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光纤

光纤

又名:光导纤维,OpticalFiber,Fiber
分类: 光通讯
属性: 技术
最后修改时间: 2024年05月31日
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光纤是光导纤维(OF:Optical Fiber)的简称。但光通信系统中常常将 Optical Fiber(光纤)又简化为 Fiber,是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。

       2022年,单晶有机金属钙钛矿光纤首次制成。2023年5月,中国科学家实现千公里无中继光纤量子密钥分发。6月,中国科学家成功实现508公里光纤量子通信

光纤简介

  微细的光纤封装在塑料护套中,使得它能够弯曲而不至于断裂。通常,光纤的一端的发射装置使用发光二极管(light emitting diode,LED)或一束激光将光脉冲传送至光纤,光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

  在日常生活中,由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多,光纤被用作长距离的信息传递。

  通常光纤与光缆两个名词会被混淆.多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆.光纤外层的保护结构可防止周围环境对光纤的伤害,如水,火,电击等.光缆分为:光纤,缓冲层及披覆.光纤和同轴电缆相似,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, 大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8μm~10μm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套, 以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套,用来保护封套。光纤通常被扎成束,外面有外壳保护。 纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体,它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。   

发展历史

发明

  1870年的一天,英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理,他做了一个简单的实验:在装满水的木桶上钻个孔,然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到,放光的水从水桶的小孔里流了出来,水流弯曲,光线也跟着弯曲,光居然被弯弯曲曲的水俘获了。

  人们曾经发现,光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输;人们还发现,光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢?难道光线不再直进了吗?这些现象引起了丁达尔的注意,经过他的研究,发现这是光的全反射 [2]的作用,由于水等介质密度比周围的物质(如空气)大,即光从水中射向空气,当入射角大于某一角度时,折射光线消失,全部光线都反射回水中。表面上看,光好像在水流中弯曲前进。

  后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维,当光线以合适的角度射入玻璃纤维时,光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线,所以称它为光导纤维。

大事记

  1880年,AlexandraGrahamBell发明光束通话传输。

  1960年,电射及光纤之发明。

  1960年,玻璃纤维的传输损耗大于1000dB/km,其他材料包括光圈波导、气体透镜波导、空心金属波导管等。

  1966年,七月,英籍、华裔学者高锟博士(K.C.Kao)在PIEE 杂志上发表论文《光频率的介质纤维表面波导》,从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性,并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性。

  1970年,美国康宁公司三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克用改进型化学相沉积法(MCVD 法)成功研制成传输损耗只有20dB/km的低损耗石英光纤。

  1970年,美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的砷化镓半导体激光器

  1972年,传输损耗降低至4dB/km。

  1974年,美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法――CVD法(化学气相沉积法),使光纤传输损耗降低到1.1dB/km。

  1976年,美国在亚特兰大的贝尔实验室地下管道开通了世界上第一条光纤通信系统的试验线路。采用一条拥有144个光纤的光缆以44.736Mbps的速率传输信号,中继距离为10 km。采用的是多模光纤,光源用的是发光管LED,波长是0.85微米的红外光。

  1976年,传输损耗降低至0.5dB/km

  1977年,贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时(实用中10年左右)的半导体激光器。

  1977年,世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用,速率为45Mb/s。

  1977年,首次实际安装电话光纤网路。

  1978年,FORT在法国首次安装其生产之光纤电。

  1979年,赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤,被誉为“中国光纤之父”。

  1979年,传输损耗降低至0.2dB/km。

  1980年,多模光纤通信系统商用化(140Mb/s),并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。

  1990年,单模光纤通信系统进入商用化阶段(565Mb/s),并着手进行零色散移位光纤和波分复用相干通信的现场试验,而且陆续制定数字同步体系(SDH)的技术标准。

  1990年,传输损耗降低至0.14dB/km,已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km。

  1990年,区域网络及其他短距离传输应用之光纤。

  1992年,贝尔实验室与日本合作伙伴成功地试验了可以无错误传输9000公里的光放大器,其最初速率为5Gbps,随后增加到10Gbps。

  1993年,SDH产品开始商用化(622Mb/s 以下)。

  1995年,2.5Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。

  1996年,10Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。

  1997年,采用波分复用技术(WDM)的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH产品试验取得重大突破。

  2000年,到屋边光纤=>到桌边光纤。

  2005年,3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通。

  2005年,FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭。

  2021年,分布式光纤传感技术应用展示会在北京召开。光纤,不只是传输信号的“血管”,如今,也成为监测信号的“神经”。

  2023年5月,从中国信科集团光通信技术和网络全国重点实验室(以下简称光全重)获悉,继2022年10月实现全球首次3.03Pbit/s单模19芯光纤传输系统实验后,该实验室又实现了总传输容量4.1Pbit/s,净传输容量3.61Pbit/s的单模19芯光纤传输系统实验,相比去年的纪录,传输容量提升近40%。

