光纤传输技术

        由于光纤通信主要是靠光纤光缆传输信息，尤其现在是网络化与信息化的时代，需要光纤光缆建立宽带信息网络。显然，城市等大范围的安防监控系统，也离不开光纤传输网络。因此，光纤传输技术是光电信息传输技术中最核心的技术。本章除首先论述光纤传输技术外，接着论述无线光波传输技术、太赫兹波传输技术、光信息调制传输技术，以及它们在安防中的应用。'

(1)光缆的基本结构。光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。

        ①缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两种结构。紧套光纤有二层和三层结构。

        ②加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷。一般是金属丝或非金属纤维。

        ③护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条件可由铝带/聚乙烯综合纵包带粘界外护层(LAP)、钢带(或钢丝)铠装和聚乙烯护层等组成。

        显然，光缆是为了满足光学、机械或环境的性能规范而制造的，它是利用置于包覆护套中的一根或多根光纤作为传输媒质并可以单独或成组使用的通信线缆组件。一个四芯光缆剖面示意图，如图6-1所示，由图可见，光缆是由一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路，即由光纤（光传输载体）经过一定的工艺而形成的线缆。因此，光缆的基本结构实际是由缆芯、加强钢丝、填充物和护套等几部分组成，另外根据需要还有防水层、缓冲层、绝缘金属导线等构件。

图6-1   四芯光缆剖面示意图

        一般，通信用光纤的外径一般为125~140μm。由于光纤裸纤很脆弱，它虽然有防护层的保护，但仍不适于长距离室外工程项目的架设。因此，在实际的工程应用中，光纤都是包在高抗拉强度的外套内，以光缆形式岀现的。

        目前，光缆一般具有两种最基本的类型，即用于室外的松管型（如图6-2所示）和用于室内的紧包缓冲型（如图6-3所示）。 

        在图6-2所示的松管型光缆内，填充有防潮用的软胶，每根管内最多可以装12根光纤。在实际的多光纤室外应用时，一般采用如图6-4所示的多光纤室外光缆。这种室外光缆除具有多层金属与非金属的保护套管外，在其中心均设置有一根抗拉钢丝，这就可以进一步提高光缆的抗拉强度。尤其是将这种光缆用于室外架空安装时，还必须按图6-5所示那样，去捆绑金属钢丝。

图6-4   多光纤室外光缆               图6-5   光缆在室外架空安装

（2）光缆的分类。实际使用的光缆有按以下几种方法分类。

        光纤与光源或光电探测器耦合时，为了提高耦合效率，光纤端面应该抛光成镜面，且垂直于纤心轴线。进行这种光纤端面切割的简便方法是使用光纤切割刀具，如图6-6所示。将要切断的裸光纤顺着半径为R的(一般为几cm)刚体放置，金刚石刀垂直光纤在光纤上压一伤痕，然后对光纤施一张力(拉紧光纤)，伤痕产生的裂纹在弯曲应力和张力的作用下逐渐扩大，结果光纤就能平整如镜般地切断。切记不可用一般剪钳来切光纤，因为这样会因石英的脆性而断裂成高低不平的断面，从而无法使用。

图6-6       切断裸光纤的方法

 

        目前，光纤的连接方式有永久性固定连接和活动连接两种。固定连接一般用于线路中光纤与光纤的连接。活动连接用于机器与线路以及需要经常拆装的连接。不管是哪一种连接方式,其主要要求是一样的，即应具有低的损耗。

        (1)光纤永久性连接。永久性连接一般分为黏结剂连接和热熔接两种方式，如图6-7所示。这种连接都需要V形槽或精密套管，将光纤中心对准后加黏结剂使之固化，或者釆用二氧化碳激光器或电弧放电等热熔光纤对接，使之连接起来。由于纤芯很细，其操作过程都是在显微镜下进行的。在单模光纤连接时，除要求光纤纤径一致之外，重要的是要求在实质上代表分布宽度的模场直径(Mode File Diameter,MFD)要一致。

