26.6光缆
26.6.1传输介质激光
激光是受激发光的简称，是20世纪中期以后兴起的一项新技术，其应用范围十分广泛。现在可以断定，激光技术对今后科学技术的发展，将有极其重要的作用。
量子力学表明：能量是表征一些粒子(包括电子、原子和分子)的基本物理量之一。因为能量是量子化的：表现为一些不连续的能态。粒子在不同能态之间的跃迁，就要吸收或发射出光子。由低能态向高能态跃迁时吸收，而由高能态向低能态跃迁时发射。
1917年，A·爱因斯坦提出发射光子时的两种情况：一种是自发辐射，粒子无规则地由各高能态度变到各低能态，例如白炽灯的发光，其中包含各种频率的光；另一种是受激辐射，粒子在高能态受到外来光子的激光跃迁到低能态，而高能态与低能态的级差恰好为光子的能量，从而产生了第二个光子。这样对其他粒子产生了连锁反应，成为量子放大器。
爱因斯坦还证明：在含有大量原子的系统中，吸收或者发射光子哪一种占优势，决定于高能态与低能态中的粒子相对多少，粒子多的向粒子少的跃迁概率就大些。在热平衡条件下，各能级中的粒子数服从玻尔兹曼分布定律，最低能级的基态的粒子数较多，因此通常发生的是光子被吸收，而不是产生受激发射。如果希望产生受激发射必须使高能级中的粒子增多，称为“粒子数反转”，这只有创造不平衡的条件，使玻尔兹曼定律不再适用运行。
1956年布隆贝根(N.Bloembergen)提出三能级激光器的概念。他的方案是选择一个合适的三能级系统，按照玻尔兹曼分布，每个能级上粒子数从低到高依次减少。再选择频率合适的光子使低能态的粒子吸收并跃迁到顶部能态中去。由于吸收与发射的概率相等，当顶部与底部能态中粒子数相等时系统仍然是稳定的。第三个能态即中间的能级经过精心的挑选，则可能使中间能态的粒子数多于最低能态中的粒子数，实现粒子数的反转。
激光是粒子受激在固定的能态级差间产生的，因此频率很接近单一的，这称为时间相干性；又由于光谐振腔两端有很好的平行度，所以光波波前的相位亦接近相同，这称为空间相干性。同时在光谐振腔内，只有轴向的光往返传播，因而又具有很好的方向性。由于激光的这些特性，从而有广泛的技术应用。为了适应不同的需要此后又陆续研制出不同工作物质的多种激光器，如气体的、液体的、半导体等。
激光的能量在空间上和时间上可以做到高度集中，脉冲的峰值功率达1kW，是其他方法难以达到的，因此在加工、焊接、医疗等方面也获得应用。利用激光的相干性及方向性及光波干涉方法，已广泛用于测量方面，例如激光测量月球到地球的距离，可准确到1.5mm。对于运动物体如飞机、导弹、航艇、甚至炮弹，用重复频率为2～40Hz的脉冲激光器测定距离，精度可达1m。激光还用于全息摄影技术、工程准直、印刷、微加工、传感技术等方面。
激光还在一些与传统的电工技术密切相关的领域中起重要作用。如光纤通信、激光雷达、激光制导、激光录象、激光存储、激光显示、激光电脑等。以光纤通信为例，由于光的频率为5(1013Hz～1015Hz)，若仅实现0.1％的调制，则载波的电话路数可达到108路，若传送电视亦可达105路。除通信容量大之外，同时光纤光缆体积小重量轻易于运输及施工，抗干扰能力强，保密性能好，并且光纤的原材料远较铜线易得和便宜。因此光纤通信发展十分迅速，我国的光纤通信亦已投入运行。利用法拉第发现的磁光效应，又可用激光通过有磁场处偏振面的转动，进行非接触的大电流测量；利用克尔的电光效应，又可测量高电压等。
26.6.2光纤电缆
1930年出现了象头发丝一样的玻璃光纤，1970年通过去除玻璃杂质研制出传光效率很高的光纤，直到1980年以后的普及使用。光导纤维用于通信传输，因在保密性强、体积小、抗干扰能力墙、通信信息量大、距离远等优点，得到了迅速发展。
1.光纤电缆
光导纤维通信是一种崭新的信号传输材料。利用激光通过超纯石英或特种玻璃拉制成的光导纤维进行通信。用多股光纤、铜导线、护套等组成光缆，它即可长途干线通信，传输上万路电话或若干套电视节目以及高速数据，其实4芯光缆厂家价格。又可以用于中小容量的短距离市内通信。应用在局间中断、市局间交换机之间以及闭路电视、电脑终端网络的线路中。光纤电缆断面示意图如图26-15所示。
