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光纤通信技术入门详解

时间:2008-10-24 来源: 作者: 点击:
1 .什么是单模与多模光纤? 单模与多模的概念是按传播模式将光纤分类──多模光纤与单模光纤传播模式概念。我们知道,光是一种频率极高(31014Hz)的电磁波,当它在光纤中传播时,根据波动光学、电磁场以及麦克斯韦式方程组求解等理论发现: 当光纤纤芯的几何尺寸远大
  

1 .什么是单模与多模光纤?

  单模与多模的概念是按传播模式将光纤分类──多模光纤与单模光纤传播模式概念。我们知道,光是一种频率极高(3×1014Hz)的电磁波,当它在光纤中传播时,根据波动光学、电磁场以及麦克斯韦式方程组求解等理论发现:
  当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时,光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播,如TMmn模、TEmn模、HEmn模等等(其中m、n=0、1、2、3、……)。
其中HE11模被称为基模,其余的皆称为高次模。
1)多模光纤
  当光纤的几何尺寸(主要是纤芯直径d1)远远大于光波波长时(约1µm),光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。不同的传播模式具有不同的传播速度与相位,导致长距离的传输之后会产生时延、光脉冲变宽。这种现象叫做光纤的模式色散(又叫模间色散)。
模式色散会使多模光纤的带宽变窄,降低了其传输容量,因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。
多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布即渐变折射率分布。其纤芯直径约在50µm左右。
2)单模光纤
  当光纤的几何尺寸(主要是芯径)可以与光波长相近时,如芯径d1 在5~10µm范围,光纤只允许一种模式(基模HE11)在其中传播,其余的高次模全部截止,这样的光纤叫做单模光纤。
由于它只有一种模式传播,避免了模式色散的问题,故单模光纤具有极宽的带宽,特别适用于大容量的光纤通信。因此,要实现单模传输,必须使光纤的诸参量满足一定的条件,通过公式计算得出,对于NA=0.12 的光纤要在λ=1.3µm以上实现单模传输时,光纤纤芯的半径应≤4.2µm,即其纤芯直径d1≤8.4µm。
由于单模光纤的纤芯直径非常细小,所以对其制造工艺提出了更苛刻的要求。
2 .使用光纤有哪些优点?

1) 光纤的通频带很宽,理论可达30T。
2) 无中继支持长度可达几十到上百公里,铜线只有几百米。
3) 不受电磁场和电磁辐射的影响。
4) 重量轻,体积小。
5) 光纤通讯不带电,使用安全可用于易燃,易暴等场所。
6) 使用环境温度范围宽。
7) 使用寿命长。
3 如何选择光缆


  光缆的选择除了根据光纤芯数和光纤种类以外,还要根据光缆的使用环境来选择光缆的结构和外护套。
1)户外用光缆直埋时,宜选用松套铠装光缆。架空时,可选用带两根或多根加强筋的黑色PE外护套的松套光缆。
2)建筑物内用的光缆在选用时应选用紧套光缆并注意其阻燃、毒和烟的特性。一般在管道中或强制通风处可选用阻燃但有烟的类型(Plenum)或可燃无毒的类型(LSZH),暴露的环境中应选用阻燃、无毒和无烟的类型(Riser)。
3)楼内垂直或水平布缆时,可选用与建筑物内通用的紧套光缆、配线光缆或分支光缆时。
4)根据网络应用和光缆应用参数选择单模和多模光缆,通常室内和短距离应用以多模光缆为主,室外和长距离应用以单模光缆为主。
4 在光纤的连接中,如何选择固定连接和活动连接的不同应用?


  光纤的活动连接是通过光纤连接器实现的。光链路中的一个活动连接点就是一个明确的分割界面。在活动连接和固定连接的选择上,固定连接的优势体现在成本较低、光损耗较小,但灵活性较差,而活动连接与之相反。网络设计时需要根据整条链路情况,灵活选择活动和固定连接的使用,保证既有灵活性,又有稳定性,从而充分发挥各自的优势。活动连接界面是重要的测试、维护、变更的界面,活动连接比固定连接相对容易找到链路中的故障点,为故障器件的更换增加便捷性,从而提高系统维护性和减少维护成本。
5 光纤越来越接近用户终端,“光纤到桌面”的意义和系统设计时需要注意哪些因素?