  2023年5月,中国科学家实现千公里无中继光纤量子密钥分发。不仅创下了光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录,也提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。

光纤传输优点

  直到1960年,美国科学家Maiman发明了世界上第一台激光器后,为光通讯提供了良好的光源。随后二十多年,人们对光传输介质进行了攻关,终于制成了低损耗光纤,从而奠定了光通讯的基石。从此,光通讯进入了飞速发展的阶段。

  光纤传输有许多突出的优点:

  1.频带宽

  频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高,可以传输信号的频带宽度就越大。在VHF频段,载波频率为48.5MHz~300Mhz。带宽约250MHz,只能传输27套电视和几十套调频广播。可见光的频率达100000GHz,比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗,使频带宽度受到影响,但在最低损耗区的频带宽度也可达30000GHz。目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分(多模光纤的频带约几百兆赫,好的单模光纤可达10GHz以上),采用先进的相干光通信可以在30000GHz范围内安排2000个光载波,进行波分复用,可以容纳上百万个频道。

  2.损耗低

  在同轴电缆组成的系统中,最好的电缆在传输800MHz信号时,每公里的损耗都在40dB以上。相比之下,光导纤维的损耗则要小得多,传输1、31um的光,每公里损耗在0.35dB以下若传输1.55um的光,每公里损耗更小,可达0.2dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍,使其能传输的距离要远得多。此外,光纤传输损耗还有两个特点,一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗,不需要像电缆干线那样必须引人均衡器进行均衡;二是其损耗几乎不随温度而变,不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。

  3.重量轻

  因为光纤非常细,单模光纤芯线直径一般为4um~10um,外径也只有125um,加上防水层、加强筋、护套等,用4~48根光纤组成的光缆直径还不到13mm,比标准同轴电缆的直径47mm要小得多,加上光纤是玻璃纤维,比重小,使它具有直径小、重量轻的特点,安装十分方便。

  4.抗干扰能力强

  因为光纤的基本成分是石英,只传光,不导电,不受电磁场的作用,在其中传输的光信号不受电磁场的影响,故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此,在光纤中传输的信号不易被窃听,因而利于保密。

  5.保真度高

  因为光纤传输一般不需要中继放大,不会因为放大引人新的非线性失真。只要激光器的线性好,就可高保真地传输电视信号。实际测试表明,好的调幅光纤系统的载波组合三次差拍比C/CTB在70dB以上,交调指标cM也在60dB以上,远高于一般电缆干线系统的非线性失真指标。

  6.工作性能可靠

  我们知道,一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多,发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器),可靠性自然也就高,加上光纤设备的寿命都很长,无故障工作时间达50万~75万小时,其中寿命最短的是光发射机中的激光器,最低寿命也在10万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。

  7.成本不断下降

  目前,有人提出了新摩尔定律,也叫做光学定律(Optical Law)。该定律指出,光纤传输信息的带宽,每6个月增加1倍,而价格降低1倍。光通信技术的发展,为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富,随着技术的进步,成本还会进一步降低;而电缆所需的铜原料有限,价格会越来越高。显然,今后光纤传输将占绝对优势,成为建立全省、以至全国有线电视网的最主要传输手段。 

光纤结构原理

  光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成。内层为光内芯,直径在几微米至几十微米,外层的直径0.1~0.2mm。一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%。根据光的折射和全反射原理,当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时,光线透不过界面,全部反射。这时光线在界面经过无数次的全反射,以锯齿状路线在内芯向前传播,最后传至纤维的另一端。这种光导纤维属皮芯型结构。若内芯玻璃折射率是均匀的,在界面突然变化降低至外层玻璃的折射率,称为阶跃型结构。如内芯玻璃断面折射率从中心向外变化到低折射率的外层玻璃,称为梯度型结构。外层玻璃具有光绝缘性和防止内芯玻璃受污染。另一类光导纤维称自聚焦型结构,它好似由许多微双凸透镜组合而成,迫使入射光线逐渐自动地向中心方向会聚,这类纤维中心的折射率最高,向四周连续均匀地减少,至边缘为最低。 

光纤的种类:

A.按光在光纤中的传输模式可分为:单模光纤和多模光纤。

  多模光纤: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:中心玻璃芯较细(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,但其色度色散起主要作用,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。

B.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:光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上,如1300nm。
色散位移型:光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上,如:1300nm和1550nm。 

C.按折射率分布情况分:突变型和渐变型光纤。

  突变型:光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低,模间色散高。适用于短途低速通讯,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。
渐变型光纤:光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小,可使高模光按正弦形式传播,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。 

通信光纤主要分类:

