度。而層絞式光纜更側(cè)重于緊湊的結(jié)構(gòu),每條光纖外層僅有900微米的緩沖層保護,但是線纜的柔性就非常好。


光接口 


光纖開啟自己的時代也需要解決與“舊時代”無縫銜接的問題。我們的電子設(shè)備內(nèi)部都使用電信號傳遞信息,所以在光纖通信時,需要先用光模塊把電信號形式的信息轉(zhuǎn)化為光信號,長距離傳輸后再轉(zhuǎn)換回電信號,這就是光纖通信系統(tǒng)的基本模式。


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光纖與光模塊或者光纖之間的連接需要物理接口,在早期不同的廠家開發(fā)了不同的接口,它們適用也因為各自的特性適用于不同的場景。L-com產(chǎn)品線中也提供了不同的連接器接口,在選擇時要根據(jù)實際需要選擇合適的接口。


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值得注意的是,當(dāng)光信號傳輸至一條光纖的末端,光信號會在端面產(chǎn)生一定的反射造成信號的損失,這一參數(shù)叫做回波損耗。


對于本身對信號要求較高的單模光纖來說,控制回波損耗十分重要。為了減少反射,控制回波損耗,光纖的端面被制作成特殊的形狀。下面三種端面的回波損耗方面PC > UPC > APC,L-com單模光纖標配PC和APC面,也提供UPC面的訂制規(guī)格。


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值得注意的是,當(dāng)光信號傳輸至一條光纖的末端,光信號會在端面產(chǎn)生一定的反射造成信號的損失,這一參數(shù)叫做回波損耗。對于本身對信號要求較高的單模光纖來說,控制回波損耗十分重要。


為了減少反射,控制回波損耗,光纖的端面被制作成特殊的形狀。下面三種端面的回波損耗方面PC > UPC > APC,L-com單模光纖標配PC和APC面,也提供UPC面的訂制規(guī)格。


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好了,相信看了這篇文章,你對光纖有了比較全面的理解,也看到了光纖科技發(fā)展的迅猛。


它變得越來越多樣化,適應(yīng)各種復(fù)雜的應(yīng)用場景。相信隨著光纖的進一步優(yōu)化升級,我們的世界在未來必將發(fā)生更加翻天覆地的變化!


———— / END / ————


引用自: www.cechina.cn

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