光纤通道

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《电力系统继电保护原理》增订版 贺家李 宋从矩著 P152 光纤传输光波的基本原理

图4-5 光缆的结构和光纤通道的组成示意图

(a)光纤结构示意；(b)光的反射和折射；(c)光缆的结构；(d)光纤通道的组成

为便于读者阅读，将光纤最基本的原理简述如下。

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光纤通道

光纤通道是将电信号调制在激光信号上，通过光纤(optical fiber)来传送。光导纤维是由高纯度石英做成的，可以传输激光。在激光光谱上波长在0.85μm、1.3μm和l.5μm左右的激光，在光纤中传输时光能衰耗较小，称为三个工作窗口。由于激光的频率比微波高得多，故可传输更多的信息。单个光纤即可传送8000多路信号,应用多根光纤构成的光缆可以传送更多的信号。图4-5(a)为光纤横截面示意图。如图所示，光纤由纤芯、包层、涂敷层和塑套四部分组成。纤芯位于光纤的，是光传输的主要途径，其主要成分是高纯度的二氧化硅，其纯度要达到99.9999%，其余成分为掺人的杂质。常用的杂质有五氧化二磷(P2O5)和二氧化锗(GeO2)。掺加此杂质的作用是提高纤芯的电介常数和折射率。纤芯的直径2a一般在5~5Oμm之间。包层也是掺加有少量杂质的高纯度二氧化硅。包层所用的杂质为氟或硼，其作用是降低包层的电介常数和折射率。包层的直径2b一般约为125μm。包层的外面涂敷一层很薄的环氧树脂或硅橡胶，其作用是增加光纤的机械强度。涂敷层之外是用尼龙或聚乙烯作成的塑套，其作用也是加强光纤的机械强度。

当光从一种介质人射到另一种介质时，由于光在两种介质中传播的速度不同，在两种介质的分界面上要反射和折射。如果两种介质材料成分都是均匀的，则其物理常数如导磁率μ和电介常数ε也必须是均匀的。设用下标1和下标2分别表示两种介质，其导磁率都等于空气的导磁率，即μ1=μ0，μ2=μ0，其电介常数分别为ε

1

和ε

2

，光在两种介质中传播速度各为111，222

其对于光的折射率分别为：n11 n22设光的入射角为θ1，反射角为θ´1，折射角为θ2，

如图4-5(b)所示，则根据斯奈尔 (SneIl)定律：

sinsin12nn21

如果上面所举的两种介质的折射率之间的关系为n1>n2，则由上式可知sinθ1/ sinθ2=n2/n1<1，如果sinθ1>n2/n1，，则可以发生

sinsin2112n/n1

这是没有意义的，因为一个角度的正弦不可能大于1。这说明折射角大于90º，亦即光不会进人介质2，而是全部反射回介质1。这种现象就是光的全反射。光是依靠全反射原理在光纤中传输。从上面二式可见，产生全反射与否不但与n2/n1有关，也与入射角θ1有关。设产生全反射的临界人射角为θc，则应有弘 sincn/n21

2.光缆的结构

图4一5(c)示光缆的结构。白圆圈代表光纤，图中所示为内有6根光纤的光缆，也可以有8根或更多。光纤围绕一根多股钢丝绳排列，其作用是增强光缆的机械强度。此外，为 了保证中继站之间的通信联系，有些情况下也为了给中继站提供电源，在光缆中常敷设一对塑料包皮的铜导线。外面的大圆圈代表塑料管，再外面是塑料护套，再外面是铝合金管，再外面用电镀的钢丝绳保护，进一步增强其机械强度。

光纤有三种基本型式：

(1)多模(折射率)阶跃式，简称多模阶跃式； (2)多模(折射率)渐变式，简称多模渐变式； (3)单模(折射率)阶跃式，简称单模阶跃式。

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图4-6示在三种光纤中光传输途径的区别示意图。n表示折射率。所渭阶跃式是指在纤芯中和包层中光的折射率都是均匀分布的。包层的折射率n2小于纤芯的折射率n1。从纤芯到包层，在分界面上折射率突然减小。所谓渐变式是指在纤芯中从轴线沿着径向方向折射率逐渐减小。多模是指可传送多束光线，单模则指沿轴线传送一束光线。在图4-6(a)的多模阶跃式光纤中所能传输的光束数(模式)决定于纤芯的半径和纤芯与包层折射率的差别。由多个光束组成的光脉冲在多模阶跃式光纤中传输时，沿轴线传输的光束传输的路程最短，因而传输所需的时间也最短。与轴线夹角愈大的光束在传输过程中反射的次数越多，经过的路程越长，传输到末端所需的时间也越长，因而各光束到达终端的时间也不同，使得光脉冲变宽。这种现象称为光的色散，这就使得各光脉冲之间的间隔不能太小，免得互相衔接使脉冲丢失，使信号发生错误。因此，多模阶跃式光纤的数据传输速率较低，只能用于短距离数据传输，也常用于图像传输。这种光纤的优点是直径较大，机械强度较大，光源和光纤的对准比较容易。

在图4-6(b)中的多模渐变式光纤中，纤芯的折射率从轴线沿着径向方向逐渐减小。光束沿着轴线传输的距离虽短，但速度较慢，距中心线越远处光束的传输距离虽长但速度较快，这就部分地补偿了由于路程不同而产生的时间差异，使光脉冲的变形减小。这种光纤用于中等距离、中等信号速率的数据传输。 图4-6(c)的单模阶跃式光纤的纤芯半径较小，只传输沿中心线射入的一种光束，消除了色散现象，可用于远距离高数据速率的传输。其缺点是光纤太细，机械强度较小，需要精密的光源与光纤的对准工具，这些问题目前都已解决。

光缆敷设的方法有五种：

(1)包在架空地线的铝绞线内；

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(2)绕在输电线导线上；

(3)埋在沿线路的电缆沟中；

(4)挂在输电线导线或架空地线导线上；

(5)专门敷设平行于输电线的架空光缆线路。 上述五种敷设方法中，第一种方法最好，在国外已得到大量应用，在我国也已开始应光纤通道用于50~7Okm以下的短距离输电线，不需要中继站，和导引线保护一样，但没有过电压、电磁干扰等问题。目前，对光纤的降低衰耗、现场“焊接”、对正等技术和工具问题都已解决，故可用于任何长距离的输电线，只是与微波保护一样每经过50-7Okm需一个中继站。图4-5(d)为光纤通道的组成示意图，与微波通道相似，只是将对微波的调制解调改成对光波的调制与解调。同时，光纤通信是单方向的，发送和接收各用一根光纤。 因光纤通信容量很大，也可与其他通信部门复用。

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