铜 VS 光纤中的光速 - 为什么光纤更好?

网络工程 布线 纤维
2021-08-01 14:19:38

我正在阅读《计算机网络 - 系统方法》第 5 版。,我遇到了以下光速通过不同介质的统计数据:

铜 – 2.3 × 10 8 m/s

光纤 – 2.0 × 10 8 m/s

那么,这些数字是错误的,还是有另一个原因可以解释为什么铜比光纤更糟糕?光纤是否具有更好的带宽(每卷)或其他什么?

4个回答

不,数字是正确的(第 46 页)。如果我可以改写您的问题,那就是“如果传播延迟比铜缆差,我为什么要使用光纤?” 您假设传播延迟是一个重要特征。事实上(正如您将在几页后看到的那样),它很少是。

光纤具有三个特性,使其在许多(但不是全部)场景中优于铜缆。

  1. 更高的带宽。由于光纤使用光,因此它可以以比铜线上的电信号高得多的频率进行调制,从而为您提供更高的带宽。此外,铜线上的最大调制频率高度依赖于长度——电感和电容随着长度的增加而增加,从而降低了最大调制频率。

  2. 距离更长。光纤上的光可以传输数十公里而几乎没有衰减,这使其成为长距离连接的理想选择。

  3. 干扰少。由于光纤使用光,因此不受电磁干扰。这使其最适合“嘈杂”的电磁环境。

  4. 电气隔离。光纤不导电,因此可以对设备进行电气隔离。

但纤维也有缺点。

  1. 费用。光发射器和接收器可能很昂贵(100 美元)并且比铜线具有更严格的环境要求。

  2. 光纤电缆比电线更脆弱。如果你把它弯曲得太厉害,它会破裂。铜线更能容忍移动和弯曲。

  3. 难以终止。将连接器放置在光纤束上需要精密的工具、技术和专业知识。光纤电缆通常由经过培训的专家端接。相比之下,您只需很少或无需培训即可在几秒钟内端接铜缆。

我想通过光纤连接增加一项好处。考虑两个具有不同地电位的建筑物之间的连接。如果您在这种情况下在哪里使用铜,您最终可能会出现电流泄漏并可能出现危险情况。光纤不是这种情况,因为它不是导体。

传播速度通常表示为介质速度因子- 您在真空中获得的光速的分数。

在物理方面,通过介质的光根据其折射率被介质减慢。光纤还有一个额外的“问题”,即纤芯需要比包层稍高的折射率(光密度)才能正确引导波。有效传播速度是光速除以折射率,或者速度因子是折射率的倒数。大多数纤维具有或接近 0.67 的速度因子。

铜要复杂一些。实际的电子并没有实质性地移动,高频信号更像是一种流过电缆的电波(场波动)——有点类似于空气中的声音。令人惊讶的是,这种波的传播速度不仅取决于导体,还取决于导体的组合,尤其是绝缘体(其介电常数),因为波也需要通过后者传播。有效传播速度是光速除以介电常数的平方根。

对于铜线,通过使用空气作为绝缘层,就像使用特殊的同轴电缆或开放式梯形电缆一样,速度因子可以接近 1.00。铜网络电缆的范围从 .77(古代 10BASE5 的 RG-8)到 .585(10BASE-T 的 Cat-3),常见的 Cat-5e 和 Cat-6 为 0.65(= 比光纤慢)。

正如已经指出的那样,在实践中,还有许多其他因素会影响有效传播延迟,例如收发器技术、编码开销、前向纠错和可能的重传。尤其是编码开销从任意长度光纤(<.1 μs 延迟)到使用交错 ADSL 的语音级双绞线(~20 ms = 20,000 μs 延迟)变化很大。

因此,传播速度或速度因子通常并不重要。

至于光纤“更好” - 它肯定具有更高的性能,但“更好”取决于您的要求,包括成本。

我相信光纤比铜线传播“慢”的另一个原因是,根据定义,光沿着电缆的距离在光纤上折射。物理堆栈交换对此有不同的看法:

https://physics.stackexchange.com/questions/80043/how-fast-does-light-travel-through-a-fiber-optic-cable