光纤的通讯原理及其在仪表系统施工中的应用

王建新

摘 要：本文以单模光纤为例，介绍光纤通讯的工作原理和光纤在施工中的应用，包括光纤的安装，OTDR检测，熔接，，以及在光纤施工中应该注意的问题。

关键词：光纤通信;OTDR检测;光纤熔接;光纤施工

1、概述

光纤通信是现代通信网的主要传输手段，是推动整个通信网络发展的基本动力之一，是现代电信网络的基础，光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。目前，光纤通信技术已有了长足的发展，新技术也不断涌现，进而大幅度提高了通信能力，并且光纤应用于工业领域的技术越来越成熟。根据纤芯直径的大小，传输信号的模式的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤，单模光纤由于具有工作频带宽，传送的信号频率高，传输距离远，抗干扰能力强等特点而广泛应用工业生产领域。

2、光纤通讯的基本原理

光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波的上限，因为光是一种频率极高的电磁波 ，因此用光作为载波进行通信容量极大，是以往通信方式的千百倍。

光纤作为传输媒介时，在两端都要进行光信号与电信号之间的转换。光通信系统的组成主要有光源、光纤、光检测器。 发端的光源在电信号的作用下，发出与之时应的光信号，完成电/光转换的任务。常用的光源有半导体激光二极管和半导体发光二极管。 接收端收到从发端经过光纤送来的光载波时，首先由光检测器把收到的光信号转换成对应的电信号，再经过放大均衡，还原成所需要的电信号。

3、光纤通讯的施工

光纤在实际应用中以光缆的形式使用。与普通仪表电缆相比较，光缆具有重量轻，纤芯极细，易断裂，并且在光缆的铺设过程中，不同的铺设工艺对光信号的影响是比较显著的。光缆中的光纤一旦受到拉力的作用就会引起应变，首先导致色散的增加，接着就会引起附加衰减。

一、光缆的敷设安装

在实际工程中，根据不同的型号、规格和材质，光缆的铺设一般有架空和直埋两种形式。光缆在地下敷设时，应敷设在保护管内，保护管和电缆井的布置和施工应符合设计文件的规定，且应由土建专业完成。光缆敷设前，应对保护管和电缆井内进行清理，达到清洁畅通。在道路狭窄操作空间小的时候，宜采用人工抬放敷设光缆。敷设时不允许光缆在地上拖拉，也不得出现急弯、扭转、浪涌或牵引过紧等现象。光缆敷设完毕后，应及时检查光缆的外护套，如有破损等缺陷应立即修复;并测试其对地绝缘电阻。直埋光缆的接头处、拐弯点或预留长度处以及与其他地下管线交越处，应设置标志，以便今后维护检修。标志可以专制标石，也可利用光缆路由附近的永久性建筑的特定部位，测量出距直埋光缆的相关距离，在有关图纸上记录，作为今后查考资料。架空敷设光缆在空中从电线杆到电线杆敷设，架空光缆可用镀锌钢绞线作悬挂光缆的吊线。吊线与光缆要良好接地，要有防雷、防电措施，并有防震、防风的机械性能。架空吊线与电力线的水平与垂直距离要2m以上，离地面最小高度为5m，离房顶最小距离为1.5m。架空光缆的挂式有3种：吊线托挂式、吊线缠绕式与自承式。自承式不用钢绞吊线，光缆下垂，承受风荷力较差，因此常用吊挂式。由于光缆的卷盘长度比电缆长得多，长度可能达几千米，故受到允许的额定拉力和弯曲半径的限制，在施工中特别注意不能猛拉和发生扭结现象。一般光缆可允许的拉力约为150～200kg，光缆转弯时弯曲半径应大于或等于光缆外径的10～15倍，施工布放时弯曲半径应大于或等于20倍。为了避免由于光缆放置于路段中间，离电杆约20m处，向两反方向架设，先架设前半卷，再把后半卷光缆从盘上放下来，按“8”字型方式放在地上，然后布放。

二.光缆的OTDR测试

光缆敷设完毕后需要对其进行相应的测试，以检测光缆敷设导致的信号衰减是否符合通讯的要求，以及在施工过程中是否对纤芯造成了损伤。通常的光纤检测为OTDR测试。OTDR的英文全称是Optical Time Domain Reflectometer，中文意思为光时域反射仪。OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。OTDR测试是通过发射光脉冲到光纤内，然后在OTDR端口接收返回的信息来进行。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质，连接器，接合点，弯曲或其它类似的事件而产生散射，反射。其中一部分的散射和反射就会返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探测器来测量，它们就作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在玻璃物质中的速度，就可以计算出距离。通常情况下OTDR测试仪发射的光波波长为1310nm和1550nm。

以M200型OTDR测试仪为例，测试结果如下图所示：

M200 型OTDR测试仪能够显示光纤类型，光波在光纤内的折射率（光波在光纤内的传播速度低于光在真空或空气中的传播速度），光缆的长度，以及OTDR测试仪发出的光波在光纤传输过程中的衰减。

三、光纤的熔接以及接头处衰减的测试

光缆一经定购，其光纤自身的传输损耗也基本确定，而光纤接头处的熔接损耗则与光纤的本身及现场施工有关。努力降低光纤接头处的熔接损耗，则可增大光纤中继放大传输距离和提高光纤链路的衰减裕量。

