引言
    我们现在的“技术时代”是许多灿烂发明以及发现的结果，但是，正是我们传输信息的能力以及我们用来完成发明和发现的媒体，促成了发明与发现的不断演化。从一个世纪以前的铜线到现在光缆，我们提高了在更长的距离上、更快和更多地传输信息的能力，从而开拓了我们在所有领域进行技术开发的范围。
    与以往开发的所有传输媒介相比，当今的低损耗光缆几乎提供了无限的带宽和无比的优势。基本的点对点光纤传输系统由三个基本单元组成：光学收发器、光缆以及光接收器(见图1)。
 
    光发射器：是一种把模拟或数字电信号转换为相应的光信号的发射器。光信号源可以是发光二极管或固体激光二极管。光发射器的常见工作波长为850、1300或1550纳米。
    由Communications Specialties制造的Most Fiberlink传输设备工作在850或1300纳米波长。
    光缆：光缆由1根或1根以上的玻璃纤维组成，它是光学信号的传播介质。光缆在结构上类似于电缆，但是，为内部的光纤提供了特殊的保护层。对于需要在几公里这样的长距离上传输信号的系统，或在两根或两根以上的光缆必须结合在一起的地方，通常要采用光分支器。
    光接收器：该接收器把光信号转换回原始的电信号。光信号检测器可以采用PIN类光电二极管或雪崩类光电二极管。
    Most Fiberlink接收设备采用PIN类光电二极管。
    光纤系统的优点
    光纤传输系统是一种由光缆连接起来的光纤发送与接收系统，提供比传统的铜线或同轴电缆更多的好处。这些好处分别是：
    1. 跟铜缆或同轴电缆相比，光纤传输系统能够传输更多的信息并以更大的保真度传输；
    2. 与同轴电缆相比，光缆能够支持更大的数据率以及更长的传输距离，使之成为串行数据传输的理想选择；
    3. 光纤实际上不受任何种类的干扰，包括闪电干扰，并且不导电，因此，它可以直接与高压电气设备和电力线接触。它也不会产生任何种类的接地环路。
    4. 因为基本光纤由玻璃制成，它不会被大多数化学物质侵蚀和影响。它可以被直接埋设在大多数土壤中或暴露在化工厂的大多数腐蚀气体中，而不必严重担心其性能问题。
    5. 因为在光纤中唯一的载体是光，因此，不可能因光纤中断产生火花。甚至在大多数爆炸环境中，对于维修断裂光缆的人也不存在火灾或电击的危险。
    6. 光缆实际上不受外部气体条件的影响，让它们能够直接被扎捆到电话线杆或现有的电缆上，而不必担心拾取无关的信号。
    7. 在传输类似容量的信息时，光缆，即使一条包含许多光纤的光缆，通常比导线或同轴电缆更小且更轻。它的处理和安装方便，并采用较少的输送空间(它常常不需要输送管就可以安装)。
    8. 光缆是保密通信系统的理想选择，因为它非常难以分接，因此，不易被监听。此外，光缆绝对不产生电磁辐射。
能够提供所有这些优点的光缆怎么样？这本指南将概要介绍光纤技术，分发射器、接收器以及光缆这三个部分来进行讨论。掌握这些基本技术，将为掌握光缆的诸多好处提供一个有用的框架。
    光发射器
    基本光学发射器把电信号转换为调制光，以便在光缆上传输。根据该信号的特性，所产生的调制光线可能打开和关闭或光强度可能在两个预设的光强之间线性地变化。图2所示为这两个基本方案的图形表示。
 