图26-15光纤电缆断面示意图(a)(b)
1-紫外线照射光纤；2-塑料骨架；3-胶状混合物；4-绕包带；5-中心加强构件；6-PE护套；7-钢线四芯组
光纤是利用光的全反射原理来传递光信号，带有光码信息的光束在光纤中不断地全反射，把信息从一端传递到另一端，如图26-16所示。带有光码信息的光束在介质光束边界的入射角大于某个临界值的时候光线就会全部在介质内部反射，需要外部包层光纤折射率低于传输纤维的折射率，就能产生内部全反射。
图26-16光纤内部反射传播
1-紫外线照射光纤；2-槽形塑料骨架；3-胶状混合物；4-绕包带；5-加强构件；6-PE护套
光源通常有两种，一种是发光二极管LED，它通过电流的时候则发光，LED可以工作在温度范围大，价格低。另一种是注入型发光二极管ILD，它是激励量子电子效应来产生一个窄带宽的超辐射光束。ILD效率高，能有很高的数据传输率。在光纤接收端有一个检波器，它将光能转回为电能，目前常用的检波器有PIN检波器和APD检波器，后者灵敏度比较高，用的是雪崩光电二极管。
光纤电缆通信容量很大、中继距离长，而且性能稳定，通信可靠。光缆芯小，重量轻、挠性好，便于运输和施工。可以根据用户需要插入不同信号线或其他线组而组成综合光缆。光缆的标准长度为1000±100m，具体的长度也可以与厂家定货决定。
2.光纤材料的分类
(1)光纤按材料质地分为玻璃光纤、石英光纤和塑料光纤。玻璃光纤出现最早，因为它的熔点低1300℃，拉制比较容易。结构玻璃光纤耗损较大，几个dB/km，但造价低。石英光纤的熔点较高，大约是1900℃，工艺较复杂，传输耗损0.2dB/km，能够远距离传输信息。塑料光纤是最新产品，多是聚苯乙烯或聚丙烯材料，耗损在20dB/km以下，但可以做出较粗(1～2mm)的柔软光纤。窗户玻璃的传送耗损大约是1000dB/km。
(2)光纤按其折射率特性可分为多模光纤(阶跃型、渐变型)和单模光纤两种。按传输特性可分为长波(波长1.32～1.55μm)和短波(波长0.8μm)两种。多模光纤芯线较粗，典型值为内径50±3μm、外径125±3μm。多模光纤的传输原理与传输微波的玻导管相同，越粗效果越好。由于多模光纤传输光模式多，光信号的损耗较大，短波损耗为2.2～3.5dB/km，长波0.8～1.2dB/km，适用于带宽400～800MHz、距离10km以内的小型系统。
光纤的种类与特点见表26-17所示。
光纤的种类与特点表26-17
┬┬┬
种类│折射率构造│特点│用途
┼┼┼
多模│突变折射率│光纤芯线粗，发光元件容易与其连接│短距离
光纤│StepIndex│模离散大，传输频带窄，不常用│频带几十MHz/km
│渐变折射率│芯线直径与SI相同│短、中距离
│GradedIndex│比SI模离散小，传输频带较宽│几十～几百MHz/km
单模│SI与其他│不产生离散，频带宽│中、长距离
光纤││芯线细，与发光元件连接精度要求高│几十GHz/km
┴┴┴
3.光纤的光学特性
光纤按折射率与传输模式可分为：
(1)芯线折射率从中心轴向外层逐渐减少的梯度形光纤。光在芯线中呈曲线向中心集束传输。
(2)光纤芯线的折射率恒定，但外层相对折射率小1％，光线在芯线中全反射呈现锯齿形前进。由于入射角不同，会出现光群速度差引起的模式色散。以上两种光纤均为多模光纤，直径在10～50μm。在光纤截面是电场分布是周期重复的，其特征频率V表达式如：
V＝2πan1槳棃槳梽λ樤樤·√2·(n1-n2)槳棃槳梿n1
n1，n2分别为光纤内外层的折射率，a为光纤半径，λ为传输光线的波长。一般V值小于2.405时，光纤中仅仅能够通过一个波峰，称为单模光纤，它的直径仅有3～10μm，色散很小。影响光纤传输频带宽度的是各种色散，单模光纤在这方面具有优势。但是，单模光纤连接困难，光源只能使用激光。
光纤用于传输能量时，单位时间内光功率p＝hvn，其中h为普朗克常数，v为光频率，n为导光体的光粒子数量。要传输更多的能量就必须增加光的强度vh，但这会引起线路发热的问题。1mm2的石英光纤能输送100kW的功率。
