光纤电缆扫盲介绍

2021年11月23日
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通过不断寻找减少信号衰减、失真和对外部干扰的敏感性的方法,铜 PCB 走线和电缆已经统治了高速数据传输的世界。长期以来,这些预计将被光纤取代,先进的信号调节、多级调制和纠错技术使工程师能够设计运行速度为 112 Gb/s 的双轴铜缆,远远超出几年前的预期。本文主要介绍光纤电缆。

每种技术都有其局限性,高速铜通道可能正在接近物理定律所规定的那些。随着对增加带宽的需求不断增长,衰减会减少信道的有效长度,也称为可达距离。除了极低的衰减外,光纤链路还提供更高的带宽容量,使光纤成为一种有吸引力的替代方案。

光纤电缆扫盲介绍

从铜缆切换到光纤可实现系统覆盖范围的巨大飞跃

多年来,长途电信线路利用光缆的到达优势。所需的电光转换过程的成本和功耗已成为行业范围内采用外部尤其是内部光纤互连的主要障碍。硅光子学的进步和光纤的性能特性正在改变这个方程式。

光纤电缆的基本结构由一根细小的玻璃线组成,周围是一层薄的包层材料,可以使光在内部反射。可以添加额外的护套层和内部缓冲器以保护纤芯和包层。

光纤电缆扫盲介绍

光纤电缆进一步定义为多模和单模。多模光纤可以使用低成本的 LED 光源传输多种模式的光。单模电缆通常需要使用调制激光器,但其特点是范围和带宽大大增加。低成本塑料光纤用于相对较短的距离、低数据速率的应用。

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在国际标准化组织(ISO)通过一系列OM 1-5指定的标准化光缆的性能。

光纤在带宽、坚固性、降低衰减、易于端接、减小光纤直径和成本方面经历了不断改进的过程。早期的光缆极易受到信号减弱以及由于粗暴处理或急弯而导致的损坏。新的“弯曲不敏感”单模和多模电缆允许减少弯曲半径限制而不会出现故障。

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Axon' Cable提供混合电缆和多芯解决方案,其绝缘材料可耐受工业、军事和太空等高要求环境。

用于形成光导体的玻璃不断优化,从而降低了散射损耗、色散、偏振模色散和微弯衰减。当前一代的光缆在 1550 m 处的衰减仅为 0.15 dB/km。

校园和城域数据中心的激增是一个新兴趋势。长达 100 公里的超高容量光通信链路对于网络作为一个大型系统发挥作用至关重要。增加具有成本效益的光链路的容量已成为支持网络流量指数增长的要求。

一种解决方案是使用多芯光纤。多芯光纤允许在同一包层直径内沿不同的芯线同时传输不同的信号,从而提高单根光纤上的数据传输密度。

先进的、极高的光纤密度电缆也正在进入市场以支持不断增长的流量。Furukawa 最近在两个北美数据中心园区之间的 1.25 英寸直径导管内安装了 6,912 芯光缆。光缆外径仅为35mm。

空心光纤是另一种引起人们兴趣的变体。光不是穿过玻璃或塑料,而是在空气的中央核心中传输。生产制造的改进降低了损耗和延迟特性,使空心光纤在需要以极短脉冲或最小延迟传输光或数据的应用中具有吸引力。

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AirBorn 的 RAOC 有源光缆经过加固,适用于恶劣的军事和商业航空航天环境。

有源光缆 (AOC) 因其能够扩展传统铜缆组件的覆盖范围而变得极为流行。利用标准铜接口,信号在连接器应变消除内转换为光脉冲并耦合到光纤。相反的过程发生在接收端。从安装人员的角度来看,增加了电缆覆盖范围并减少了电缆体积。

坚固耐用的光缆具有内部加强件和坚固的外护套,可以在严酷的军事、航空电子和工业应用中使用。

光纤的封装选项不断扩大,包括简化布线和降低冷却气流阻力的扁平带状配置。高密度、多光纤 MPO 和 MXC 连接器最多可端接 72 根光纤。

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光纤可用于标准和定制的平面组件。多根光纤粘合到柔性基板上以形成混洗或光学背板。

工程师可以通过铺设更多光纤(成本高)或寻找使现有光纤基础设施更高效的方法来满足不断增长的网络容量需求。

并行光学提供了传统单光纤或双光纤的替代方案。

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一端的发射器与另一端的接收器通信,通过多根光纤传播单个数据流。通过这种配置,并行光学链路可以使用四个 2.5 Gb/s 发射器来发送一个 10 Gb/s 信号。

不是使用单一颜色的光,而是可以使用稍微不同颜色的光通过同一根光纤同时发送多个数据流。

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发送端的多路复用器使用不同频率的光对多个数据流进行编码,这些数据流嵌入到一个光束中并耦合到单根光纤中。相反的过程发生在通道的接收端。双向光信号可以通过一根光纤传输。与密集波分复用,多达80个数据信道可以被复用成一个单一的光纤。

先进的调制技术使设计人员能够进一步改进光传输链路。正交幅度调制 (QAM) 结合了多级幅度和相位变化,以增加光数据通信链路的容量。

 

使用幅度、相位和偏振的组合,相干技术是优化光数据传输的最强大和最有效的调制。相干传输将四个级别的幅度调制和相位调制与光的垂直和水平偏振相结合,以最大限度地提高单根光纤的数据容量。使用该技术的下一代 800 Gb 链路已经进入市场。

这些技术中的每一项都将光纤的容量推向了更高的水平。业界现在面临着接近单一通信渠道理论极限的前景。香农极限可追溯到 1948 年,它是计算出的无差错数据的最大速率,这些数据可以通过任何类型的通信信道传输,这些信道会因噪声而发生传输错误。直到几年前,考虑到现有光通道的容量,这还不是特别值得关注的问题。然而,新一代的硬件和调制技术已经将香农极限放在了视线之内。

对高速数据链路的需求受到多种趋势的推动,包括超大规模数据中心的增长、将计算资源转移到边缘、5G 的持续采用以及光纤到户的扩展。光纤性能的进步和先进的调制技术,加上改进的高密度多光纤连接器,为高速计算和通信的未来提供了路线图。

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