图6-7     光纤永久性连接

        连接焊点的好坏，直接决定连接的损耗。如焊接点的芯径失配、折射率分布失配、同心度不良及横向错位、轴向角偏差，以及端面的污染等，都可能使接点损耗增加。总之，不能出现图6-8所示的任何一种连接偏差。其中，图6-8(a)、图6-8(b)、图6-8(f)和图6-8(g)所示的连接偏差，对插入损耗影响最大。因此，固定焊接时，要求很高的几何精度和工艺水平。一般情况下，这种接头损耗可低达0.1dB水平。

       (2)光纤活动连接。活动连接主要用于仪器与线路，以及需要经常拆装的连接。光纤活动连接器的类型也很多，主要有单芯、双芯、多芯束状和单模、多模的光纤连接器等。若不考虑特殊设计，它们都包含有下列几个基本构件：插针体、用锁装置、后壳、压接套管和保护套。光纤活动连接器的外形如图6-9所示。 

图6-8   光纤连接可能出现的偏差

图6-9    光纤连接器的外形

        光纤活动连接器又分为多模连接器和单模连接器。多模连接器用于多模光纤系统，它有U形环路连接器、插座式连接器、现场装配连接器(FA)及C形连接器等几种；单模光纤连接器有直接接触型(PC型)、平面对接型(FC型)、矩形型(SC型)及ST型等几种。一般地，活动连接的平均损耗在0.25±1dB,最大损耗在0.5dB左右。

        为保证光纤连接器的光芯能够与光发射机及光接收机上接口座内的光芯部分平滑无缝地连接，必须对图6-9所示的光纤连接器的光芯截面进行磨光处理，以尽可能地减小光纤连接点处的插入损耗。而对光芯截面进行磨光处理的过程，需借助专用的光纤连接磨光机来完成。光纤连接磨光机可以精确地固定光纤连接器的光芯部分，使其与置于玻璃板上面的磨光薄膜保持严格的垂直关系。通过使其在磨光薄膜表面绕“8”字形的轨迹反复摩擦运动，即可将连接器的光芯截面打磨平滑。

       光纤的耦合，是把光源发出的光功率最大限度地输送进光纤中。这是一个比较复杂的问题，涉及光源发出的光功率的空间分布、光源发光面积、光纤的收光特性和传输特性等。

        (I)直接耦合。就是把一根端面的光纤直接靠近光源发光面放置，如图6-10所示。

图6-10    光纤与光源直接耦合

        在光纤确定的情况下，耦合效率与光源种类关系密切。如果光源是半导体激光器，因其发光面积比光纤端面面积还小，只要光源与光纤面靠得足够近，激光所发岀的光都能照射到光纤端面上。考虑到光源光束的发散角和光纤接收角的不匹配程度，一般耦合效率大约为20%。

        如果光源是发光二极管，情况更严重，因为发光二极管的发散角更大，其耦合效率基本上由光纤的收光角决定，即

η=P/Po=NA2                                   (6-1)

        例如，当NA=0.14时，则η=2%o为提高耦合效率，一种方法是在光源和光纤端面之间插入一块透镜，称为透镜耦合。 

      （2）透镜耦合。由几何光学定理可知，对于朗伯型光源（如发光二极管），不管中间加什么样的系统，它的耦合效率不会超过一个极大值，即

如ηmax=Sf/Se.NA2                              （6-2）

式中，Se为发光面积：Sf为光纤接收面积。式（6-2）表明，当Se大于Sf时，加任何光学系统都没有用，最大的耦合效率可以用直接耦合的办法得到。当&小于决时，加上光学系统是有用的，可以提高耦合效率，而且发光面积越小，耦合效率提高越多，在这个准则下，有如下一些透镜耦合方式。

