光纖的工作原理和種類

光導纖維（英語：Optical fiber），簡稱光纖，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，利用光在這些纖維中以全內反射原理傳輸的光傳導工具。

微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。

通常光纖的一端的發(fā)射設備使用發(fā)光二極管或一束激光將光脈沖發(fā)送至光纖中，光纖的另一端的接收設備使用光敏組件檢測脈沖。

包含光纖的線纜稱為光纜。

由于信息在光導纖維的傳輸損失比電在電線傳導的損耗低得多，更因為主要生產原料是硅，蘊藏量極大，較易開采，所以價格很便宜，促使光纖被用作長距離的信息傳遞介質。

光纖的主要用途是通信。目前通信用的光纖，基本上是石英系光纖，其主要成分是高純度石英玻璃，即二氧化硅(SiO2) 。

光纖通信系統(tǒng)，就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波，以達到通信的目的。

光纖的工作原理是光的全反射

光纖的色散

（1）色散的原因

在光纖中，光信號是由很多不同的成分組成的，由于信號的各頻率成分或各模式成分的傳播速度不同，經過光纖傳輸一段距離后，不同成分之間出現(xiàn)時延差，引起傳輸信號波形失真，脈沖展寬，這種現(xiàn)象稱為光纖色散。

（2）色散的影響

光纖色散的存在使傳輸的信號脈沖畸變和展寬，從而產生碼間干擾。為了保證通信質量，必須增大碼間間隔，即降低信號的傳輸速率，這就限制了光纖系統(tǒng)的通信容量和傳輸距離。

（3）色散的分類

按照色散產生的原因，光纖色散可分為模式色散，材料色散、波導色散和極化色散。

光纖的損耗

光纖的損耗是指光信號經光纖傳輸后，由于吸收、散射等原因引起光功率的減小。

（1）吸收損耗

本征吸收：光纖材料本身所固有的吸收作用。

雜志吸收：光纖中雜質對光的吸收作用。

（2）散射損耗

線性散射；非線性散射；結構不完善散射。

（3）其他損耗

微彎曲衰耗等。

光纖是柔軟的，可以彎曲，可是彎曲到一定程度后，光纖雖然可以導光，但會使光的傳輸途徑改變。

由傳輸模轉換為輻射模，使一部分光能滲透到包層中或穿過包層成為輻射模向外泄漏損失掉，從而產生損耗。

當彎曲半徑大于5～10cm時，由彎曲造成的損耗可以忽略。

光纖通信的優(yōu)點

通信容量巨大

從理論上講，一根光纖可以同時傳輸100億個話路，目前同時傳輸50萬個話路的試驗已經成功，比傳統(tǒng)同軸電纜、微波等高出幾千乃至幾十萬倍。

中繼距離長

光纖具有極低的衰耗系數，配以適當的光發(fā)送、光接收設備、光放大器、前向糾錯與RZ編碼調制技術等，可使其中繼距離達數千公里以上，而傳統(tǒng)電纜只能傳送1.5km，微波50km，根本無法與之相比擬。

保密性好

適應能力強

具有不怕外界強電磁場的干擾、耐腐蝕等優(yōu)點。

因為光纖的基本成分是石英，只傳光，不導電，不受電磁場的作用，在其中傳輸的光信號不受電磁場的影響，故光纖傳輸對電磁干擾、工業(yè)干擾有很強的抵御能力。也正因為如此，在光纖中傳輸的信號不易被竊聽，因而利于保密。

體積小、重量輕

原材料來源豐富、價格低廉

光纖的種類

多模光纖

可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。

單模光纖

只能傳一種模式的光，因此其模間色散很小，適用于遠程通訊。

單模光纖和多模光纖對比

多模光纖和單模光纖的應用

根據國際電信聯(lián)盟ITU-T建議，通信光纖分為G.651-G.657七大類，其中G.651為多模光纖，G.652至G.657為單模光纖。

光纖跳線Optical Fiber

光纖跳線又叫光纖連接器，兩端都有連接頭。

光跳線由一根或數根一定長度的光纖和光連接器構成，光跳線用來做從設備到光纖布線鏈路的跳接線，一般用于連接光端機和終端盒。

單模光纖(Single-modeFiber)

一般光纖跳線用黃色表示，接頭和保護套為藍色；傳輸距離較長。單模光纜的連接距離可達10公里。

多模光纖(Multi-modeFiber)

