光缆传输网络的构建和优化

光缆（Fiber Cable）是光导纤维电缆的简称。光纤通信就是利用光纤传递光脉冲来进行通信。光载波的调制通常采用ASK振幅键控的形式，也称为亮度调制（Intensity Modulation）。以光的出现和消失来表示两个二进制数字。有光脉冲时，相当于1，没有光脉冲时，相当于0。由于可见光的频率非常高，约为10⁸MHz的数量级。因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其他各种传输介质通信系统的传输带宽。

光缆传输具有传输损耗低、传输速率高、频带宽、无电磁干扰、保密性高、尺寸小和重量轻等显著特点，因此是近年来发展最快的传输介质之一。

石英玻璃是光传输损耗最低的材料，由透明度非常高的石英玻璃可以拉成直径为8～10μm柔软的细丝，用这种纤维细丝传导光线，可以得到最低的传播损耗。光纤芯的外围包层是一种低折射率的媒体。当光线从高折射率n₁的光纤芯射向低折射率n₂的包层时（n₁＞n₂），其折射角将大于入射角，这个过程不断重复，光线就会沿着光纤传输下去，如图4-82所示。

光纤传输损耗较小的激光波段位于0.85μm，比0.85μm波段损耗更小的波段是1.30μm，传输损耗最小的波段是1.55μm。这三个波段称为“光纤之窗”。1.30μm波段的最低传输损耗可达0.5dB/公里；1.55μm波段的最低传输损耗可达0.2dB/公里（即每公里损耗4.6%）。这三个波段都具有25000～30000GHz的带宽，通信容量非常之大。

图4-82 光波在光纤芯中的传播

激光波束在光纤中的传播速度v=光速C/光纤的折射率n₁，也就是说，仅为真空中光速的1/n₁。玻璃中的n₁≈33%，所以比光速慢33%。

脉冲调制的激光波束在光纤中的传输速度称为群速度（Group Velocity），v_g=Ccosθ/n，θ为光束的入射角。

模就像形状和速度各异的汽车，如图4-83所示。单模光纤尽管群速度并非仅一个，但各模都能同时到达目的地；多模光纤的各模则出现弥散到达，称为模色散。图4-84表示了多模光纤与单模光纤传输速度的区别。多模光纤中的模色散，一并接收总模的光强时，会造成信号波形展宽。图4-85是多模光纤和单模光纤传输波形的比较。

在入射端激励很多模时，光纤芯内可以存在许多条不同入射角度的光线。在一条光纤中可以同时传输多条光线的光纤称为多模光纤。

图4-83 模就像形状和速度各异的汽车

图4-84 多模光纤与单模光纤传输速度的比较

a）多模光纤的比拟 b）单模光纤的比拟

由于光纤非常细，其直径不到0.2mm，通常一根光缆中可包括数十根至数百根光纤，再加上加强芯和填充物，就可大大提高其机械强度。有的光缆还放入远距离供电线缆。光缆的最外层是包带层和外护套，它的抗拉强度完全可以满足工程施工的强度要求。(www.xing528.com)

实际上，只要从光纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于临界角度，光线就可产生全反射。光纤芯内可以存在许多条不同入射角度的光线，如图4-85a所示。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合近距离（几公里）传输。如果把光纤的直径减小到只有一个光波波长，那么光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播下去，而不会产生光线反射。这样的光纤称为单模光纤，如图4-85b所示。单模光纤的纤芯很细，直径只有几微米，制造起来成本较高。但单模光纤的传播衰减很小，在2.5Gbit/s的高速率下，可传输数十公里而不必采用中继器。图4-86是光缆的基本结构。

图4-85 多模光纤和单模光纤传输的区别

a）多模光纤 b）单模光纤

图4-86 光缆的基本结构

a）层绞式 b）单位式 c）带状 d）骨架式 e）软线式

光导纤维系统使用两种不同类型的光源：发光二极管（Light Emitting Diode，LED）和注入型激光二极管（Injection Laser Diode，ILD）。LED价格较低，可在较大温度范围内工作和需要较长的工作周期，用于多模光纤通信。ILD的光电转换效率高，有很高的数据传输率，但价格较高，主要用于单模光纤通信。

接收端的光波检测器是一个光敏二极管，它把光波转换为电信号输出，也有两种类型：一种是（Positive-Intrinsic-Negative，PIN）光敏二极管，它是在二极管的P层（+）和N层（-）之间增加了一个I层（本征层），PIN光敏二极管价格便宜，但灵敏度较低；另一种是雪崩光敏二极管（Avalanche Photo Diode，APD），它的灵敏度较高。这两种光敏二极管都属于光电计数器。

低价可靠的发送器为850nm（0.85μm）波长的LED，可支持40Mbit/s的速率和1.5～2km范围的局域网。低价接收器为850nm（0.85μm）波长的PIN光敏二极管检测器。APD检测器的信号增益比PIN检测器高，但需用20～50V的电源。如果要达到更高的传输速率和更长的传输距离，可采用衰减很小的1300nm（1.3μm）或1550nm（1.55μm）波长的单模光纤系统，该系统价格要比850nm系统贵5～10倍。850nm光纤的衰减为3.5dB/km，最小带宽为200MHz·km；1300nm光纤的衰减为1.0dB/km，最小带宽为500MHz·km。

由于声音、数据和视频这三种信号的通信格式差别很大，串联方式的数字复用系统是无效的。但是如果采用WDM技术，就可以在一条光纤中同时发送三种完全分开的信号，三个不同波长组成3个子系统，可分别满足不同的要求。这种声音、数据和视频信号综合服务的共享传输系统是很有前景的。表4-21是常用光缆特性。

表4-21 常用光缆特性

光纤通信比一般电缆传输介质有很多优点，对于高性能、高吞吐率的局域网，采用光纤传输介质是十分合适的。在WDM技术中，可以在一条光纤上并行传输许多路中、低速率的码流，这种宽带光纤链路是一种新的数据传输系统。