光纤和光缆

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附录光纤和光缆

1．光纤的构造

作为通讯通道的光纤，其构造如图1-1所示，它由纤芯、包层、涂覆层和套塑四部分组成。纤芯在中心，是由高折射率的高纯度二氧化硅材料组成，主要用于传递光信号；包层是掺有杂质的二氧化硅组成，其光的折射率要比纤芯的折射率低，作用是使光信号能在纤芯中产生全反射传输，涂覆层及套塑主要是加强光纤的机械强度。

图1-1 光纤结构图1-2 光缆结构

光纤在实际工程应用中，都要制作成光缆，一般的光缆有多根纤芯绞制而成的。光纤成缆时，要求有足够的机械强度，在缆中用多股钢丝来充任加固件；有时还在光缆中绞制一对或多对铜线，用作电信号传送或电源线之用，见图1-2所示。其光缆的纤芯数量可根据实际工程要求而纹制。

一般在电网中采用的光缆有以下几种方式：埋地式：缠绕式——将光缆缠绕在高压输电导线上；悬挂式——并行悬挂在高压输电导线上；复合地线式光缆（OPGW）——外层为金属保护层作为高压输电线的绝缘地线，内层是绞制的光纤。

2．光纤传输原理

光信号在光纤中传输是依据光学的全反射原理，如图1-3所示，当光波电光密介质（nl）斜入射向光疏介质（n2，nl>n2），并且其光线的入射角θ c大于全反射临界角时θ o时（θ o=aracSin

n2），其光线将n1不会进入n2介质，而在n1介质中产生全反射现象。光波信号在光纤中的传输就是按这种全反射方式实现传播的，如图1-4所示

图1-3 全反射现象

图1-4 光在光纤内的传播

射入光纤的光，不是任何角度的光都能在光纤中产生全反射传播，而每种光纤的纤芯及外层的折射率都不一样，这一差值使光纤具备这样一个重要特性，并可以来衡量光纤的接收光能力或聚光能力。这一特性参数是光纤的数值孔径（NA)。

NA=Sinθα=

2n12?n2?n12?

其中△=n1-n2/ n1

图1-5 θα的定义

θα是光波由空气进入纤芯，能在光纤内实现反射传播的与轴线的最大夹角，图1-5所示。式中的△称为相对折射率差，由上式可见，光纤的数值孔径NA与其相对折射率差△有关；△值越大，数值孔径NA也越大，表明光纤捕捉光线（聚光）能力越强。从光源与光纤的耦合观点来看，NA值越大越好，但NA值太大，会使光纤的色散增加或传输带宽降低．CCITT规定NA取值范围为0.15～0.24，我国一般NA=0.2±0.02。

3．光纤类型及谱特性

按照光纤中光信号传输模式的多少，光纤可分为多模光纤（MM）及单模光纤（SM）。

光纤中的传输模式是多个时，称为多模光纤，常见的多模光纤纤芯直径为50μm，包层直径为125μm，表示为50/125μm；根据纤芯剖面介质的分布可分为阶跃型多模光纤（SI，MM）和渐变型多模光纤（GI，MM），其传播方式如图1-6所示：

图1-6a 阶跃多模光纤

图1-6b 渐变多模光纤

光纤中只能传播一个模式的光纤，称为单模光纤，要实现单模传输，要求其纤芯直径很小，通常为9/125μm，见图1-7，一般单模光纤芯折射率属阶跃型的（SM，SI）

图1-7 单模光纤

单模及多模光纤的有关特性比较见下表

光纤 MM，SI MM，GI SM，SI

对于继电保护所用的光纤，所要考虑的最重要的特性是光纤的衰耗值，而光纤的衷耗值不但与光纤的类型有关，而且还与通过的光信号波长有关，图1-8是光纤的谱特性曲线。

芯径（μm） 50 50,62.5 9 包层直径（μm） 125 125 125 数值孔径 NA 0.2 0.2 0.1/0.3 带宽 GH·Km 0.03～0.05 0.2～1 20 衷耗 dB/Km 4～8 3～5, 1～2 0.5, 0.3

图1-8 光纤谱特性

一般的光纤在波长0. 7～1. 6μm之间有三个衰耗高峰，每两个衰耗峰之间有一个相对低的衷耗区域，这三个波长区域被用作光纤通讯的可用波长段，这三个波长段分别是0. 85μm（短波长）、1. 3μm （长波长），1.55μm （长波长）各种波长的光纤特性如下表所示：

光纤类型波长（μm） 0.85 多模光纤 1.3 单模光纤 1.3 1.55 衷耗 dB/Km 2～3 0.5～1.2 0.3～0.8 0.1～0.3 带宽 GH·Km 0.2～1 0.2～1 20 20 3