  “光纤到桌面”在水平子系统的应用中,和铜缆的关系是相辅相成不可或缺的。光纤有其特有的长处,比如传输距离远、传输稳定、不受电磁干扰的影响、支持带宽高、不会产生电磁泄露。这些特点使得光纤在一些特定的环境中发挥着铜缆不可替代的作用:

1) 当信息点传输距离大于100m时,如果选择使用铜缆。必须添加中继器或增加网络设备和弱电间,从而增加成本和故障隐患,使用光纤可以轻易地解决这一问题。

2) 在特定工作环境中(如工厂、医院、空调机房、电力机房等)存在着大量的电磁干扰源,光纤可以不受电磁干扰,在这些环境中的稳定运行。

3) 光纤不存在电磁泄漏,要检测光纤中传输的信号是非常困难的。在保密等级要求较高的地方(如军事、研发、审计、政府等行业)是很好的选择。

4) 对带宽的需求较高的环境,达到了1G以上,光纤是很好的选择。

  光纤的应用正在从主干或机房逐渐延伸到桌面和住宅用户,这就意味着越来越多的不了解光纤特性的用户开始接触到光纤系统。所以设计光纤链路系统和选择产品时,应充分考虑系统当前和未来的应用需求,使用兼容的系统和产品,最大可能地便于维护和管理,适应千变万化的现场实际情况和用户安装需求等。

6 光纤连接器可以被直接端接在250 µm 光纤上吗?


  不可以。松套光缆包含外径为250 µm的裸光纤,这是尺寸非常小,并且很脆弱,是无法对光纤固定、不足以支撑光纤连接器的重量和非常不安全的,直接在光缆上端接连接器,至少需要使用900 µm的紧套层包裹在250 µm的光纤外部,这样才能对光纤提供保护和对连接器形成支撑。
7 FC连接器可以直接与SC连接器连接吗?


  可以,这仅仅是两种不同类型的连接器的不同连接方法。
  如果你需要连接他们,你必须选择混合的转接适配器,使用FC/SC适配器可以分别连接两端的FC连接器和SC连接器。这种方法要求连接器应当都是平面研磨,如果你一定需要连接斜角度(APC)连接器,则必采用第二种防止损伤的方法。
  第二种方法是使用混合跳线和两个连接适配器。混合跳线是指两端使用不同的光纤连接器类型,这些连接器将连接至你需要连接的地方,这样就可以在配线面板中使用通用的适配器与系统相连,但是对系统衰减预算带来一个连接器对的增加量。
8 光纤的固定连接包括机械式光纤接续和热熔接,那么机械式光纤接续和热熔接的选用原则有哪些?


  机械式光纤接续俗称为光纤冷接,是指不需要热熔接机,通过简单的接续工具、利用机械连接技术实现单芯或多芯光纤永久连接的光纤接续方式。总的来说,对小芯数多地点分散的光纤进行接续时,宜采用机械接续取代热熔接。
  机械式光纤接续技术早期经常被应用在线路抢修、特殊场合的小规模应用等工程实践当中。近年来随着光纤到桌面和光纤到户( FTTH)在的大规模部署,人们认识到机械式光纤接续作为一种重要的光纤接续手段的意义。
  对于具有用户数量大而地点分散的特点的光纤到桌面和光纤到户应用,当用户规模到一定程度后,施工复杂程度和施工人员和熔接机无法满足用户开通服务的时间要求。机械式光纤接续方式由于操作简单,人员培训周期短,设备投资小等特点,为光纤大规模部署提供了成本效益最高的光纤接续解决方案。比如楼道高处、狭小空间内,照明不足、现场取电不方便等场合,机械式光纤接续为设计、施工和维护人员提供了一个方便、实用、快捷、高性能的光纤接续手段。
9 在光纤到户系统中对光缆接头盒的要求与电信运营商户外线路中所使用的光缆接头盒有什么不同?


