光缆
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光纤是以光脉冲的形式来传输信号，以玻璃或有机玻璃等为网络传输介质。它由纤维芯、包层和保护套组成。
光缆中心光纤使用光子在一股超高纯硅(在有些情况下为塑料)上传输数字信号。光子在光纤上传送时的阻力可以忽略。根据Codenoll Technologies Corporation的 Michael Coden的说法,硅是如此之纯,以至于由纯化硅组成的4km厚的窗户产生的视觉感受与4mm厚的玻璃窗相同。随着光学系统要求的增加,光缆的纯度变得更为重要。Corning和Lucent的最好光纤除了极少的微量铁元素和其他金属以及氢氧离子外,没有任何其他杂质,而存在氢氧离子是因为光缆中具有水分子。
需要注意的是光学系统在红外线范围内操作,但为了清晰起见,通常使用“光”这个词。
光纤将光从一端引导到另一端。信号在一端由LED(发光二极管)或半导体激光器射入。LED可以产生高达大约300Mbit/s的信号。激光器可以产生几个Gbit/s的信号。LED用于短距离光学链路,如企业骨干网,而激光器用于较长距离的网络。激光器还能产生远程骨干链路所需的更高功率级别。
如下表所示,激光器在接近红外范围的“窗口”中产生光。窗口是为光学传输而优化的红外范围。为了阐明光纤系统所用的术语,ITU最近定义了下列光谱带。这些定义的目的仅仅是为了分类。
图F-5说明光缆的结构。其芯线是光从中传输的透明硅(或塑料)。覆层是包围芯线的玻璃外壳。覆层的作用就像一面镜子,将光反射回芯线中。覆层本身覆盖有一个塑料层,必要时还覆盖有强度材料。
图F-6说明光通过光纤时采用的不同路径,这将取决于光纤的类型。如果芯线粗,且芯线和覆层间有尖锐的跃变,则高阶光线将遵循反射路径,而低阶模式将遵循较直的路径。这会导致有些光线在不同的时间到达源,这种现象称为模式散射,后面将对之进行讨论。色散限制了光纤距离。多模光纤可帮助解决此问题,或者可以像单模式光纤中一样使用小芯线。后面给出的Bell Labs Web站点有一个动画,它演示光在光纤中传输的方式。
塑料芯线光纤用于短程应用,如飞机布线和一些建筑物的布线。本主题的其余部分讲述基于硅的光纤。 硅光纤分为用于短距离连接(LAN、校园网和短程城域网)的多模光纤和用于长距离连接(跨国网络和洲际海底链路)的单模光纤。前者的光源通常是LED,而后者的光源是激光器。长距离光纤光缆通常每条光缆是由100到800根光纤集合在一起而组成的。
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光纤的分类
①按照传输模式来划分：
光纤中传播的模式就是光纤中存在的电磁场场形，或者说是光场场形(HE)。各种场形都是光波导中经过多次的反射和干涉的结果。各种模式是不连续的离散的。由于驻波才能在光纤中稳定的存在，它的存在反映在光纤横截面上就是各种形状的光场，即各种光斑。若是一个光斑，我们称这种光纤为单模光纤，若为两个以上光斑，我们称之为多模光纤。
② 按照纤芯直径来划分：
★50/125(μm) 缓变型多模光纤
★62.5/125(μm) 缓变增强型多模光纤
★8.3/125(μm) 缓变型单模光纤
③ 按照光纤芯的折射率分布来划分：
★阶跃型光纤 (Step index fiber)，简称SIF；
★梯度型光纤 (Graded index fiber)，简称GIF；
★环形光纤 (ring fiber)；
★W型光纤
- 多模光纤
在一定的工作波长下(850nm/1300nm)，有多个模式在光纤中传输，这种光纤称之为多模光纤。这种光纤具有相对大的芯线直径 (50到80µm)以及125µm的直径。阶跃折射率多模光纤在芯线和覆层间具有突然的变化,而渐变折射率多模光纤在芯线和覆层间具有逐渐的变化。前者被限制在大约50Mbit/s范围内而后内者的范围为1Gbit/s。对于渐变光纤,折射量从芯线向外逐渐降低。光在折射率较低的材料中传输的较快。这将导致光在外部材料中比在芯线中传输的快。最终结果是所有的光线趋于同时到达。但这种修正仍然有距离限制。
由于色散或像差，因此，这种光纤的传输性能较差，频带较窄，传输容量也比较小，距离比较短。
- 单模光纤