一般光纖跳線用橙色表示，也有的用灰色表示，接頭和保護套用米色或者黑色；傳輸距離較短。

多模光纜的連接距離要短的多，是300米或500米（主要看激光的不同，產生短波長激光的光源一般有兩種，一種是62.5的，一種是50的）

多模光纖通常在建筑物內或公司園區(qū)內具有成本效益，而單模光纖則更適合長距離運行。

單模光纖可以傳輸更遠的距離，但是通常需要更昂貴的設備。

對于長度不超過幾百米的安裝，多模式是經濟有效的。

光纖常見接口類型

光纖連接器按連接頭的結構形式可分為：

FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT-R等類型，常用的為FC、SC、ST和LC。

（1）FC接口（Ferrule Connector）

最早應用于存儲局域網絡。外殼材質為金屬，接口處有螺紋，和光模塊連接時可以固定的很好。

（2）ST接口(Stab & Twisst)

材質為金屬，接口處為卡扣式，常用于光纖配線架。

（3）SC接口（Square Connector）

材質為塑料，推拉式連接，接口可以卡在光模塊上，常用于交換機。

“SC”接頭是標準方型接頭，采用工程塑料，具有耐高溫，不容易氧化優(yōu)點。傳輸設備側光接口一般用SC接頭。

（4）LC接口（Lucent Connector）

材質為塑料，用于連接SFP光模塊，接口可以卡在光模塊上。

“LC”接頭與SC接頭形狀相似，較SC接頭小一些?！癋C”接頭是金屬接頭，一般在ODF側采用，金屬接頭的可插拔次數比塑料要多。在表示尾纖接頭的標注中，常能見到“FC/PC”，“SC/PC”等。

光纖尾纖(the tail fiber)

又叫尾線、豬尾線，一端是連接頭，另一端是光纜纖芯的斷頭。

主要用于連接光纜與光纖收發(fā)器（之間還用到耦合器、跳線等）。

一般出現(xiàn)在光纖終端盒內，通過熔接方式與其他光纜纖芯相連，可簡化電纜系統(tǒng)的安裝和維護工作。

（1）尾纖的分類

同光纖跳線一樣，尾纖也分為單模尾纖和多模尾纖。它們兩者在色彩、波長以及傳輸間隔方面有必定的差異。

一般來說，多模尾纖為橙色，作業(yè)波長為850nm，傳輸間隔在500m左右；單模尾纖色彩為黃色，作業(yè)波長為1310m或1550m，它可以傳輸的間隔較長，為10—40km左右。

別的，依據光纖芯數的不同，尾纖又可以分為單芯尾纖、4芯尾纖、6芯尾纖、8芯尾纖、12芯尾纖、24芯尾纖等。

（2）尾纖的作用

尾纖最首要的一個效果就是銜接。光纖和尾纖銜接，把光纜中的裸纖和光纖尾纖熔合在一起變成一個全體，而尾纖則有一個獨自的光纖頭，經過與光纖收發(fā)器相連，將光纖和雙絞線銜接，接到信息插座。

在光纖的熔接過程中，常用到以下首要東西：光端盒、光纖收發(fā)器、尾纖、耦合器、專用剝線鉗、光纖切割刀等。傳輸體系常用的尾纖有SC/PC、FC/PC、LC/PC、E2000/APC、ST/PC等五種接口。

（3）常用的尾纖類型

FC-SC類型，也就是一般所的圓轉方的尾纖。FC銜接ODF盒，SC銜接設備的光口。這種光纖銜接器在前期的SBS和Optix設備中運用較多。

FC-FC類型，俗稱圓轉圓的尾纖。一般用做ODF架之間的跳纖。

SC-SC類型，俗稱方轉方尾纖，一般用在設備之間光板的銜接。

SC-LC類型，LC接口俗稱小方頭尾纖，歸于卡接式接頭?，F(xiàn)在華為OSN系列設備，中興S系列設備，包含前期朗訊的波分設備，都是用的這種光纖銜接器。

LC-LC類型，一般用在波分設備之間的內部連纖中，這個運用比較少。

MPO光線纜(Multi-fiberPushOn)