  首先,在光纤到户系统中,需要按照实际需要,在接头盒内预留分光器的安装和端接、容纳、保护进出分光器的跳线的位置。因为实际情况是分光器可能位于光缆接头盒、光缆交接箱、配线箱、ODF等设施中,并在其中进行光缆的端接和分配。
  其次,对于住宅小区,光缆接头盒更多的是采用埋地的方式进行安装,所以对光缆接头盒的埋地性能要求更高。
另外,在光纤到户项目中,可能需要考虑大量小芯数光缆的进出。
10 普通层绞式光缆施工的应注意什么?


1) 光缆施工要严格按照施工的规范进行;
2) 光缆转弯时,其转弯半径要大于光缆自身直径的15-20倍,如架空光缆在上下杆塔时,应当尽量减小弯曲的角度,同时给光缆盘施加助力,减少光缆的防线张力;
3) 光缆布放前,应对施工及相关人员就施工应注意的事项进行适当的培训,如放线方法要领和安全等内容,并确保施工人员服从指挥;
4) 应安排相关人员分布在光缆盘放线处、穿越障碍点、地形拐弯处等处,以便及时发现问题,排除故障,控制放线中的速度,并减小放线盘的张力;
5) 光缆布放过程如遇到障碍,应停止拖放,及时排除。不能用大力拖过,否则会造成光缆损伤;
6) 光缆放线时,张力要稳定,不能超过光缆标准的要求拉力。
7) 光缆在受到大张力,以小角度通过弯曲半径很小的滑轮或有棱角的坚硬表面时,会使光缆局部受到远大于额定值的侧压力,使光缆内部结构受到破坏,严重时造成断纤。
8) 光缆的施工单位应不断总结经验,努力提高施工质量,预防类似施工事故的发生。
11 家居配线箱散热问题如何解决?


  当配线箱内包含有光纤插座和光纤网络终端设备(如:EPON、GPON、GEPON、光纤交换机等等)时,就会遇到散热问题。根据热学的基础知识可知,热的传递方式有三种:热传导、热对流和热辐射。对于信息终端箱而言,比较理想的方式是热传导。可是为了美观,这些信息终端箱体基本上都设计成为嵌墙式,五面均无法散热,只有正面的箱盖还有散热的可能,这时就需要在箱体设计上充分考虑热传导的通道,利用箱盖的金属壳体为有源设备提供散热的“散热片”。
12 光纤配线网络的节能体现在那些方面?

1) 由于光纤提供了长距离的传输能力,使得多楼层的布线能集中端接于一个配线间进行集中布线。集中布线的方式可以减少配线间占用的建筑面积、减少配线间装修费用、减少机柜和后备电源成本;
   2) 设备的集中放置能够提高端口利用率,使网络管理和控制更方便,系统安全性更强;
   3) 由于集中布线减少了接点,所以可以提高网络稳定性、方便维护和降低维护成本,使故障处理更快速,缩短系统故障的历时,从而相应的增强工作效率,增加收入,使客户更满意。
   4) 光网络设备的耗电量比铜缆网络设备要低很多倍;
   5) 光缆制造所使用的自然资源;
   6) 小型化线缆和连接器带来的占用的空间降低从而提高机房制冷效率,降低能源消耗和减少由能源消耗而产生的对环境的影响等方面都使得光纤系统显得更加“绿色”,

  当然,更为重要的依旧是,光纤系统可以更为适应未来各种网络应用的需求,从而真正做到“以逸待劳”,提高资源利用率和降低整体投资成本。

13 如何保障无源光网络的安全运行?


  随着无源光网络逐步向单体建筑和建筑楼群渗透,单体建筑和建筑楼群中的综合布线系统结构也将会相应的发生变化,以更加适应网络设备的应用需求。
不过,需要注意的是终端设备的电源提供。假设水平配线子系统借助于EPON同时传输计算机网络和电话,那么一旦工作区断电,大多会造成电话同时被切断。这对于用户来说几乎是不能被接受的。为了通信的畅通,应当考虑对用户端的通信设施采用远端集中供电的方式。
14 光纤清洁的主要方式。


  通常使用的方法是酒精和无纺布清洁方式,可以选择普通工业酒精,用无纤绵纸或无纺布擦拭。
另外还可以选择光纤清洗液,专业的光纤清洗液具有无毒、无味、阻燃、绝缘、挥发迅速等特点,价格比酒精高,适合于在已经投入使用的机房内使用,以及对环境要求比较高的场合。
15 光纤产品已经带有了防尘盖,为什么在测试和使用前还需要清洁?

