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当前工业网络基于百兆以太网(100BASE),根据其物理层使用的传输介质的不同,又可以分为100BASE-TX(双绞线)和100BASE-FX(光纤)等。双绞线(TX)的最大网段长度为100米,当通信距离超过100米时,要使用中继器对信号进行重新放大才能正常传输。另一种解决方法是使用光纤(光缆)进行信号传输。光纤是光信号的传输介质,它具有传输耗损低、抗干扰能力强等优点。光纤根据光传输的路径不同,可以分为多模光纤和单模光纤;根据使用的材质的不同,可以分为POF光纤、PCF光纤和玻璃光纤等,今天我们就来谈谈光纤(Optical Fiber)的分类及特点。
典型的光纤由五部分组成:纤芯、覆层、缓冲层、加强材料和外套,如下图:
纤芯位于光纤的中心,是光传输的路径;纤芯的外部围绕着覆层,穿过纤芯的光线在纤芯与覆层的交界处反射回纤芯,从而保证光纤沿着纤芯进行传播;覆层的外面是缓冲层(通常是塑料),用来保护纤芯和覆层不受破坏;围绕缓冲层是一层加强材料,用来增加光纤的韧性与强度,从而保证光纤在安装的过程中不被拉断;最外层是一层保护套(外套),用来保证光纤不被溶解、磨损或破坏。下图是西门子光纤的实物图:
根据光的传输路径的不同,光纤可以分为多模光纤(Mutimode Optical Fiber)和单模光纤(Single-mode Optical Fiber)。
多模光纤允许在同一个纤芯内部同时传送多种模式(路径)的光,各种光以不同的入射角进入到纤芯中,然后在纤芯与覆层之间不断反射进行传输。与光纤中心的光相比,以反射方式进行传输的光经过的实际路径更长,从而导致它们到达光纤接收端的时间略有延长。
这种多种模式的光在光纤中因为传输路径的不同(入射角不同)而使得最终达到接收终端的时间略有差异的现象,称为“模式色散”。
模式色散会导致光纤接收器收到一个很长的、模糊的脉冲。为了解决这个问题,多模光纤采用一种“渐变折射率”的特殊玻璃。该玻璃能使光在通过纤芯中心时速度放慢,通过纤芯中心以外的区域时速度加快,从而保证所有模式的光几乎同时到达终点。这样,光纤接收器就会收到一个强的光脉冲信号。多模光纤的纤芯较粗(50或62.6 um),由于其模间色散较大,导致其传输距离比较近,一般只有几公里。下图是多模光纤中光的传输的示意图:
与多模光纤不同,单模光纤只允许在纤芯里同时传送单一模式(路径)的光。单模光纤的纤芯较细,直径一般8~10um,光在传输过程中不进行反射,以直线的方式进行传输,模间色散很小,因此单模光纤很适合远距离通信。下图是光在单模光纤中传输的示意图:
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。一般使用高汇聚的红外激光作为光源。实验发现1.31um波长区的单模光纤的总色散为零,因此1.31um是光纤实际通信系统的主要工作波段。
根据材质的不同,光纤又可以分为POF光纤、PCF光纤和玻璃光纤。POF是“Plastic Optical Fiber”的英文缩写,中文翻译为“塑料光纤”;PCF是“Polymer Cladded Fiber”的英文缩写,中文翻译为“聚合物包层光纤”;POF光纤和PCF光纤对工艺要求较低,现场施工难度小;而玻璃光纤,特别是单模玻璃光纤,对工艺要求非常高,现场施工难度较大。
光纤中传输的介质是光波,其频率远远高于普通电波通信所使用的频率,因此即使在充斥着电磁干扰的环境中也不受干扰。光纤,尤其是单模光纤,传输过程的损耗很低,这些特点都使得光纤很适合用作远程传输。另外与同量级的电缆相比,光纤(光缆)的重量较轻,而且不会因为短路或接触不良产生电火花,不易被窃听,安全性很高。因此光纤在安全性要求较高的场合有着广泛的应用。
好了,关于光纤(光缆)的知识就先聊到这里了。
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