2.4.2 光缆传输的性能指标
光缆（Fiber Cable）是光导纤维电缆的简称。光纤通信就是利用光纤传递光脉冲来进行通信。光载波的调制通常采用ASK振幅键控的形式，也称为亮度调制（Intensity Modulation）。以光的出现和消失来表示两个二进制数字。有光脉冲时，相当于1；没有光脉冲时，相当于0。由于可见光的频率非常高，约为108MHz的数量级。因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其他各种传输介质通信系统的传输带宽。
光缆传输具有传输损耗低、传输速率高、频带宽、无电磁干扰、保密性高、尺寸小和重量轻等显著特点，因此是近年来发展最快的传输介质之一。综合布线系统的“光进铜退”是大势所趋。
石英玻璃是光传输损耗最低的材料，由透明度非常高的石英玻璃拉成直径为8～62.5μm的柔软细丝，用这种纤维细丝传导光线，可以得到最低的传播损耗。
仅有这根玻璃纤芯是无法传播光线的，因为从不同角度入射的光线会直接穿透纤芯，而不是沿着光纤轴向传播，就像一块透明玻璃不会使光线改变传播方向那样。为使光线改变方向并能沿着光纤轴向传播，就必须在光纤芯的外表面涂一层折射率比光纤纤芯的折射率更低的涂层，这个涂层称为“包层”。这样，当入射光射入光纤纤芯后，会在纤芯与包层的交界处发生全反射，经过这样若干次全反射后，入射光线以极少的损耗到达光纤的另一端（接收端），如图2-22所示。包层所起的作用如同在玻璃背后涂的水银反光层那样，涂了水银的透明玻璃就变成了镜子。
如果在光纤纤芯外面只涂一层包层，那么从不同角度入射的光线会形成不同的行程，入射角大的光线（高次模光线）比入射角小的光线（低次模光线）的反射次数多，从而增加了行程。也就是说，在同一端、同时发出的一个光束，由于光束中各光线的入射角不同而不能同时到达另一端，在接收端造成光脉冲波形失真（脉冲波形展宽压平，见图2-22），这种现象称为“模态散射”。
改善光纤传输中的“模态散射”，可在光纤纤芯外面涂以多层包层，这些包层的折射率一层比一层低，形成一个折射率梯度的包层，使不同入射角的光线大致可以同时到达端点。这就是多模渐变折射率光纤的设计原理。
图2-22 光波在光纤芯中的传播
人们通常谈到的62.5/125μm多模光纤，指的是纤芯外径为62.5μm，加上包层后的外径为125μm。单模光纤的纤芯是4～10μm，外径依然是125μm。光纤的光学传输特性是由纤芯和包层决定的，它们是不可分离的。
按光纤的传输模式可分为多模光纤和单模光纤两类。“模”实际上就是光线的入射角，入射角大的称为“高次模（High Order Modes）”；入射角小的称为“低次模（Low Order Modes）”。
多模光纤的纤芯直径是62.5μm，光线可从多个角度入射，因此称为多模。单模光纤的纤芯直径只有数μm，用激光束（Laser）射入，进入纤芯的光线大多是与纤芯轴线平行的，只有一种射入角度，所以称为单模。
模1、模2、模3就像形状和速度各异的汽车，如图2-23所示。
图2-23 模就像形状和速度各异的汽车
单模光纤只能传输一种模式，不存在模色散问题。多模光纤的各光模由于反射次数的不同，使多模光线不能同时到达终端。
图2-24表示了多模光纤与单模光纤传输的区别。由于多模光纤中的模色散，在接收总模的光强时，会造成信号波形展宽。图2-25是多模光纤和单模光纤传输波形的比较。
图2-24 多模光纤与单模光纤传输速度的比较
a）多模光纤的比拟 b）单模光纤的比拟
图2-25 多模光纤和单模光纤传输波形的区别
a）多模光纤 b）单模光纤