  光纤连接器、跳线、尾纤以及适配器在出厂时都会带有防尘帽。防尘帽的作用除了保证连接器清洁之外,更主要的目的是为了保护光纤连接器端面,避免直接接触连接器端面而损坏连接器。只有在安装、测试、使用时才可将防尘帽除去。一但除去防尘帽,该光纤连接器必须与另一个清洁后的光纤连接器耦合。

  因此,会产生错误的认为,“有防尘帽保护,使用前就不需要进行清洁”。

  因为不能够确定在盖上防尘帽之前,端面是否清洁,另外防尘帽本身也并一定是洁净的。良好的施工习惯是,即时有防尘帽存在,也需要对光纤连接器进行清洁。当测试完毕一条光纤链路之后,请立即安装防尘帽,否则链路在使用前必须重新测试。

16 光纤测试时,为何要用专门的参考跳线来设置参考值?


  测试结果的准确与否,和参考值的设置有着密不可分的关系。如果参考值设置不当,会使测试结果不准确或者产生负值。建议的方法是,在设置参考值时需要使用参考光跳线及适配器。
  在TIA/EIA 568-B.3以及ISO 11801标准中,对一个光纤耦合的损耗要求为小于0.75dB。大部分的制造厂商所生产的光纤跳线和适配器性能都可以满足甚至超过这一要求。但是,许多人不知道的是,对于参考跳线和适配器,标准有着特别的要求。在IEC 14763-3标准中规定,参考跳线和适配器在使用时,多模光纤耦合损耗小于0.1dB,单模光纤小于0.2dB。常规的光纤跳线根本是无法满足这一要求的。所以,建议向制造厂商和测试仪器厂商购买特制的参考跳线来进行测试。
  设置参考值时,需要采用氧化锆陶瓷套管材料的光纤适配器,以获得最佳的耦合效果。常规的做法是,无论测试多模还是单模光纤链路,都用单模光纤适配器来设置参考值,以获得最佳的耦合效果。
17 在做光纤链路损耗测试时,测试仪开机预热的重要性何在?


  通常情况下,光源模块的温度越高,其发出的光源功率值将越大。在测试过程中,光源模块需要一段时间预热,才能够使发送的光源功率值达到稳定。如果在光源模块预热前设置参考值,随着光源模块温度的上升,测试结果将会产生增益,从而影响测试结果的准确性。
  举例来说,比如最初设置参考值时,光功率计接受并存储的功率值为-6.00dB。这时候,在维持参考值设置模型,不加入被测链路的情况下直接进行测试,应该得到0.00dB的测试结果。但是,光功率模块经过预热后,发出的功率将会加大,功率计接收到的功率值可能上升为-6.20dB。这时再进行测试,将得到-0.2dB的增益。
光源模块预热的时间与测试环境的温度相关。检验光源模块是否达到稳定的方法很简单,只要再完成参考值设定后,对参考值模型进行测试,得出的测试值在-0.04dB~0.04dB之间就是可以接受的;如果超出这一数值,则需要再等待一会儿,重新设置参考值。
18 测试损耗时,为何会出现负值?难道被测链路不但没有损耗,还产生了增益?


  当测试单模光纤链路时,假如被测链路的长度小于100m,并且整条链路采用尾纤熔接方式接续,那么整条链路的损耗可能只有0.15dB。在这种情况下,光源模块预热时间不够,测试环境温度的大幅变化,参考跳线与测试仪表的耦合效果,参考值设定的不够精确等情况都有可能使得测试结果得到负值,比如-0.03dB。这个时候,需要让机器充分预热,并且重新设置参考值。
19 不合格链路的故障排除有那些方法?