    图2：基本的光调制方法   
    在光发射器光源中所采用的大多数器件是发光二极管(LED)以及激光二极管(LD)。在光纤系统中，这些器件被安装在封装之中，从而使光纤被尽可能地非常接近光线发射区放置，以确保把尽可能多的光线耦合到光纤中。在一切情况下，发射管甚至配备了微型球形透镜，目的是收集并把每一点光线聚焦在光纤上；而在另一些情形下，光纤实际上被直接扎在发射管的表面。
    LED具有比较大的发射区，因此，作为光源不如LD好。然而，它们在短到中等传输距离的光纤传输系统上获得了广泛的应用，因为它们非常经济，光线输出与电流输入特性线性度非常好，并且光输出相对于环境温度非常稳定。另一方面，LED具有非常小的光发射表面，使耦合到光纤上的功率比采用LED高许多倍。LD的光输出与电流输入特性也是线性的，但是，跟LED不同，它们在宽的工作温度范围上不稳定，因此，需要更多精制的电路来实现可接受的稳定性。此外，它们的成本比较高，因此，主要被用于需要在长距离上传输信号的各种应用。
    LED和LD均工作在电磁频谱的红外部分，因此，它们的光线输出通常是人眼可见的。它们的工作波长的选择要跟玻璃光纤的最低传输损耗波长以及发光二极管的最高灵敏度相匹配。当今最常用的波长为850nm、1300nm、以及1550nm。LED和LD均可使用所有这三个波长。
    如前所述，LED和LD的调制方式有两种：打开和关闭或线性调制。图3所示为实现LED或LD调制方法的简化电路。
 
    图3：LED或LED调制方法   
    从图3a可见，三极管被用于跟输入数字信号同步地打开或关闭LED或LD。该信号可以通过合适的电路从几乎任何数字格式被转换为三极管的正确的基极驱动。开关的速度由电路以及LED或LD的固有开关速度来确定。用于这种方式时，LED可以方便地实现几百兆的速度，而LD可以实现几千兆的速度。在这个例子中，为简化起见，省略了LD所采用的温度稳定电路。LED通常不需要任何温度稳定措施。
    LED或LD的线性调制是通过图3b中的运算放大器电路实现的。反相输入被用于给LED或LD提供调制驱动，而正相输入为直流偏置提供参考源。再次，为简化起见，LD所使用的温度稳定电路被省略了。
    LED或LD的数字开关调制可以采用几种形式。正如我们已经看到的，最简单的调制方式就是对于逻辑“1”光线打开；而对于逻辑“0”，光线关闭。此外，脉宽调制以及脉冲速率调制是另外两种常见的形式。在前一种形式中，利用一个宽度表示逻辑“1”，而另一个宽度表示逻辑“0”，由此产生持续的脉冲流；在后一种形式中，脉冲的宽度均一致，但是，脉冲的速率根据逻辑“1”以及逻辑“0”而变化。
    模拟调制方式也有几种。最简单的调制就是LED的亮度直接跟随发射信号而变化。在其它的方法中，RF载波首先与另一个信号进行频率调制，或在一些情形下，若干RF载波分别用不同的信号调制，然后，所有的信号被组合起来，并作为一个复合波形发送。图4显示，上述所有调制方法均是光线输出的函数。
 