1)传输点模数类

  传输点模数类分单模光纤(Single Mode Fiber)和多模光纤(Multi Mode Fiber)。单模光纤的纤芯直径很小, 在给定的工作波长上只能以单一模式传输,传输频带宽,传输容量大。多模光纤是在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输的光纤。 与单模光纤相比,多模光纤的传输性能较差。

2)折射率分布类

  折射率分布类光纤可分为阶跃(SI)型光纤和渐变(GI)型光纤两种。跳变式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。 在纤芯和保护层的交界面,折射率呈阶梯型变化。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小, 在纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物线。。GI型的折射率以纤芯中心为最高,沿向包层徐徐降低。从几何光学角度来看,在纤芯中前进的光束呈现以蛇行状传播。由于,光的各个路径所需时间大致相同。所以,传输容量较SI型大。SI型MMF光纤的折射率分布,纤芯折射率的分布是相同的,但与包层的界面呈阶梯状。由于SI型光波在光纤中的反射前进过程中,产生各个光路径的时差,致使射出光波失真,色激较大。其结果是传输带宽变窄,目前SI型MMF应用较少。 

光纤的模式-单模与多模光纤

  光纤可以支持一个或几个(有时甚至许多) 传导模式 ,这些模式的强度分布位于纤芯及其周围,不过也会有一些光强在包层中传导。此外,还有众多的包层模 ,它们并没有被约束在纤芯周围。通常包层模传输一小段距离后就会损耗掉,但是在某些情况下也可以传输更长的距离。在包层外通常还有一个起保护作用的聚合物涂覆层,它能够改进光纤的机械强度、防止潮湿、并确保包层模具有一定的损耗。这些涂覆层可由如丙烯酸酯,硅树脂或聚酰亚胺等材料组成。

单模和多模光纤的重要的区别是:

  单模光纤这是指在工作波长中,只能传输一个传播模式的光纤,通常简称为单模光纤(SMF:Single ModeFiber)。目前,在有线电视和光通信中,是应用最广泛的光纤。由于,光纤的纤芯很细(约10pm)而且折射率呈阶跃状分布,当归一化频率V参数<2.4时,理论上,只能形成单模传输。另外,SMF没有多模色散,不仅传输频带较多模光纤更宽,再加上SMF的材料色散和结构色散的相加抵消,其合成特性恰好形成零色散的特性,使传输频带更加拓宽。SMF中,因掺杂物不同与制造方式的差别有许多类型。凹陷型包层光纤(DePr-essed Clad Fiber),其包层形成两重结构,邻近纤芯的包层,较外倒包层的折射率还低。另外,有匹配型包层光纤,其包层折射率呈均匀分布。。

  多模光纤有更大的纤芯和(或)更大的纤芯包层折射率差,因此它们支持不同强度的分布的多种模式。多模光纤将光纤按工作波长以其传播可能的模式为多个模式的光纤称作多模光纤(MMF:MUlti ModeFiber)。纤芯直径为50pm,由于传输模式可达几百个,与SMF相比传输带宽主要受模式色散支配。由于MMF较SMF的芯径大且与LED等光源结合容易,在众多LAN中更有优势。所以,在短距离通信领域中MMF仍在重新受到重视。

  长距离光纤通信系统通常使用单模光纤,因为不同的模式有不同群速度,在高速数据传输时将导致信号失真( 见模间色散 ) 。但是对于较短距离的数据传输,使用多模光纤能降低对光源和准直器件的要求。因此,在局域网( LANs )中 ,除非需要提供非常高的带宽,通常使用的多模光纤。

  单模光纤通常也用于光纤激光器和放大器 。多模光纤常用于当光源的光束质量比较低且(或)需要大模场面积以传递高功率激光时的传输。

  光纤中不同的模式可以通过多种效应发生耦合,如弯曲或不规则的折射率分布。它们可能是无意引入的,也可能是有意引入的,如光纤布喇格光栅 。波导理论表明,波数差是影响不同模式之间耦合的重要因素,要实现有效的耦合,它必须与导致耦合的扰动的空间频率相匹配。 

光纤系统的运用

  多股光导纤维做成的光缆可用于通信,它的传导性能良好,传输信息容量大,一条通路可同时容纳数十人通话;可以同时传送数十套电视节目,供自由选看。光导纤维内窥镜可导入心脏和脑室,测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、体温等。用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用,并可用作光敏法治癌。

  光导纤维可以把阳光送到各个角落,还可以进行机械加工。计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像。如与敏感元件组合或利用本身的特性,则可以做成各种传感器,测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色等。在能量传输和信息传输方面也获得广泛的应用。

  高分子光导纤维开发之初,仅用于汽车照明灯的控制和装饰。现在主要用于医学、装饰、汽车、船舶等方面,以显示元件为主。在通信和图像传输方面,高分子光导纤维的应用日益增多,工业上用于光导向器、显示盘、标识、开关类照明调节、光学传感器等,同时也用在装饰显示、广告显示。 

光网络的结构

  光网络的基本结构类型有星形、总线形(含环形)和树形等3种,可组合成各种复杂的网络结构。光网络可横向分割为核心网、城域/本地网和接入网。核心网倾向于采用网状结构,城域/本地网多采用环形结构,接入网将是环形和星形相结合的复合结构。光网络可纵向分层为客户层、光通道层(OCH)、光复用段层(OMS)和光传送段层(OTS)等层。两个相邻层之间构成客户/服务层关系。

  客户层:由各种不同格式的客户信号(如SDH、PDH、ATM、IP等)组成.