4．光纤连接及损耗

光纤的连接不同于电线的连接，光纤的连接要考虑两根纤芯的几何位置，通常的连接方式有两种，熔接和机械连接。

熔接就是用电弧同时熔化光纤的两个端面，熔接有人工熔接（用人工熔接仪，仅用于多模光纤），和自动熔接（用自动熔接仪）两种方式。对于自动熔接，一般接头损耗可达到0.05～0.01dB。

机械连接就是用具有专门定位光纤机械连接器来连接光纤，一般继电保护用的光纤接口端机与外界敷设的光缆连接就采用这种方式．目前，我国较通用的连接器为FC型，其他类型的还有SC型、SMA型、ST型等，一般连接器的损耗为0.2dB～1dB左右。光纤连接器的结构及安装见图1-9所示。

图1-9 光纤连接器

5．光纤通讯器件

在光纤通讯系统中，必须要有光/电、电/光能量转换器件，将电信号变成光信号，在光纤中传输；并将光纤中的光波信号还原成电信号。通常将电信号变成光信号的器件称为光纤发射器件或光源，将光信号转换为电信号的器件称为光纤接收器件。（1）光纤发送器件/光源

光源的用途是将电信号转换成为光信号，并耦合入光纤中传输。在光纤通讯中，用作光源折器件有两种：发光二极管（LED）和激光二极管（LD）；不论是LED，或是LD，均可做成0.85μm，1.3μm或1.55μm波长的器件。若所耦合的光纤为多模光纤，则为多模光源器件；耦合的光纤为单模光纤，则为单模光源器件。

当有电流流过光源器件时，光源器件受激发射出特定波长的光束。LED的光发射呈球幅射，发射角度大，其光信号耦合入光纤中的效率低；LD的光发射呈直线，发射角度小，其光信号耦合入光纤中的效率高，见图2-1。

图2-1 光源发光方式

LED与LD各种性能比较见下表：器件 LED LD

由于继电保护专用光纤通道距离较短，且频带较窄（最多速率为64Kb/s），继电保护装置所用光源器件都是LED，其LED的驱动电路如图2-2所示。

输出功率 10～100μw 2mw～20mw 驱动电源 20～200mA ＞100mA 频响范围 50MHz 1GHz 驱动电路简单复杂热稳定性稳定不稳定调制噪声小大价格便宜很贵

图2-2 LED驱动电路及外形

（2）光纤接收器件

光纤接收器件是将光纤中耦合的光信号转换为电信号。常用的光纤接受器件有两种，一是PIN二极管，另一是雪崩二极管（APD），两者性能如下表光接收收光面积灵敏度器件 PIN APD

由于价格及所加偏压的选择，在继电保护应用中，一般选用PIN二极管。光接收器件是将所收到光信号的强弱程度反映为PIN管中感应电流的大小，一般接收检测回路中还要经过电流放大器放大。有的光接收器件是将PIN直接与前置电流放大器集在一起（PIN-FET组件），见图2-3，其接收光信号的大小直接转换成电压信号的大小输出。

响应度 A/W 0.4～0.7 10～70 外加偏压 V 10～30 250～350 动态范围 dB 60 20 mm2 0.3～3 0.8～8 dBm -58 -70 带宽 1～2GHz 90～150MHz 杂音小大价格便宜贵

图2-3 PIN-FET组件

6．基本光纤通讯系统

一个基本光纤通讯系统应用这样几个部分组成，见图2-4，发送调制、光源、光纤连接器、光纤通道、光纤接收器、接收解调；对于长线路，光纤通道中间应增设一个或多个光中继设备，由于继电保护专用光纤通道一般用于短线路，因此在实际工程，无需增设中继设备。

图2-4 基本光纤通信系统

发送调制就是将所需传送的保护信号（模拟电流信号或跳闸命令信号）变换成能够采用光纤通道传输的脉冲信号方式，常用的调制方式有脉码调制（PCM）、脉宽调制（PWM）、移频键控（FSK）等。光源为LED，光纤接收器为PIN-FEI'，接收解调即将有关脉冲方式的信号还原成相应的保护信号形式。

对于一条光纤通道，整个通路的衰耗及接收裕度计算如下。假定一条光纤系统，LED输出功率为-20dBm（1.3μm，单模）。PIN-FEI'的灵敏度-40dBm，光纤长度5Km，一般光纤拉丝成缆的长度为2Km，因此5Km光纤就要有2个熔接点，并且两侧的连接器还有两个熔接点。其光纤通路的衰耗为：

光纤衰耗（0.4dB/Km×5）熔接点（0.2dB/个×4）连接器（0.5dB/个×2）通道总衰耗 LED输出功率

总衰耗

实际接收电平

接收灵敏度（PIN-FET）接收裕度

2dB 0.8dB 1dB 3.8dB -20dBm 3.8dB -23.8dBm -40dBm 16.2dB