光纤传输的波长见表26-18所示。
光纤传输的波长表26-18
名称
波长
特点
用途
短波
0.8μm
损耗：3dB/km；便宜，耗损大
低速度、短距离传输
长波
1.3μm
损耗：0.5dB/km；频带宽，无离散波长
高速度
1.55μm
损耗：0.2dB/km；损耗低
中、长距离
4.光缆分类的代号
GY通信用室外光缆，用于室外直埋、管道、槽道、隧道架空以及水下敷设的光缆。
GR通信用软光缆：具有优良的曲挠性能的可移动电缆。
GJ通信用市内光缆：适用于市内敷设的光缆。
GS通信设备内光缆：适用于设备内部布放的光缆。
GT通信用特殊光缆：除了上述分类之外作特殊用途的光缆。
电缆随着传输距离的增加和频率的提高，其衰减量也相应增加。所使用的干线放大器数量也要增加，其结果必然影响到系统的载噪比、交调比和互调比等。一般情况下，电缆干线的传输距离在10km时，干线放大器不宜超过15只。为解决远距离干线传输问题，可采用光缆传输和多频道、多点微波分配系统MMDS。光纤用于电视等弱电系统中还是近几年的事情，主要原因是大功率光电发射机和高灵敏度光电接收机的研制成功。特别是与同轴电缆系统接口兼容的传输系统的研制成功。目前我国用于电视工程主要是单模传输系统。
1.光缆系统的主要优点
(1)频带宽。一根单模光纤就可达到1GC的带宽，可容纳全部电视频道信号，也不存在均衡问题。
(2)传输损耗低。目前所采用的波长1.3～1.5μm传输时，光缆损耗为0.2～0.05dB/km，短波0.8μm时，衰减为3dB/km，而且光缆衰减带宽基本不随周围温度变化。采用AM-VSB技术的光缆，在传输450MHz时，可无中继传输20km以上。
(3)光缆直径小，重量轻。目前单根光纤直径9～10μm，外径125μm，安装方便。
(4)光缆传输不受环境的影响。因为光纤导光不导电，不怕雷击，而且能够抗电磁干扰。
(5)光纤的化学材料为石英玻璃SiO2，自然界中含量丰富。
(6)提高了系统的可靠性，改善了信号质量。与同轴电缆相比影响信号传输质量的因素要少。
2.光纤的传输原理
电磁波在介质中传输有两个重要分支，一是电磁波在介质中传输，如微波波段在聚四氟乙烯介质中传输可以构成移相器、介质导天线等。二是光波在介质中传输，如在石英玻璃纤维中传输，称为光纤或光缆。
光纤传播的原理可以用光学反射原理解释。光线在界面处一部分透射、一部分反射。若界面处光线的入射角大于临界角时，光线会全部反射出去。全反射的光线条件是折射率n1必须大于n2且入射角大于Q c。Qc与n1、n2有关，即由光线的数值孔NA径决定光纤入射光的能力。入射角Q等于Qc时，NA＝n1(n1-n2)/n1。
光纤传输系统由光发射机、光缆、光中继器和光接收机组成，光波信号是通过光发射机的调制器将电信号调制在光波上获得的，即进行电－光转换。光信号通过传输介质和接收装置最终送到用户端并进行光－电转换，还原为点信号。
光发射机是由光源(如激光二极管)、激励器、调制器(编码器)等组成，其作用是将电信号调制在光信号上送到光缆中进行传输。光中继站是由光纤、光放大器、光分支器等组成。当系统传输距离超过几十公里，光损耗达几十dB时，才需要设置中继站对光信号予以补偿。光接收机是由光放大器、检光器和电信号放大器组成。其作用是进行光－电转换，将信号恢复为原来的电信号。
26.6.5光纤的应用
光纤具有良好的抗电磁干扰能力，可以广泛地应用于建筑物的各类系统中，如楼宇自控、办公室自动化、保安监控、电视、电话、电脑网络通信。
光纤的应用频带宽损耗低。单模光纤是专门按照某种传输模式制作，长波损耗在0.5dB/km以下，可长距离传输。单模光纤芯线较细(3～10μm)，其连接工艺要求高。光缆传输系统可以提供更高的速率，传输更多的信息量。
长距离线路传输。当综合布线系统需要在一个建筑群之间的长距离线路传输，建筑内线路将电话、电脑、集线器、专用交换机和其他信息系统组成高速率网络，或者外界与其他网络特别是与电力网络一起敷设时应有抗电磁干扰，宜采用光缆数字复用设备作为传输媒介。光缆传输系统应能满足建筑环境对电话、数据、电脑、电视等综合传输要求。