  光通道层:为透明传送各种不同格式的客户层信号提供端到端的光通路联网功能,这一层也产生和插入有关光通道配置的开销,如波长标记、端口连接性、载荷标志(速率、格式、线路码)以及波长保护能力等,此层包含OXC和OADM相关功能.

  光复用段层:为多波长光信号提供联网功能,包括插入确保信号完整性的各种段层开销,并提供复用段层的生存性,波长复用器和高效交叉连接器属于此层.

  光传送段层:为光信号在各种不同的光媒体(如G.652、G.653、G.655光纤)上提供传输功能,光放大器所提供的功能属于此层。

  从应用领域来看,光网络将沿着"干线网→本地网→城域网→接入网→用户驻地网"的次序逐步渗透。 

特殊类型的光纤

  所谓的双包层光纤有一个单模纤芯和一个多模的内包层,内包层用于传输高功率光纤激光器或放大器的泵浦光。

  保偏光纤有各种类型,但基本上都是通过引入高双折射来实现的 。线偏振光的偏振方向与光纤一个双折射轴方向相同时,其在光纤中传输可以保持初始的偏振状态。此外还有单偏振光纤(起偏光纤),它的一个偏振方向具有很高的损耗。

  光子晶体光纤又称微结构光纤或多孔光纤,是一种特殊类型的光纤。这种光纤常由单一材料构成(通常是石英),包含非常小的空气孔(直径可在1 μm以下),这种光纤可利用堆砌毛细管形成带孔的预制棒进行制造。通过改变空气孔的排布方式,光纤可具有非常不同的特性,例如:

•非常大或小模场面积,从而导致极弱或极强的非线性 ;
•在非常大的波长范围单模传导( 无截止单模光纤 )
•把光场主要约束在空气孔中传导( 空气传导光子带隙光纤 )
•不寻常的色散特性,如在可见光区域实现反常色散

  目前光子晶体光纤已在广泛的应用领域获得关注,包括特殊的非线性光纤设备,工作在短波长区域的孤子光纤激光器和高功率光纤放大器

  虽然大多数光纤纤芯由各种二氧化硅(例如锗硅酸盐玻璃或铝硅酸盐玻璃)构成 ,但也可以使用其他的玻璃材料,如:

•磷酸盐玻璃主要用于光纤放大器和激光器 (由于不易发生淬灭,可以可实现稀土离子的高浓度掺杂)
•硫系玻璃(硫化物,碲化物或硒化物玻璃)具有小声子能量,主要用于中红外应用
•氟化物玻璃也具有小声子能量,用于中红外和上转换激光器

  低成本多模光纤可采用廉价的聚合物材料塑料光纤 ,POF),这种光纤能够采用简单的挤压方法制造,即使在大直径的情况下仍具有较高的耐用性和灵活性。塑料光纤常用于中等速率的光数据传输,预计将在消费市场(如家庭网络)、汽车和飞机制造业等领域中得到广泛应用。现在即使是光子晶体光纤也可以利用聚合物制造。一些聚合物光纤还可用于传输太赫兹波。

  在某些情况下,光纤可采用某些晶体材料如蓝宝石制成。但这些光纤通常不灵活,可以被看作是使用波导传播细柱(中心可以有或没有纤芯结构) 。它们可用于极高功率光纤激光器和放大器 。 

光纤生产方法

  ①管棒法:将内芯玻璃棒插入外层玻璃管中(尽量紧密),熔融拉丝;

  ②双坩埚法:在两个同心铂坩埚内,将内芯和外层玻璃料分别放入内、外坩埚中;

  ③分子填充法:将微孔石英玻璃棒浸入高折射率的添加剂溶液中,得所需折射率分布的断面结构,再进行拉丝操作,它的工艺比较复杂。在光导纤维通信中还可用内外气相沉积法等,以保证能制造出光损耗率低的光导纤维。光导纤维应用时还要做成光缆,它是由数根光导纤维合并先组成光导纤维芯线,外面被覆塑料皮,再把光导纤维芯线组合成光缆,其中光导纤维的数目可以从几十到几百根,最大的达到4000根。

光纤之父

  光纤之父——高锟

  前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想,高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。高锟从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性,并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性。被誉为“光纤之父”。

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