光波在不同介质中传播的速度是不同的，在真空中的传播速度最快（光速c=3×108m/s）。光波在光纤中的传播速度v=真空光速c/光纤的折射率n1，玻璃的折射率n1≈33%，也就是说，仅为真空中光速c的1/n1，所以比真空光速慢33%。
光纤传输损耗较小的激光波段位于0.85μm（850nm），比0.85μm波段损耗更小的波段是1.31μm（1310nm），传输损耗最小的波段是1.55μm（1550nm）。这三个波段称为“光纤之窗”。1.30μm波段的最低传输损耗可达0.5dB/km；1.55μm波段的最低传输损耗可达0.2dB/km（即每千米损耗4.6%）。
脉冲调制的激光波束在光纤中的传输速度称为群速度（Group Velocity），vg=c×cosθ/n，θ为光束的入射角。
由于光纤非常细，其直径不到0.2mm，通常一根光缆中可包括数十根至数百根光纤，再加上加强芯和填充物，就可大大提高其机械强度。有的光缆中还加入远距离供电线缆。光缆的最外层是包带层和外护套，它的抗拉强度可达数公斤，完全可以满足工程施工的强度要求。
光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合近距离（几公里）传输。如果把光纤的直径减小到只有一个光波波长，那么光纤就像一根波导管那样，可使光线一直向前传播下去，而不会产生光线反射。这样的光纤称为单模光纤。单模光纤的纤芯很细，直径只有几个微米，制造起来成本较高。但单模光纤的传播衰减很小，在2.5Gbit/s的高速率下，可传输数十公里而不必采用中继器。图2-26是光缆的基本结构。
光纤系统使用两种不同类型的光源：发光二极管（Light Emitting Diode，LED）和注入型激光二极管（Injection Laser Diode，ILD）。LED价格较低，可在较大温度范围内工作并可持续较长的工作周期，用于多模光纤通信。ILD的光电转换效率高，有很高的数据传输率，但价格较高，主要用于单模光纤通信。
图2-26 光缆的基本结构
a）层绞式 b）单位式 c）带状 d）骨架式 e）软线式
接收端的光波检测器是一个光电二极管，它把光波转换为电信号输出，也有两种类型：一种是PIN（Positive-Intrinsic-Negative）光电二极管，它是在二极管的P层（+）和N层（-）之间增加了一个I层（本征层），PIN光电二极管价格便宜，但灵敏度较低；另一种是APD（Avalanche Photo Diode）雪崩光电二极管，它的灵敏度较高。这两种光电二极管都属于光电计数器。
低价可靠的发送器为850nm（0.85μm）波长的LED发光二极管，可支持40Mbit/s的速率和1.5～2km范围的局域网。低价接收器为850nm（0.85μm）波长的PIN光电二极管检测器。APD雪崩光电二极管检测器的信号增益比PIN光电二极管检测器高，但需用20～50V的电源。如果要达到更高的传输速率和更长的传输距离，可采用衰减很小的1310nm（1.31μm）或1550nm（1.55μm）波长的单模光纤系统，该系统价格要比850nm系统贵5～10倍。
由于声音、数据和视频这三种信号的通信格式差别很大，串联方式的数字复用系统是无效的。但是如果采用WDM波分复用技术，可以在一条光纤中同时发送三种完全分开的信号，三个不同波长组成三个子系统，可分别满足不同的要求。这种声音、数据和视频信号综合服务的共享传输系统是很有前景的。
光纤通信与一般电缆传输介质相比有很多优点，对于高性能、高吞吐率的局域网和综合布线的干线子系统，十分适合采用光纤传输介质。在WDM波分复用技术中，可以在一条光纤上并行传输许多路中、低速率的码流，这种宽带光纤链路是一种新的数据传输系统。
常用光缆特性如下：
