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LED与光纤传输

2015-11-5 20:53| 发布者: 天天向上| 查看: 322| 评论: 0

摘要: 光纤的完整名称叫做光导纤维英文名是OPTICFIBER,也有叫OPTICALFIBER的,是用纯石英以特别的工艺拉成细丝,光纤的直径比头发丝还要细,但它的本事非常大,可以在很短的时间内传递巨大数量的信息。   依目前取得的 ...
   光纤的完整名称叫做光导纤维英文名是 OPTIC FIBER,也有叫OPTICAL FIBER的,是用纯石英以特别的工艺拉成细丝,光纤的直径比头发丝还要细,但它的本事非常大,可以在很短的时间内传递巨大数量的信息。 
  依目前取得的水平。人们已经实现在一根光纤中每秒传递几百个“太”位(T=1012,10的12次方)的信息速率。而且这个速率还远远不是光纤的传输速率的极限。光纤的刨面结构和同轴电缆相似,只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中,芯的直径是15μm~50μm。而单模光纤芯的直径为8μm~10μm。芯外面包围着一层折色率比芯低的玻璃封套。以使光纤保持在芯内。它是利用了光的全反射原理。这样信号能量损失小。再外面的是一层薄的塑料外套,用来保护封套。光纤通常被扎起来,外面有外壳保护。纤芯的石英玻璃丝是横截面积很小的双层同心圆柱体,它质地脆,易断裂,因而在外有一保护层。目前我们通常在使用光纤的时候,其带宽的利用率是非常低的。主要原因是,现在计算机都是采用集成电路来运行的,也就是说在计算机内传输的都是电的数字信号。而光纤则是传递信号的。两台计算机之间如果要互通信息就要先把某一台计算机发出的电信号转变成光的形式送到光纤上去传输,而传到另一台计算机那一端时则又需要把光形式的信号转变过来,还原成电信号。光纤的传递容量非常大,但是集成电路对信号的处理速率与光纤能传递的速率相比就很低了。这就出现了一个瓶颈。因为这个限制的缘故,一般光纤通信时速率不能够做得很高。当然,现在又有了新的方法来解决这个问题。如用光波的波长复用技术,这种复用技术称为“WDM”。简单讲就是把不同的光谱作为每路数据传输信道的载波,分别携带多路信号,再分别通过不同的入射角把这些多路的光线合到一起成为一束混合光,在光纤里传输。到达传输对方时再用相反的途径把混合在一起的光分解开来,分别送到各路信道里去。另一方面,光纤的制造工艺和材料也在发展中。现在新出一种“全频”光纤,可以传递比原来宽得多的光谱的信号。最近出现的“DWDM”就是密集波分复用技术,用这种技术在一根光纤里可以同时传输几百路高速数字信号,并且,现在可以根据需要放置许多光纤芯,因此,一些光缆可以同时传递更加大量的信息。 
  光纤的特点有:传输速度快,距离远,内容多,并且不受电磁干扰,不怕雷电击,很难在外部窃听,不导电,在设备之间没有接地的麻烦等。
  光纤损耗大致可分为光纤具有的固有损耗以及光纤制成后由使用条件造成的附加损耗。具体细分如下:
  固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗。
  附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。
  其中,附加损耗是在光纤的铺设过程中人为造成的。在实际应用中,不可避免地要将光纤一根接一根地接起来,光纤连接会产生损耗。光纤微小弯曲、挤压、拉伸受力也会引起损耗。这些都是光纤使用条件引起的损耗。究其主要原因是在这些条件下,光纤纤芯中的传输模式发生了变化。附加损耗是可以尽量避免的。
  固有损耗中,散射损耗和吸收损耗是由光纤材料本身的特性决定的,在不同的工作波长下引起的固有损耗也不同。搞清楚产生损耗的机理,定量地分析各种因素引起的损耗的大小,对于研制低损耗光纤,合理使用光纤有着极其重要的意义。 
  光纤的种类很多,分类方法也是各种各样的。
  (一)按照制造光纤所用的材料分:石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。
  塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)制成的。它的特点是制造成本低廉,相对来说芯径较大,与光源的耦合效率高,耦合进光纤的光功率大,使用方便。但由于损耗较大,带宽较小,这种光纤只适用于短距离低速率通信,如短距离计算机网链路、船舶内通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。
  (二)按光在光纤中的传输模式分:单模光纤和多模光纤。
  多模光纤的纤芯直径为50~62.5μm,包层外直径125μm,单模光纤的纤芯直径为8.3μm,包层外直径125μm。光纤的工作波长有短波长0.85μm、长波长1.31μm和1.55μm。光纤损耗一般是随波长加长而减小,0.85μm的损耗为2.5dB/km,1.31μm的损耗为0.35dB/km,1.55μm的损耗为0.20dB/km,这是光纤的最低损耗,波长1.65μm以上的损耗趋向加大。由于OHˉ的吸收作用,0.90~1.30μm和1.34~1.52μm范围内都有损耗高峰,这两个范围未能充分利用。80年代起,倾向于多用单模光纤,而且先用长波长1.31μm。
  多模光纤
  多模光纤(Multi Mode Fiber):中心玻璃芯较粗(50或62.5μm),可传多种模式的光。但其模间色散较大,这就限制了传输数字信号的频率,而且随距离的增加会更加严重。例如:600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此,多模光纤传输的距离就比较近,一般只有几公里。
  单模光纤