        ①光纤端面球透镜耦合加透镜最简单的方法是将光纤端面做成一个半球形，使它起到短焦距透镜作用，如图6-11所示。

图6-11   端面球透镜耦合

        由图6-11可见，端面球透镜的作用是提高光纤的等效收光角，因而使耦合效率提高。这种耦合方法对突变型光纤效果很好，对折射率渐变型光纤则差一些。

        ②圆柱透镜耦合半导体激光器所发出的光在空间是不对称的，在平行于PN结方向上光束比较集中（2θ为5°〜6°）,在垂直于PN结方向上发散较大（2θ为40°〜60°），所以直接耦合时效率不高。利用圆柱透镜可使耦合效率有很大的提咼，其装置如图6-12所示。

图6-12   圆柱透镜耦合

        详细研究表明，当柱透镜半径R与光纤半径相同，激光器位于光轴上，且镜面位于z=0.3R时，可得到最大的耦合效率，大约为50%；如果激光器的位置在轴向上有偏离，则耦合效率明显下降。说明这种耦合方式对激光器、圆柱透镜及光纤的相对位置的精确性要求很高。

        ③凸透镜耦合。将光源放在凸透镜的焦点上，使光变成平行光，然后再用另一个凸透镜将此平行光聚焦到光纤端面上，如图6-13所示。

        这种耦合器由两部分组成，每一部分各含一个凸透镜。因为是平行光,连接部分要求不高，调整、组装等都比较容易，使用比较方便。但其耦合效率一般仅在5%左右。 

图  6-13   凸透镜耦合图

        ④ 自聚焦光纤。用一段长为顷的自聚焦光纤代替图6-13 (b)中的凸透镜，也可构成耦合器，一般是将光纤与自聚焦透镜胶合在一起，平行光进入 自聚焦透镜，经聚焦全部进入光纤，如图6-14所示。这种 耦合形式结构紧凑，稳定可靠，是较好的耦合形式。其耦合 效率一般为50%左右。        (3)光纤全息耦合。由于光纤全息片可以将光的波前互相变换，因此可以用来作为一种光纤耦合器。全息耦合器的制法如图6-16(a)所示，经光纤的发散光束作为物光束，直射光束作为参考光束，用重铭酸明胶或乳化银照相胶片作为全息记录介质。这个全息片就是一个光纤耦合器，如图6-16(b)所示，使用时，要求与记录全息图时的参考光相共轴的激光束照射，会聚光束被再现，并耦合进光纤中去。原则上讲，这种耦合方法的耦合效率是非常高的。而实际上由于全息片的衰减，这种耦合方式的实际耦合效率与透镜相比并不优越。不过，它的最大优点是，可以作为多功能的光学元件来应用。

        大家知道，利用光纤传输光信号实现光通信，是光纤光缆传输线最主要的应用。光纤可用于传输电话、电视，可用于计算机连网，可组成单位群落的通信网络等，尤其是在传输高质量的视频图像，且不希望图像质量有任何降低的远距离传输时，通常釆用光纤传输系统。

图6-16光纤全息耦合

        在光纤传输系统中，实际上光只是载波。由电磁波谱可知，光的频率比无线电信号的频率要高几个数量级（约1000倍以上）。而我们知道，载波频率越高，可以调制到电缆上去的信号的带宽也就越宽。由于光纤的带宽实在是太宽了，许多光发射机和光接收机都能够把很多路电视图像信号连同控制信号、双向音频信号一起调制到同一根光纤上去。

        在视频监控中使用光纤传输系统时，系统的图像质量只受限于摄像机、环境和监视器这三个因素。而光纤传输系统可以将图像画面传送到非常远的地方（一般几千米远），都不会使信号发生任何形式的畸变，更不会减损图像画面的清晰度或细节。视频监控的光纤传输系统的基本组成原理如图6-17所示。实际上，光纤传输系统主要由光发射端机、光纤光缆传输线、光接收端机及耦合器与连接器（两者图中未标明）组成。