单模光纤只传输主模，也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输。由于完全避免了模式色散，使得单模光纤的传输频带很宽，因而适用于大容量，长距离的光纤通讯。这种光纤具有小的芯线(7到1Oµm),与多模光纤中的多路径反射相对,这种芯线强制光沿着光缆按照较直的单路径传播。但是,另一种称为色散的散射形式又是一个问题(将在后面讨论)。通常的光源是激光器。这种光纤加工复杂，但具有更大的通信容量和更远的传输距离。
光纤规格以分数的形式列出芯线和覆层的直径。:例如,FDDI(光纤分布式数据接口)的最小建议类型为62.5/125µm多模光纤。这意味着芯线是62.5µm,而芯线和周围的覆层总共是125µm。连接光纤时覆层直径必须相同,这是因为连接器通常参照覆层直径调整芯线。
- 阶跃折射和渐变折射多模光纤的芯线规格通常为50、62.5或100µm。阶跃模式光缆的覆层直径为l25µm。
- 单模光纤的芯线直径通常为7到lOµm ,覆层直径为125µm。
ITU已经定义了一系列建议,它们描述多模和单模光纤的几何属性和传输属性。下面列出四个最重要的建议:
- ITU G.651 讨论具有50µm正常芯线直径和125µm正常覆层直径的多模渐变折射光纤。
- ITU G.652 讨论单模式NDSF(无色散偏移光纤)。20世纪80年代安装的光缆大部分都是这种光缆。传输发生在l310nm范围,此处的信号散射最小。长距离中散射引起信号问题,将在后面对之进行讨论。G.652光纤支持下列距离和数据速率:lOOOkm为2.5Gbit/S, 60km为lOGbit/s,3km为40G/bits。
- ITU G.653 讨论单模色散偏移光纤。这种光纤使用了一种设计方法,旨在“偏移”到散射最小化的区域l550nm波长范围。在这个范围,衰减也被最小化,因此光缆距离可以更长。
- ITUG.655 讨论单模式NZ-DSF(非零色散偏移光纤)光纤,它利用色散特性抑制四波混频的增长。四波混频是一种对WDM(波分复用) 系统有害的效应。NZ-DSF支持高功率信号和更长的距离,以及速率为lOGbit/s或更高的间隔紧密的DWDM(密集WDM)信道。Lucent True Wave是这种光纤的一个实例。它支持下列距离和数据速率:6000km为2.5Gbit/s, 400km为10Gbit/s,25km为40Gbit/s。
G.655是光纤的最新开发成果。特别是G.655为WDM和海底光缆等长距离光缆的运行做了优化。它使用色散,产生了良好的效果。色散有助于减小四波混频(FWM)的效应。当三个波长混合,产生的第四个波长与原始信号重叠并干涉原始信号时,在DWDM系统中就出现了这种效应。
使用DWDM,单根光纤可以传输几千个λ的电路。一个λ就是光窗口内光特定的一个次波长。它具备单个电路的所有功能。λ是使用频分复用设置的。可以将每个λ想象成以lOGbit/s或更高速度传输的红外线的一种特定颜色。光纤复用器将光纤中可用的光谱分成许多单个的λ。例如,Avanex PowerMux可以将800多个信道放在单根光纤上,信道之间的间隙为l2.5GHz。因为每根光纤可能有几千个λ,通信公司向企业出租整个光纤波长也是切实可行的。请参阅“光纤网络”。 DWDM的替换方案是新的光纤调制技术,该技术提升了现有光纤的功能。Kestrel Solution的光纤FDM结合了FDM(频分多路复用)、DSP(数字信号处理)和光纤调制从而改进了现有光纤的性能,特别是在已安装了低质量光纤(由于短距离)的大都市区域和SONET系统。光纤FDM使人们能够完全访问光纤总的带宽。
光纤性能特性
光纤的某些特性限制了它的性能。不同生产商的光纤在这些特性方面可能有所不同。主要的性能限制因素是衰减和散射。
衰减、EBFA和喇曼放大器
衰减是路途中的信号丢失。光脉冲在沿着光纤传输的过程中释放了它们的能量并且逐渐衰减。高幅衰减会导致接收端发生错误。对于城域网,衰减并不是什么问题,但它却限制了远距离骨干网络的距离。有三种类型的设备可以用来克服衰减:
- 电子再生器 这种设备通过首先将光信号转换成电子信号来再生信号。电信号再生后,被转换回光信号,然后射回光纤。由于现代高速光纤网络对电再生的需求,再生器显示效率太低了。在WDM系统中,每个波长需要一个它自己的光电放大器,如果有许多波长的话,这样做将会很昂贵。