图4：光传送模拟信信的各种方式
    光线的等效工作频率非常高，通常在1,000,000 GHz数量级，因此，会产生电磁辐射。由LED和LD产生的光线的输出带宽相当宽。遗憾的是，当今的技术不容许这个带宽被选择性地利用，就像在传统的射频传输中所采用的那样。更合适地说，整个光带宽的打开和关闭跟无线电处于幼年早期的“火花发射机”完全一样。然而，随着时间的推移，研究人员将客服这一障碍，并实现“相干传输”，正如他们所称呼的，将成为光纤发展的方向。
    光纤：发送光
    一旦发射器把电信号转换为所需要的任何形式的调制光，光线必须被发送到光纤之中。
如前所述，有两种方法可以把光线耦合到光纤中。一种方式是插入光纤中。另一种方式是把光纤顶端非常近地接近LED或LD。当采用接近型的耦合时，将进入光纤的光量是四个因素构成的函数，这四个因素分别是：LED或LD的强度；光发射区的表面积；光纤的接收角；以及因反射和散射造成的损耗。下面对这些因素进行简单的讨论：
    光强度：LED或LD的强度通常是其设计的函数，并且通过采用特定驱动电流下的总输出功率来描述。有时候，该数字由实际传输到特定类型的光纤中的功率给出。所有其它因素均是相等的，LED或LD提供的功率越大，发送到光纤中的功率就越大。
发光区的面积：发送到光纤中的光量是光线发射区面积与光纤接收芯的面积之比的函数。该比率越小，发送到光纤中的光线就越多。
    接收角：光纤接收角被表达为数值孔径。数值孔径(NA)被定义为光纤接收角的一半的正弦。典型的NA数值在0.1-0.4之间，对应于11-46度的接收角。光纤只发射角度等于或小于特定光纤的接收角的光线。
    其它损耗：除了在光纤表面的不透明阻塞之外，因为光纤进出口表面存在反射，所以总存在一定的损耗。这种损耗被称为Fresnell损耗，并且大约等于空气与玻璃之间每一次过度的4%。如果必要的话，可以在玻璃表面之间采用特殊的耦合凝胶体。
    在光纤中的光纤损耗
    当把LED或LD发出的光线耦合到光纤之中时，除了存在损耗之外，在光线穿过实际光纤传输的过程中也存在损耗。
    光纤线芯是采用超纯低损耗玻璃制成的。因为光线必须通过几千英尺或几条光纤线芯，所以，玻璃的纯度必须非常高。为了欣赏这种玻璃的纯度，可以看看常见的窗玻璃就知道了。我们认为，窗玻璃是清楚的，容许光线自由地通过，但是，这是因为它们仅仅1/16或1/4英寸厚。跟这种清晰的玻璃做对比，破摔的窗玻璃的边沿看起来呈绿色，并且几乎是不透明的。在这种情形下，光线通过边沿切口进入玻璃，在玻璃中传输几英寸。你可以想象一下，通过几千英尺的窗玻璃，有多少光线能够穿过呢？
    大多数通用光纤在850nm时的损耗为每千米4-6dB(每千米损耗60-75%)；当波长变为1300nm时，损耗下降为每千米3-4dB(50%-60%)；在1550nm波长，损耗甚至更低。高级光纤在850nm波长时每千米的损耗为3dB(50%)，而在1300nm波长时，每千米损耗为1dB(20%)。波长为1550nm，损耗为每千米0.5dB的光纤不常用。这些损耗主要是光线随机散射以及由玻璃中实际不纯的材料吸收光线的结果。
    在光纤中，另一个损耗因素是光纤过度弯曲，它会造成一些光线偏离光纤线芯。弯曲的半径越小，损耗就越大。正因为如此，沿着光缆的弯曲应该至少有一英寸的半径。
    光线的带宽
    所有上述的衰减因素均导致与带宽无关的简单的衰减。换言之，3dB的损耗意味着50%的光线被损耗掉了，不论光线是被调制在10Hz或100MHz。
    然而，光纤有一个实际的带宽限制，而这是安装每千米MHz测得的。掌握为什么会出现这种损耗的最简单方式就是参见图6。

    图6：不同的光路长度决定光纤带宽(different light path lengths determine the bandwidth of a fiber)  纤芯(core)  涂层(cladding layer)
    正如图6所述，设一束光线以小的角度M1进入光纤，那么，与以接近最大接收角M2进入光纤的另一束光线相比，它的传输路径更短。因此，不同的光束(或模式)以不同的时间抵达光纤的末端，即使远端采用相同的LED或LD。这就产生了拖尾效应，或者说，出现在光纤输出端的脉冲的起点以及端点存在不确定性，这样就会限制能被发送的最大带宽。简而言之，光纤的模式越小，光纤的带宽就越高。通过把光纤线芯做得尽可能小，可以减少光纤模式的数量。单模光纤的线芯直径仅仅为8-10微米，因此，让仅仅几个模式的光线沿着线芯传播，所以，其带宽要高得多。具有较宽线芯直径的光纤，如50微米以及62.5微米光纤，容许许多模式的光纤传输，因此，被称为“多模”光纤。
    常见光纤的典型带宽范围从非常大线芯光纤的每千米几MHz，到标准多模光纤的每千米几百MHz，乃至单模光纤的每千米几千MHz。随着光纤长度的增加，其带宽将成比例低减少。例如，在1千米距离上能够支持500MHz的光缆，在2千米仅仅能支持250MHz，而在5千米就只剩下100MHz。
    因为单模光纤具有如此高的固有带宽，当采用这种类型的光纤时，“带宽减少是传输距离的函数”这个因素不是真正要担忧的问题。然而，当采用多模光纤时，要考虑这个问题；因为最大带宽常常落在信号的范围内，因此，常常被用于点对点的传输系统中。
    光缆的结构
    光缆具有所有的尺寸和形状。就像同轴电缆一样，其实际结构是其目的用途的函数。它还具有类似的“感觉”和外观。图7所示为典型的光缆的结构。
 