MPO連接器相較于其他連接器,最主要的特點是緊湊設計、跳線芯數多。

MPO連接器與SC連接器的尺寸相同,但可容納12或24根光纖,因此,MPO可大大節(jié)省機柜布線空間。

目前MPO連接器有8芯、12芯、24芯、48芯、72芯、144芯數設計,其中比較常見的是12, 24芯MPO跳線。

40GMPO-MPO光纖跳線,一般采用12芯的MPO多模插芯; 100G MPO-MPO光纖跳線,則一般采用24芯的MPO插芯。

MPO屬于多模光纖。

通過ISO 11801標準標識，多模光纜可分為OM1光纖，OM2光纖，OM3光纖，OM4光纖和新發(fā)布的OM5光纖。

OM , stand for optical multi-mode

OM即光模式，是多模光纖表示光纖等級的標準。不同等級傳輸時的帶寬和最大距離不同。

其中，OM1支持最大值為1GB的以太網傳輸，OM3和OM4通常用于在數據中心的布線環(huán)境，支持10G/40G/100G高速以太網的傳輸。

OM5則在0M4的基礎上拓寬帶寬通道，為100Gb/s和400Gb/s波長提供解決方案。

OM5光纖主要具有三大優(yōu)勢

（1）極強的擴展性

OM5光纖跳線可以將短波波分復用和并行傳輸技術結合在一起，并且只需要8芯寬帶多模光纖，就能夠支持200/400G以太網應用；

（2）有效降低建設運營成本

OM5光纖跳線借鑒了單模光纖的波分復用技術，延展了網絡傳輸時的可用波長范圍，能夠在1芯多模光纖上支持4個波長，很大程度上降低了網絡的布線成本；

（3）在兼容性和互操作性方面優(yōu)勢明顯

能夠和OM3光纖跳線和OM4光纖跳線一樣支持傳統(tǒng)應用，和傳統(tǒng)的OM3和OM4光纖跳線能夠完全兼容，互操作性極強。在400G時代，OM5多模光纖應用前景廣闊，即使在低速率設備向高速率設備升級迭代的過程中也能有不俗的表現(xiàn)。

OM光纖詳細比較

下一部分將從核心尺寸，帶寬，數據速率，距離，顏色和光源方面對這些光纖進行詳細比較。

OM1電纜通常帶有橙色護套，芯線大小為62.5微米（μm）。它可以支持長達33米的10 Gb以太網。它最常用于100兆位以太網應用。

OM2 的建議外套顏色為橙色。其核心尺寸為50μm，而不是62.5μm。它支持長度達82米的10 Gb以太網，但更常用于1 Gb以太網應用。

OM1和OM2都可以與基于LED的設備一起使用，該設備可以沿電纜發(fā)送數百種模式的光。

OM3的建議外套顏色為水藍色。與OM2一樣，其核心尺寸為50μm，但該電纜針對使用較少光模的基于激光的設備進行了優(yōu)化。作為優(yōu)化的結果，它能夠運行長達300米的10 Gb以太網。自從問世以來，生產技術已經提高了OM3的整體功能，使其能夠與40米和100米以內的100 Gb以太網（最長100米）一起使用。10 Gb以太網是其最常見的用途。

OM4與OM3光纖完全向后兼容，并共享相同的獨特防水外套（水藍色）。OM4是專門為VSCEL激光傳輸而開發(fā)的，與OM3的300M相比，其10 Gig / s的鏈路距離可達550m。利用MPO連接器，它可以在150米內運行40 / 100GB。

OM4光纖常與40G-SR4-OSFP+或者100GBASE-SR4-OSFP28等配合使用。

OM5光纖，也稱為WBMMF（寬帶多模光纖），是最新的多模光纖，向后兼容OM4。它具有與OM2，OM3和OM4相同的核心大小。OM5纖維外套的顏色為（**Lime Green，水綠色）。它被設計并指定為通過850-953 nm窗口支持至少四個WDM通道，每個通道的最小速度為28Gbps。

OM5光纖在40G SWDM4網絡中可以達440m距離，在100G SWDM4網絡中可傳輸150m。

如果數據中心使用的是不符合IEEE標準的100G-SWDM4收發(fā)器，則證明OM5可以支持150米的距離，僅比OM4多50米。

布線的成本將比OM4高出約50％。

OM5的特點

（1）更少光纖支持更高帶寬的應用

OM5光纖跳線的工作波長是850/1300nm，并且至少可以支持4個波長。

OM3和OM4的通常工作波長是850nm和1300nm。

也就是說傳統(tǒng)的OM1、OM2、OM3、OM4多模光纖只有一條通道，而OM5具有四個通道，傳輸能力提高了四倍。

將短波波分復用(SWDM)和并行傳輸技術結合在一起，OM5只需要8芯寬帶多模光纖(WBMMF)，就能夠支持200/400G以太網應用，大大減少了光纖芯數，在很大程度上降低了網絡的布線成本。