图6-17视频监控光纤传输系统的组成原理

        光纤传输系统的工作过程是：光发射端机主要将待输出的电信号经信号处理放大后，去调制光源，产生相应的光信号（图中是将摄像机输出的视频电信号转换为光信号），然后通过耦合器将信号光束送入光纤内：该调制光信号经光纤光缆的长距离传输，被一个光接收端机接收,即将信号光束送入光电探测器，将光信号转换为电信号进行解调等处理后输出（图中是解调出所传送的视频电信号，供监视器显示），从而完成光纤传输信息的全过程。值得指岀的是，图中摄像机是通过一小段同轴电缆连接到光发射端机的，光接收端机也是通过一小段同轴电缆连接到监视器的，而光发射端机与光接收端机的光纤光缆间的对接，则要通过专门的光纤连接器进行。

        一般，光发射端机的光源大多采用半导体光源或半导体激光器。例如，用碑化镣发光二极管和激光器，其发光波长为0.8〜0.9μm；如用掺钗钮铝石榴石激光器，其发光波长为1〜1.1μm；如用碑保锢半导体激光器，其发光波长为0.87〜1.7μm等。而光接收端机中的光电探测器要求具有灵敏度高、响应快、噪声低的特点，因而常用PIN型光电二极管或APD型（雪崩）光电二极管等。值得提出的是，应注意光源、传输光纤和光电探测器三者间的光谱匹配,因为这对系统的工作特性有着很大的影响。

        光纤传输的信息既可以是模拟量，也可以是数字量，依具体要求而定。光纤传输通信的最大优点是通信容量大，其带宽可达300THz；光纤的线径细、质量轻，因此可节省材料，如1kg纯玻璃可拉制单模光纤达几千千米，拉制多模光纤也可达上百千米，而100km的1800路同轴通信电缆约需铜12t和铅50t。由此可见，釆用光纤可大量节省金属，而制造光纤的硅材料却在地球上取之不尽。此外，它在光纤通信中损耗也比较低，为1〜0.4dB/km。

与铜线和同轴电缆等传输系统相比，光纤传输系统具有下列明显的优势。

        (1)当长距离传输时，光纤传输系统的保真度和画面清晰度比电线或电缆传输系统要高得多。

        (2)光纤不受电磁辐射与雷击等任何电气干扰的影响，并且光纤是绝缘体，它可与高压电气设备或电力线接触，而不会导致任何问题。

        (3)光纤不存在接地回路问题，也不存在交扰横条、图像撕扯等问题。

        (4)在对光纤进行维护时，不须将发射端机与接收端机断电。

        (5)光纤传输非常安全、很难窃听，并能很容易发现有没有人正在企图窃听。

        (6)光纤不会生锈或腐蚀，大部分化学品对玻璃纤维都不会造成不良影响，因此在那些不能使用铜线的地区，可以使用光纤。直埋式光纤可以埋到各种土壤中，或暴露在腐蚀性的大气中(如室外或化工厂内)。

        (7)光纤没有起火的危险，即使在火灾风险非常高的天气中，也不会对设备和设施构成威胁。

      （8)光纤几乎不受天气条件的影响，因此光缆可以铺设到地面或架设到电线杆上，并且光缆比标准的电气线缆、同轴电缆要结实得多，如使用得法，它能耐受风荷载和冰荷载带来的应力。

        (9)光纤传送视频信号的损耗小、效率高，并且不需要中继器(放大器)，所以设备可靠性高、容易维护，是理想的远距离传输设备。

        (10)不论是单模光纤还是多模光纤，光缆总比同轴电缆细、轻得多，因而在搬动、安装和使用时都容易得多。一般普通光缆每千米的质量是3.6kg,外径仅为4mm；而普通同轴电缆每千米的质量为150kg,直径约为10.4mm。

        在对光纤传输系统进行选择评估时，用户不应单单考虑设备本身的投资，而光纤的柔性及较小的体积和质量等优点，往往可以弥补目前价格方面的劣势。只要想一想光纤传输系统能够预防多少无法预见的问题(如其特点所示)，就可以发现目前光纤传输系统价格高也是物有所值的。因此，在需要传输高质量的图像画面时，应当把它作为首选的传输手段。