    图7：典型的光缆结构
    基本光纤被覆了一层缓冲材料，主要用于制造过程中保护光线。这种光纤然后被封装在自由的PVC管中间，从而容许光纤被弯曲，特别是当光纤经过角落或当被沿着导管牵引时。自由的套管周围是一种麻花状的纤维纱线强力材料，这种材料吸收了安装过程中作用在光纤上的大部分张力。最后，PVC外部护套密封光缆并防止灰尘进入。
    对于不需要非常严酷条件的建筑物内应用来说，采用基本光纤是理想的选择。除了基本的种类之外，它也可用于几乎任何应用，包括直接掩埋、防护、具有钢材外套的抗侵蚀光缆以及UL高压级光缆。也可以采用色彩编码的多光纤光缆。
    其它类型的光纤
    在数据传输过程中，通常不会采用大线芯直径的硅石光纤以及完全由塑料制成的光纤。
硅石光纤通常被用于设计大功率激光和传感器的应用，如医疗激光手术。所有塑料光纤均被用于设备内部的短链路，因为它可能与比较廉价的LED配合使用。作为高压电源组成部分的隔离系统可能是塑料光纤的一个典型应用实例。
    光纤连接器
    光纤连接器是把光缆连接到外部设备以及其它光纤的常用手段。这些连接器在功能和外观上类似于电连接器，但是，实际上是高精度的器件。一般来说，连接器位于光纤的中心，收集光线的线芯被直接沿着光纤的中心安装，并对准光源(或其它光纤)，其公差为几万分之一英寸。因为常见的50微米光纤的线芯尺寸仅仅为0.002英寸，因此，显然需要如此高的公差。
    目前有许多不同类型的光纤连接器在使用之中。在发明单模光纤以前，人们首先发明的就是SMA连接器，迄今为止，这仍然是最流行的一类连接器。图8显示了这种连接器的部分分解图。
 
    图8：SMA连接器结构
    目前，人们所采用的最流行的一类多模连接器是ST连接器。它最初由AT&T开发用于电信用途，这种连接器采用了扭曲锁住型设计。典型的配对ST连接器的损耗小于1dB(20%)，并且不需要对准套子或其它类似器件。其中，包含一种“防旋转拉环”以确保每一次连接器均被配对，光纤总是回到相同的旋转位置，就确保不变和一致的性能。
确地配合。更为昂贵的单模ST连接器既可以跟单模光纤，也可以跟多模光纤配合使用。
ST连接器的安装过程不难，可以由任何系统集成商轻易地掌握。图9显示了典型的ST连接器的一些主要功能。
 