影响光纤熔接损耗的因素较多，大体可分为光纤本征因素和非本征因素两类。

光纤本征因素是指光纤自身因素，主要有四点。

（1）光纤模场直径不一致;

（2）兩根光纤芯径失配;

（3）纤芯截面不圆;

（4）纤芯与包层同心度不佳。

影响光纤接续损耗的非本征因素即接续技术。

（1）轴心错位：单模光纤纤芯很细，两根对接光纤轴心错位会影响接续损耗。当错位       1.2μm时，接续损耗达0.5dB。

（2）轴心倾斜：当光纤断面倾斜1°时，约产生0.6dB的接续损耗，如果要求接续损耗≤0.1dB，则单模光纤的倾角应为≤0.3°。

（3）端面分离：活动连接器的连接不好，很容易产生端面分离，造成连接损耗较大。当熔接机放电电压较低时，也容易产生端面分离，此情况一般在有拉力测试功能的熔接机中可以发现。

（4）端面质量：光纤端面的平整度差时也会产生损耗，甚至气泡。

（5）接续点附近光纤物理变形：光缆在架设过程中的拉伸变形，接续盒中夹固光缆压力太大等，都会对接续损耗有影响，甚至熔接几次都不能改善。

其他因素的影响。

接续人员操作水平、操作步骤、盘纤工艺水平、熔接机中电极清洁程度、熔接参数设置、工作环境清洁程度等均会影响到熔接损耗的值。

光纤熔接严禁在多尘及潮湿的环境中露天操作，光缆接续部位及工具、材料应保持清洁，不得让光纤接头受潮，准备切割的光纤必须清洁，不得有污物。切割后光纤不得在空气中暴露时间过长尤其是在多尘潮湿的环境中。熔接前，首先要准备好剥纤钳、切刀、熔接机、热缩套管、酒精棉等必要操作設备、工具和必需材料，查看熔接机电源是否充裕够用，各种材料是否齐全等，然后把要熔接的光纤外护套、钢丝等视盘纤长度去除，查找出需要熔接的相对应的光纤，在做好前期充分准备工作的前提下，按照制备端面、熔接光纤、盘纤整理、质量检查四个步骤逐一进行。

熔接机的功能就是把两根光纤熔接到一起，所以正确使用熔接机也是降低光纤接续损耗的重要措施。根据光纤类型正确合理地设置熔接参数、预放电电流、时间及主放电电流、主放电时间等，并且在使用中和使用后及时去除熔接机中的灰尘，特别是夹具、各镜面和v型槽内的粉尘和光纤碎末的去除。每次使用前应使熔接机在熔接环境中放置至少十五分钟，特别是在放置与使用环境差别较大的地方（如冬天的室内与室外），根据当时的气压、温度、湿度等环境情况，重新设置熔接机的放电电压及放电位置，以及使v型槽驱动器复位等调整。

光纤熔接完毕后，需要使用OTDR测试仪检查熔接点的衰减值，具体方法参见光纤安装完毕后的OTDR测试方法。

光纤熔接和测试完毕后要进行盘纤操作。正确的盘纤方法，不仅可以避免因挤压造成的断纤现象，使光纤布局合理、附加损耗小，能够经得住时间和恶劣环境的考验，而且有利于以后的检查维修。盘纤时，一般沿松套管或光缆分歧方向为单元进行，每熔接和热缩完一个或几个松套管内的光纤、或一个分支方向光缆内的光纤后，盘纤一次，避免光纤松套管间或不同分支光缆间光纤的混乱，使之布局恰当、易盘、易拆、易维护。也可以预留盘中热缩管安放单元为单位盘纤，根据接续盒内预留盘中某一小安放区域内能够安放的热缩管数目进行，依此避免由于安放位置不同而造成的同一束光纤参差不齐、难以盘纤和固定，甚至出现急弯、小圈等现象。

4、光纤施工中的注意问题

由于光纤通讯系统具有通讯工作频带宽，速率高，并且光缆的安装和熔接工艺对于光纤的衰减影响比较大，所以在系统施工中应该注意以下问题.

一、不允许超过各种类型光缆的拉力强度。如果在敷设光缆时违反了弯曲半径和抗拉强度的规定，则会引起光缆内光纤纤芯的石英玻璃断裂，致使光缆不能使用。

二、光纤熔接时要求连接处的接触面光滑平整，而且要求两端光纤的接触端中心完全对准，其偏差极小，因此技术要求较高，要求有较高新技术的接续设备和相应的技术力量，否则将使光纤产生较大的衰减而影响通信质量。

三、光纤熔接后必须进行接点光衰减的OTDR测试。确认衰减在工程规范规定的范围内进行接头的封装，注意防水，防污染处理，提高光纤通讯系统的可靠性。

本文对光纤通讯原理和施工过程中的注意事项进行了论述，其中的一些内容是笔者在工作中的心得和总结，还恳请各位同事和专家指正。在以后的工作中，笔者将不断的学习总结，以便提高个人工作能力和施工水平，更好的为公司的发展贡献自己的力量。