  单模光纤(Single Mode Fiber):中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm),只能传一种模式的光。因此,其模间色散很小,适用于远程通讯,但还存在着材料色散和波导色散,这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求,即谱宽要窄,稳定性要好。后来又发现在1.31μm波长处,单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负,大小也正好相等。这就是说在1.31μm波长处,单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看,1.31μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样,1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口,也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU-T在G652建议中确定的,因此这种光纤又称G652光纤。
  (三)按最佳传输频率窗口分:常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。
  常规型:光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上,如1300μm。
  色散位移型:光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上,如:1300μm和1550μm。
  我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带宽,那么如果让单模光纤工作在1.55μm波长区,不就可以实现高带宽、低损耗传输了吗?但是实际上并不是这么简单。常规单模光纤在1.31μm处的色散比在1.55μm处色散小得多。这种光纤如工作在1.55μm波长区,虽然损耗较低,但由于色散较大,仍会给高速光通信系统造成严重影响。因此,这种光纤仍然不是理想的传输媒介。
  为了使光纤较好地工作在1.55μm处,人们设计出一种新的光纤,叫做色散位移光纤(DSF)。这种光纤可以对色散进行补偿,使光纤的零色散点从1.31μm处移到1.55μm附近。这种光纤又称为1.55μm零色散单模光纤,代号为G653。
  G653光纤是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。现在这种光纤已用于通信干线网,特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。
  色散位移光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介,但当它用于波分复用多信道传输时,又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。特别是在色散为零的波长附近,干扰尤为严重。为此,人们又研制了一种非零色散位移光纤即G655光纤,将光纤的零色散点移到1.55μm 工作区以外的1.60μm以后或在1.53μm以前,但在1.55μm波长区内仍保持很低的色散。这种非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输,而且还可适应于将来用波分复用来扩容,是一种既满足当前需要,又兼顾将来发展的理想传输媒介。
  还有一种单模光纤是色散平坦型单模光纤。这种光纤在1.31μm到1.55μm整个波段上的色散都很平坦,接近于零。但是这种光纤的损耗难以降低,体现不出色散降低带来的优点,所以目前尚未进入实用化阶段。
  (四)按折射率分布情况分:阶跃型和渐变型光纤。
  阶跃型:光纤的纤芯折射率高于包层折射率,使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的,包层的折射率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的,只有一个台阶,所以称为阶跃型折射率多模光纤,简称阶跃光纤,也称突变光纤。这种光纤的传输模式很多,各种模式的传输路径不一样,经传输后到达终点的时间也不相同,因而产生时延差,使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高,传输频带不宽,传输速率不能太高,用于通信不够理想,只适用于短途低速通讯,比如:工控。但单模光纤由于模间色散很小,所以单模光纤都采用突变型。这是研究开发较早的一种光纤,现在已逐渐被淘汰了。
  渐变型光纤:为了解决阶跃光纤存在的弊端,人们又研制、开发了渐变折射率多模光纤,简称渐变光纤。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小,可使高次模的光按正弦形式传播,这能减少模间色散,提高光纤带宽,增加传输距离,但成本较高,现在的多模光纤多为渐变型光纤。渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样,为均匀的。渐变光纤的纤芯折射率中心最大,沿纤芯半径方向逐渐减小。由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层界面上按折射定律产生折射,进入低折射率层中去,因此,光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。同样的过程不断发生,直至光在某一折射率层产生全反射,使光改变方向,朝中心较高的折射率层行进。这时,光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度,在各折射率层中每折射一次,其值就增大一次,最后达到中心折射率最大的地方。在这以后。和上述完全相同的过程不断重复进行,由此实现了光波的传输。可以看出,光在渐变光纤中会自觉地进行调整,从而最终到达目的地,这叫做自聚焦。
  (五)按光纤的工作波长分:短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。
  短波长光纤是指0.8~0.9μm的光纤;长波长光纤是指1.0~1.7μm的光纤;而超长波长光纤则是指2μm以上的光纤。

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