图9：工业级ST连接器主要特点
    光纤接合
    尽管光纤连接器可以被用于把光缆连接在一起，但是，可以采用其它方法获得更低的接合损耗。最常见和流行的两种接合方法就是机械接合法以及熔接法。两种方法均能做到0.15dB(3%)到0.1dB(2%)的接合损耗。
    在机械接合中，两根光纤的端点要做清洁和剥开，然后，小心地连接在一起并用机械装配方法对准。在接触点要采用凝胶体降低反射并保持接合损耗为最小。光纤的端点由摩擦力或压缩力保持在一起，而接合装配件采用一种锁住机制，使两根光纤保持对准。
    相比之下，在熔接接合中，要把两根光纤的端点实际熔接起来，从而得到一根没有断点的连续的光纤。熔接接合需要采用特殊昂贵的接合设备，但是，熔接过程很快，因此，如果熔接量大，成本会趋于合理。因为熔接接合易碎，通常要采用机械设备来保护光纤。
    光接收器
    基本光接收器把从光纤来的调制光转换回施加在发射器上的原始信号。
    这种调制光的检测器通常要么采用PIN，要么采用雪崩二极管。该检测器安装在类似于LED或LD所采用的连接器中。光电二极管通常具有大的敏感检测区域，其直径有几百微米。这就在把光纤对准接收连接器的过程中不需要采取特殊措施，与光发射器相比，对能否“对准”的担忧要小多了。
    因为光纤输出的光量相当小，光接收器通常要采用高增益内部放大器。正因为如此，光接收器可能易于过载。为此，对于给定的系统，仅仅采用特定尺寸的光纤就至关重要。例如，如果把为单模光纤设计的发射器/接收器配对器件用于多模光纤，那么，因为在光源处存在过度光耦合，所以会导致光纤输出处的光量太大，从而使接收器过载，并引起严重的输出信号失真。类似地，如果把为多模光纤设计的发射器/接收器用于单模光纤，那么，抵达接收器的光线就不够，从而导致要么输出信号中存在过大的噪声，要么根本没有信号。只有一种情况可以考虑采用任何种类的“失配”接收器，那就是光纤中存在过大损耗的时候，可以采用单模光纤把5-15dB的额外光耦合到一根多模光纤之中，从而实现正常的工作。然而，这是一种极端情况，通常不推荐这么做。
    因为在发射器的情形下，模拟和数字光接收器均可采用。这两类接收器均采用了一个模拟前置放大级，随后接一个模拟或数字输出级(取决于接收器的类型)。图10是简单的模拟光接收器的功能图。
 
图10　基本模拟光纤接收器
    第一级是一个被连接作为电流-电压转换器的运算放大器。这一级采集由光电二极管输出的微弱电流，并把它转换为电压，其数值通常在毫伏范围。下一级是一个简单的电压运算放大器。在此，信号被提升至所需要的输出电平。
    图11是简单的数字光接收器的功能图。正如在模拟接收器中的情形一样，第一级是电流-电压转换器。然而，这一级的输出被馈入一个电压比较器，由它产生一个清洁、快上升时间的数字输出信号。触发电平调节—当存在时—被用于在比较器切换的地方设置模拟信号上的“触发点”。这就容许对业已恢复的数字信号的对称性按需要做尽可能精确的调节。
 
图11　基本数字光纤接收器
    附加级常常被加在模拟和数字接收器上，从而为同轴电缆、协议转换器或其它功能的主机提供驱动器，以尽可能精确地再现原始信号。
    至关重要的是注意：尽管光缆不受各种形式的干扰影响，但是，电接收器却会受到干扰。正因为如此，当采用光纤电子元器件时，要采用诸如屏蔽和接地这样的常用措施。
    设计一种光纤系统
    单设计一种光纤系统时，存在许多必须考虑的因素，其最终目标就是确保足够的光线抵达接收器。如果接收的光量不够，那么，整个系统就不能正常地工作。图12确定了许多的这些因素以及相应的考虑。
 
图12：确定光纤系统时要考虑的重要参数
    当设计任何系统时，要按部就班地遵循下列程序：
    1. 根据待传输的信号(模拟、数字、音频、视频、RS-232、RS-422、RS485等)，确定正确的光发射器与接收器组合；
    2. 确定可用的工作电源(交流、直流等等)；
    3. 确定必要的特殊修改(阻抗、带宽、特殊连接器、专用光纤尺寸等等)；
    4. 通过叠加光缆损耗、接合损耗以及连接器损耗，计算系统中的光损耗(dB)；这些参数应该从电子以及光纤制造商获得；
    5. 利用从接收器容许的光损耗预算，比较损耗数字；对于整个系统，要确保增加一个至少3dB的安全性冗余因数；
    6. 核查光纤带宽是否足以通过所要传输的信号；
    在执行了所有上述计算以后，如果发现光纤带宽不足以把所要的信号发送必需的距离，那就有必要选择不同的发射器/接收器(波长)组合，或考虑采用具有较低损耗的金牌光纤。