（2）更遠的傳輸距離

OM5光纖的傳輸距離比OM3、OM4的會更長。OM4光纖被設計用來支持至少100米的長度與100G-SWDM4收發(fā)器。

但OM5光纖可以支持高達150米的長度與相同的收發(fā)器。

（3）光纖損耗更低

OM5 寬帶多模光纜的衰減從以前OM3, OM4 光纜的3.5 dB/km 降低到3.0 dB/km，另外增加了953nm 波長上的帶寬要求。

OM5具有與OM3, OM4相同的光纖尺寸，這意味著與OM3, OM4是完全兼容的，如要在現(xiàn)有布線應用OM5是不需要更改的。

OM5光纖更具有擴展性和靈活性，能夠以較少的多模光纖芯數支持更高速的網絡傳輸，而成本和功耗都遠低于單模光纖，因此，未來將會廣泛應用于100G/400G/1T超大型的數據中心。

OM1和OM2多年來被廣泛部署于建筑物內部的應用，支持最大值為1GB的以太網路傳輸；OM3和OM4光纜通常用于在數據中心的布線環(huán)境，支持10G甚至是40/100G高速以太網路的傳輸。

OM5設計用于40Gb/s和100Gb/s傳輸，可減少高速傳輸的光纖數量。

（4）物理方面差異

物理差異主要在于直徑，護套顏色，光源和帶寬，如下表所述。

（5）實際差異

多模光纖能夠以各種數據速率傳輸不同的距離范圍?？梢愿鶕嶋H應用選擇最合適的一種。

下面指定了不同數據速率下的最大多模光纖距離比較。

（6）MPO和MTP區(qū)別

MPO (Multi-fiber Push on)（多纖推入式）是日本NTT通信公司設計的第一代彈片卡緊式的多芯光纖連接器，現(xiàn)在是幾家公司生產的一種多芯連接頭的名稱。

而MTP (Multi-Fiber Pull Off) ，（多纖拉出式）是由美國USConec 公司注冊的品牌，專門指其生產的MPO連接器獨特的類型。

因此，MTP連接器與所有通用MPO連接器完全兼容，并且可以直接與其他基于MPO的基礎結構互連。但是，與通用MPO連接器相比，MTP連接器是一項多工程產品增強功能，可以提高機械和光學性能。

MTP和MPO光纖電纜之間的主要區(qū)別在于它們的連接器。

作為改進版本，配備MTP連接器的MTP電纜具有更好的機械設計和光學性能。

（7）MTP的主要特征

MTP光纖連接器的外框套散件可方便移除。

MT插芯設計可在生產時的返工和重新研磨時能確保性能不受損失。陰陽性在組裝后甚至在現(xiàn)場可靈活的改變，插芯組裝后可過干涉檢測。

MTP光纖連接器浮動的插芯可提高機械對接時的傳輸性能

可允許兩個連接器在外力的影響下使相互匹配的插芯能保持良好的物理接觸。

MTP光纖連接器的橢圓導針(PIN)采用的是不銹鋼材質，橢圓導針能提高對接的精度，并且降低對導孔的磨損，使得MTP光纖連接器更持久地保持高性能傳輸。

MTP光纖連接器內有一個金屬針夾用以固定推環(huán)。具體特征：

防止導針丟失;

集中彈簧所產生的壓力;

防止彈簧在機械伸縮過程中觸碰摩擦光纖導致光纖損壞。

（8）MTP光纖連接器的彈簧設計最大限度提高12芯和多芯帶狀應用的帶狀間隙從而防止光纖損壞。

（9）MTP光纖連接器有至少四種標準的匹配散件，可適配不同類型的光纜，更具實用性，其中包括：

松套結構的圓型光纜;

橢圓外被的帶狀光纜;

帶狀裸纖;

超短尾套連接器散件，非常適合應用在狹小的空間里，減少45%的體積。

AOC光線纜

AOC是Active Optical Cables的縮寫，中文叫有源光纜。

AOC光線纜是光模塊和光纖一體化的有源光線纜，使用方便簡單。

AOC有源光纜是將2只光模塊與光纜封裝在一起，由于中間的傳輸介質是光纜，所以AOC的光模塊，里面是有激光器件的，價格都對DAC較高；但是它的光口不外露，具有極高的可靠性，工作距離可以100米以內的遠距離長度定制也是它的優(yōu)勢之一。