（1）建筑物光缆由2、4、6、12、24或36根光纤构成。光缆外层具有UL防火标志的PVC外护套，可直接放在干线通道中。多模光纤纤芯的直径为62.5μm，单模光纤纤芯的直径为8μm，光纤包层的直径均为125μm。
（2）光纤的传输损耗和传输带宽不仅与传输光模式有关，还与工作波长区有关：
①1310nm（1.31μm）光波区的多模光纤传输衰减为1.0dB/km，最小带宽为500MHz·km；单模光纤的最低传输损耗可达0.5dB/km，最小带宽为33000MHz·km。
②850nm（0.85μm）光波区的多模光纤传输衰减为3.75dB/km，最小带宽为200MHz·km。
（3）建筑物综合布线采用850nm和1310nm两个波长区的光缆。其中850nm波长区采用突变型（Step Index）包层的单模光纤；1310nm波长区采用突变型包层的多模和单模两种光纤。
62.5/125μm大纤芯直径的多模光纤有以下优点：
①光耦合效率高。
②光纤对准要求不太严格。
③需要较少的管理点和接头盒。
（4）光缆的使用寿命为40年。
（5）光缆在各种环境下可承受的温度范围如下：储存/运输时为-50～+70℃，施工敷设时为-30～+70℃，维护运行时为-40～+70℃。
（6）光缆的防雷击性能。雷击对光缆的破坏作用主要有两个方面：一是雷电击中具有金属保护层的光缆时，强大的雷电峰值电流通过金属保护层转换为热能，产生的高温足以使金属熔融或穿孔，从而影响光纤传输性能；二是雷电峰值电流在附近大地中流过时，土壤中产生巨大的热能使周围的水分迅速变成蒸汽而产生类似气锤的冲击力，这种冲击力会使光缆变形。为了提高防雷击性能，光缆护套层中应不含金属加强构件。表2-18是多模光纤与单模光纤主要特性对比。
表2-18 多模光纤与单模光纤主要特性对比
水平子系统常用的光缆标准是62.5/125μm多模光缆（62.5μm为光芯直径，125μm为光纤包层）。主干子系统除以62.5/125μm多模光缆为主的光缆外还增加了一定数量的8/125μm单模光缆。单模光缆系统的通信带宽和通信距离都大大超过62.5/125μm多模光缆。光缆传输通道的性能指标包括光缆的传输衰减、带宽、截止波长和反射损耗等。
（1）传输衰减（Attenuation）。光纤通道允许的最大衰减应不超出表2-19中列出的数值。
表2-19 光纤通道允许的最大衰减值
注：1.多模光纤芯线的标称直径有62.5/125μm和50/125μm；综合布线系统中：多模光纤的最大通道长度为2km，因此，最小传输带宽分别为100MHz（850nm波长）和250MHz（1310nm波长）；单模光纤的最大通道长度为3km，因此，最小传输带宽为12000MHz（1310nm波长）。单模光纤实际允许的通信距离可达60km以上。
2.单模光纤芯线应符合IEC793-2；型号BI应符合ITU-T G.625标准。
3.光纤连接硬件的最大衰减为0.5dB；最小反射损耗为：多模光纤为20dB，单模光纤为26dB。
4.波长窗口是指光纤通信的有效工作频率范围的波长。
（2）反射损耗（Return Loss）。反射损耗是指注入光纤的光功率被反射回源头有多少，光纤传输系统的反射主要由光纤连接器和光纤拼接质量等因素引起。反射损耗越大，说明反射回源头的光功率越小。对所有光纤通信来讲，不管工作波长或光纤纤芯大小，光的反射损耗都是一个重要指标。综合布线光纤通道任一接口的反射损耗应大于表2-20中列出的要求值。
（3）截止波长（Cut-Off Wavelength）。截止波长是指单模光纤截止不同波长信号高次谐波的能力。只有截止通信波长信号的高次谐波频率，才能够实现单模光纤通信的性能。单模光纤的截止波长要求小于1270nm。