- EDFA(含铒的光纤放大器) 此设备是一个放大器而不是一个信号再生器。它直接放大光信号而不需要进行光到电的转换。EDFA包含一小束含铒的光纤和两种信号输入。一种输入是需要放大的光信号。另外一种是来自激光器的光,它激发铒原子以便它们能够放弃光子,这些光子放大进入的光信号光子,如后面所述。对于光的这种神奇“技术”,应感谢艾尔伯特•爱因斯坦。
- EDFA/喇曼放大器结合 喇曼放大器是一个附加组件,它增强了EDFA光学放大器的功能在每一个EDFA放大器那里,喇曼泵以与源信号相反的方向将高功率的激光射入光纤。射入的光子在最需要光信号的地方增强它——在另一端,激光信号在那里经历最大的衰减。喇曼放大可以生成多达1OdB的信号,这样就允许更长距离的光缆传输。它还使得光纤网络可以获取高达40Gbit/s的传输速率。
EDPA对于WDMA系统来说是很关键的,因为单个放大器可以同时放大所有波长。使用旧的电子再生器,每个波长都需要一个再生器,这意味着生每个再生点上需要一整堆再生器。
1550范围(C波段)通常被称为“铒窗口”,因为铒离子的能量级别与C波段光子的能量级别接近。通过受激发射处理,可以诱使铒释放能量中使用该能量放大C波段中的光。其过程如下所术。EDFA放大器将光子置入掺有铒的光纤中。铒原子吸收光子,从而导致电子成为暂时激发状态。当电子衰减时,它释放一种光子并被信号光子吸收。这样,通过光纤的光信号就被放大而没有任何电子转换。
散射
另外一种特性是散射,当光脉冲在光纤中传输时,它使光脉冲变宽。过多的散射会使接收端很难读取信号。当LED或激光器将光发送到多模光纤时,将出现光的一系列波长。有些波长的传输速度与其他波长的速度不同。其结果是扭曲波形,从而导致光缆另一端的信号读取发生错误。渐变折射率光纤旨在使较短波长的延迟最小化。
共有四种类型的散射:
- 材料散射 光纤折射属性的不同导致信号散射。
- 模态散射 发生在多模光纤中。光通过不同的路径穿过光纤,有些路径中的光比其他路径中的光的传输时间更长。渐变光纤可平衡这种效应。
- 色散 媒介中有些波长比其他波长传输的快,所以会发生色散。光纤越长,效果越差,读取信号也越为困难。
- 波导散射 由于芯线和覆层之间的信号速度的不同,在单模光纤中会发生此种散射。它引起色散。
在大多数商业系统中使用的G.652光纤,利用了13lOnm的窗口,在那里色散被最小化。此窗口经常被称为零散射点——在那里波导散射抵消了材料散射,因此色散被最小化。
另一方面,远程运营商有更高的带宽和距离要求,因此更愿意使用在C波段运作的G.653和G.655“色散偏移”光纤。C波段用于DWDM系统,它支持许多数据速率为lOGbit/s及更高的、空隙紧密的信道。现在又使用了两种其他带以提升功能和距离:l460nm到l530nm的S波段和1565到l625nm的L波段。一种较新的方法应用了光孤子技术,可使用此方法来创建一种可环绕半个世界的光纤系统。请参阅“光孤子”。
请注意,许多老的光纤也可以支持DWDM。标准的单模光纤将支持更低数据速率的DWDM。有些旧的色散偏移光纤不能处理DWDM,但是使用1550nm上下窗口的波长也可以使这些光纤像非零散射光纤一样工作。
Corning和Lucent是远距离光缆的主要供应商。Lucent的TrueWave和AllWave光缆是由单模非零散射光纤组成的,它支持所有的波长窗口。TrueWave是专门为光学放大的、高功率的远程DWDM网络设计的,这种网络在C波段和L波段中运作。这两种光纤类型都是使用专利性的净化过程生产的,从而消除了芯线中的水分子并且允许使用更宽的光谱。
Corning的LEAF是旨在用于DWDM系统的单模NZ-DSF光纤。它结合了低衰减和低散射的优点,比非NZ-DSF光纤的效率高百分之三十二。这样就使得网络中更多的信道具有更高的效率,而不会有产生噪音、扭曲信号和降低性能的非线性效应。使用高输出功率的EDFA,它可以以lOGbit/s或更高的速率运作。
Corning的MetroCor光纤是为短距离城区使用的单模NZ-DSF光纤。它不需要功能强大的激光器 (但远距离环境却需要),因此有助于降低配备城区光纤网络所需的成本。
光缆之所以发展迅速，其主要原因是具有以下几个特点：
(1)传输带宽非常宽，通信容量很大；
(2)传输损耗小，中继距离长，特别适用于长距离传输；
(3)抗雷电和抗电磁干扰能力强；
(4)保密性好，不易被窃听或截取数据；
(5)体积小，重量轻；
(6)误码率低，传输可靠性高；
(7)价格正在不断下降。