光纤适用于大规模的综合布线系统。目前已经能提供实用的光缆传输设备、器件及光缆。综合布线系统中传递的各种信息通过光缆可以大大增加传输距离，其本身就是光缆和铜缆组成的集成网络系统。光缆传输系统可组成抗电磁干扰的网络。
3.光纤损耗
光纤提炼的纯度不够，含有杂质。对红外线和紫外线的吸收。光纤表面散射。光纤弯曲和结构不完善等引起的反射和散射。
光纤传输频带主要取决于光波在光纤中的散射或离散。离散可分三种，一种是模式离散，主要是单模在光纤中运动方向和速度不同所致；二是材料离散，即不同波长的光在同一材料里面折射率不同；三是构造离散，即在一条芯线内，虽然光信号是沿芯线前进的，但总有部分能量离散到光纤以外，由于构造引起的折射率不一样，波长越长越容易离散，越容易穿过折射率小的地方。
4.光缆连接器
光缆传输系统应使用标准单元光缆连接器，连接器可端接与光缆交接单元，陶瓷头的连接应保证每个连接点的衰减不大于0.4dB。塑料头的连接器每个连接点的衰减不大于0.5dB。
对于陶瓷头的ST2连接器，每1000次重新连接所引起的衰减变化量小于0.2dB。对于塑料头的ST2连接器，每200次重新连接所引起的衰减变化量小于0.2dB。无论那种型号的ST2连接器，安装一个连接器平均时间为16min。同时安装12个ST2连接器平均安装时间为6min。
综合布线系统的交接硬件采用光缆部件时，设备间可作为光缆主要交接场的设置地点，带状干线光缆从这个集中的端接和进出口点出发延伸到其他楼层，在各楼层经过光缆及其连接装置沿水平方向分布光缆。
综合布线系统应宜采用光纤直径62.5μm光纤包层直径为125μm的缓变增强型多模光缆，标称波长850nm；也可采用标称波长为1300nm的单模光缆。单模光缆用于长距离传输。
26.8.6对光纤的要求
系列比特率表26-19
数字系列等级
基群
二次群
三次群
四次群
标称比特率(kbit/s)
2048
8448
数字接口的比特率偏差、脉冲波形特性、码型、输入口与输出口规范等，必须符合国家标准GB7611-87《脉冲编码调制通信系统网络数字接口参数》的规定。
2.光缆种类
光缆传输系统宜采用松套式或骨架式光纤束合光缆，也可用带状光纤光缆。布线敷设宜采用地下管道布线敷设。穿过管道或直接放在干线通道、天花板、墙壁或地板上非强制通风环境的建筑物光缆应具有防火标志UL的OFNRPVC套管。放在回风巷道(强制通风)环境的建筑物应具有防火标志UL的OFNP含氟聚合物套管。光缆和铜缆一样，也有铠装、普通和填充等类型。
3.光缆传输系统设备
光缆传输系统中标准光缆连接装置LIU硬件交接设备，除应支持连接器外，还应支持束状光缆和跨接线光缆。各种光缆的连接应采用通用光缆盒UFOC，为组合光缆、带状光缆或跨接光缆的接合处提供可靠的连接和保护外壳。通用光缆盒提供的光缆入口应能同时容纳4根带状光缆，8根组合光缆和8根束状建筑物光缆。
当带状光缆互连时，必须使用陈列接合连接器。如果一根带状光缆中的光缆要与一根室内非带状光缆互连，应使用增强型转换接合连接器。
4.光缆布线网络
光缆布线网络可以安装于一建筑物或建筑群环境中，而且可以支持在最初设计阶段没有明确的各种带宽通信服务。这样的布线系统可以用作独立的局域网LAN或各种电话会议、监视电视等局部图象传输网，也可连接到公用电话网。
5.光缆有线电视
由于光缆传输频带宽，可容纳59路电视模拟电视节目，包括22个标准电视频道和39个增补频道。光缆传输能够有效地克服空间电磁波的干扰，使得电视图象更加清晰稳定，而且解决了由于空间阻挡造成的重影、雪花等物体问题。使用光缆传输，信号的衰减小、失真小，能够保证信息的传输质量，有效地降低故障率。
光缆电视传输的节目增加，使用了相邻频道，如果电视机性能不好，会造成信号的邻频干扰。光缆电视终端口输出电平不能过高，应在60～68dB，若一个输出口并联两台电视，会造成信号电平低、阻抗不匹配，使电视画面出现重影或雪花。光缆电视使用了增补频道，无CATV接收功能的电视机将无法收看增补频道的节目。