AOC有源光纜實際上就是帶了光模塊的光纖跳線。AOC一般長度比較短，最多也就幾百米，最大的特點是光模塊和光纖做成了一體，不可分離。這樣的好處是整體的成本比較低，因為將光纖固定在模塊里面，制作過程少用了一些光器件。

AOC有源光纜適合短距離的應用場景，不適合長距離的傳輸場景，這是顯而易見的，光纜不可能有那么長。

AOC有源光纜在IDC數據中心機房被大量使用。

AOC對環(huán)境要求較低，沒有光纖連接器的清潔問題；成本優(yōu)化，不帶DDM功能；

缺點：不能靈活配置距離，出廠前需要提前確認傳輸距離。

（1）AOC與DAC對比

高速線纜(Direct Attach Cable)簡稱DAC，簡單來說，高速線纜DAC是在一根線纜的兩端接上光模塊，廣泛應用于存儲區(qū)域網絡、數據中心和高性能計算機連接，在網絡通信中正逐漸崛起。

詳細來說，高速線纜DAC是以鍍銀導體和發(fā)泡絕緣芯線為材料，采用線對屏蔽及總屏蔽的方式，從而構成了高速線纜。

DAC優(yōu)點：

互換性強：隨著銅技術的發(fā)展，高速線纜與光纖收發(fā)器件可互換和熱插拔。

成本低：銅纜比光纖便宜，使用高速線纜會降低布線成本。

散熱性好：高速線纜由銅芯制成，散熱效果好。

高速線纜的缺點是傳輸距離短、重量大、體積大、難以管理，容易受到電磁干擾的影響，例如會出現(xiàn)不良響應、退化等問題。

AOC有源光纜的缺點是成本偏高。

光纖和光纜的區(qū)別

光纖光纜組成情況

光纖是一種傳輸光束的細而柔軟的媒質。多數光纖在使用前必須由幾層保護結構包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。

所以光纖是光纜的核心部分，光纖經過一些構件極其附屬保護層的保護就構成了光纜。

光纖外層的保護結構可以防止周遭環(huán)境對光纖的傷害。光纜包括光纖、緩沖層及披覆。

光纖和同軸電纜相似，只是沒有網狀屏蔽層。中心是光傳播的玻璃芯。

光纖通常被扎成束，外面有外殼保護。

纖芯通常是由石英玻璃制成的橫截面積很小的雙層同心圓柱體，它質地脆、易斷裂，因此需要外加一保護層。所以它們的區(qū)別就在于此。

（1）海底光纜

海底光纜是實現(xiàn)國際信息互聯(lián)和傳輸的有效途徑。

國際光纜在國際通信中起到重要作用，隨著云計算、大數據、物聯(lián)網等產業(yè)的快速發(fā)展，全球數據交換和連接迫在眉睫。

全球IDC互聯(lián)以及通信、網絡互聯(lián)的需求提振國際光纜需求。

而海底光纜由于具有高質量、高清晰度、大容量、安全性能好、性價比高等優(yōu)點，成為國際光纜的主要形式。

根據TeleGeography，目前全球95%以上的跨國數據傳輸通過海底光纜。

海底光纜是傳輸能力和經濟性超越衛(wèi)星通訊等技術手段，也是當前最主要的跨洲通信技術。

海底電纜的核心是由高純度光纖制作，通過內反射來引導光沿著光纖的路徑前進。

在海底光纜的制作中，光纖首先會被嵌入在類似果凍的化合物中，保護即使在與海水接觸的情況下電纜也不會損壞。然后將光纜裝入鋼管中，防止水的壓力將其破壞。

接下來將其包裹在整體強度極高的鋼絲之中，并套在銅管之中，最后套上聚乙烯材料的保護層。

光纖主要故障原因

光纜過長

彎曲過度

光纜受壓或斷裂

光纖受到不均勻應力的作用，例如受到壓力或者套塑光纖受到溫度變化時，光纖軸產生微小不規(guī)則彎曲甚至斷裂，其結果是傳導模變換為輻射模而導致光能損耗。

光纜熔接不良

核心直徑不匹配

填充物直徑不匹配

接頭污染

光纖接頭污染、尾纖受潮是造成光纜通訊故障的最主要的原因之一。

接頭處拋光不良

接頭接觸不良主要發(fā)生在光路終結處，例如光配線箱和光交換機?？赡苡捎诓僮魅藛T疏忽，或者設備質量問題，又或接頭老化等，導致光纖接頭不緊密，造成光信號的反射損耗和泄露衰減。

來源：我想我思

審核編輯：湯梓紅