1)如无光功率,大多为连接错误,可使用可视故障检测仪或在线测量光功率查线、纠错。检查光设备与终端盒、配线架之间的跳线连接是否正确;终端盒、配线架内,尾纤熔接是否正确;尾纤光纤连接器对应的适配器是否正确;光缆接续盒内,光缆、尾缆熔接是否正确等。
2)光纤断裂,在近处可以眼观、手摸;远处则根据纪录,用OTDR、可视故障检测仪查找断裂处。
3)光功率低,为接触不良,主要体现在以下原因:光连接器,常因结构不精密、环境不清洁、接插不彻底,造成接触不良:事先应选择结构精密插入损耗小的光连接器;施工时应十分注意工作环境的清洁和操作者手的清洁;接插前,光纤连接器、适配器的防尘帽不可移除;接插时,要先清洁、后接插。如果确认是某个光连接器接触不良,只处理跳线的光纤连接器又不见效时,最好能将设备内的光纤连接器拔下来清洁,同时清洁光适配器的陶瓷套筒。对准插槽接插时,一定要连接到指定位置;光连接器的工作环境,应低粉尘、无油污。建议正常运行的光纤配线网络,至少每半年,应清洁一次光连接器。
4)微弯损耗。光纤、跳线、尾纤如有弯折,将造成损耗增大,这种现象对1310nm光纤影响较轻、1550nm较重。为了避免与减少造成对光纤链路的损耗,施工时,严格注意光纤、跳线、尾纤顺畅、自然,不允许产生小于弯曲半径的弯折;查找故障时,近处用眼观察,远处则用OTDR查找损耗突变处;如果遇到室外光缆线路,沿线缆观察,光缆、尾缆有无弯折,接续盒、光节点的光缆、尾缆有无脱出。
5)光纤损耗大。极个别光纤,经反复查找,无外部故障,说明这根光纤损耗过大,只能更换为备用光纤。

如果测试得到的损耗值超出极限值,可以通过以下几方面来排除故障。
1) 重新清洁所有被测链路以及参考跳线的连接器端面。重新连接,确保所有的连接器完全插入光纤适配器中。
2) 检查光缆和跳线的弯曲半径是否符合标准要求。特别是光纤箱内的缆,是否弯曲半径过小。
3) 重新测试,如果还无法通过,熔接方式接续的重新进行尾纤熔接,端接方式则更换连接头。再进行新的测试。
4) 如果还没法通过,可能是光纤光缆本身受损。
20 光缆链路产生连接故障原因在哪儿?

1)如无光功率,大多为连接错误,可使用可视故障检测仪或在线测量光功率查线、纠错。检查光设备与终端盒、配线架之间的跳线连接是否正确;终端盒、配线架内,尾纤熔接是否正确;尾纤光纤连接器对应的适配器是否正确;光缆接续盒内,光缆、尾缆熔接是否正确等。

2)光纤断裂,在近处可以眼观、手摸;远处则根据纪录,用OTDR、可视故障检测仪查找断裂处。

3)光功率低,为接触不良,主要体现在以下原因:光连接器,常因结构不精密、环境不清洁、接插不彻底,造成接触不良:事先应选择结构精密插入损耗小的光连接器;施工时应十分注意工作环境的清洁和操作者手的清洁;接插前,光纤连接器、适配器的防尘帽不可移除;接插时,要先清洁、后接插。如果确认是某个光连接器接触不良,只处理跳线的光纤连接器又不见效时,最好能将设备内的光纤连接器拔下来清洁,同时清洁光适配器的陶瓷套筒。对准插槽接插时,一定要连接到指定位置;光连接器的工作环境,应低粉尘、无油污。建议正常运行的光纤配线网络,至少每半年,应清洁一次光连接器。

4)微弯损耗。光纤、跳线、尾纤如有弯折,将造成损耗增大,这种现象对1310nm光纤影响较轻、1550nm较重。为了避免与减少造成对光纤链路的损耗,施工时,严格注意光纤、跳线、尾纤顺畅、自然,不允许产生小于弯曲半径的弯折;查找故障时,近处用眼观察,远处则用OTDR查找损耗突变处;如果遇到室外光缆线路,沿线缆观察,光缆、尾缆有无弯折,接续盒、光节点的光缆、尾缆有无脱出。

5)光纤损耗大。极个别光纤,经反复查找,无外部故障,说明这根光纤损耗过大,只能更换为备用光纤。

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