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1、光纤和光缆基础知识湖北凯乐新材料科技股份有限公司二 OO二年六月1光纤和光缆基础知识一、光纤1. 光纤结构光纤(Optical Fiber)是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。图 1示出光纤的外形。设纤芯和包层的折射率分别为 n1和 n2，光能量在光纤中传输的必要条件是 n1n 2。纤芯和包层的相对折射率差=( n1-n2)/n1的典型值，一般单模光纤为 0.30.6，多模光纤为 12。越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。图 1 光纤的外形

2、2. 光纤类型光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英(SiO 2)制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，图 2示出其横截面的结构和折射率分布，光线在纤芯传播的路径，以及由于色散引起的输出脉冲相对输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下。突变型多模光纤 (Step-Index Fiber, SIF) 如图 2(a)，纤芯折射率为 n1保持不变，到包层突然变为 n2。这种光纤一般纤芯直径 2a=5080m，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。渐变型多模光纤 (Graded-Index Fiber, GIF) 如图 2(b)，在纤芯中心折射率最大为 n1，沿径向

3、 r向外围逐渐变小，直到包层变为 n2。这种光纤一般纤芯直径 2a为 50m，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。单模光纤 (Single-Mode Fiber, SMF) 如图 2(c) 折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有 810m，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并） ，所以称为单模光纤，其信号畸变很小。2图 2 三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光纤； (b)渐变型多模光纤； (c)单模光纤相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤。渐变型多模光纤和单模光纤，

4、包层外径 2b都选用125m。实际上，根据应用的需要，可以设计折射率介于 SIF和 GIF之间的各种准渐变型光纤。为调整工作波长或改善色散特性，可以在图 2(c)常规单模光纤的基础上，设计许多结构复杂的特种单模光纤。最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图 3，这些光纤的特征如下。双包层光纤 如图 3(a)所示，折射率分布像 W形，又称为 W型光纤。这种光纤有两个包层，内包层外直径 2a与纤芯直径 2a的比值 a/a2。适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率 n1、n 2和 n3，调整 a值，可以得到在 1.31.6m 之间色散变化很小的色散平坦光纤(Dispersion-Fl

5、attened Fiber，DFF)，或把零色散波长移到 1.55m 的色散移位光纤(Dispersion-Shifted Fiber，DSF)。三角芯光纤 如图 3(b)所示，纤芯折射率分布呈三角形，这是一种改进的色散移位光纤。这种光纤在 1.55m 有微量色散，有效面积较大，适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用，康宁公司称它为长距离系统光纤，这是一种非零色散光纤。椭圆芯光纤 如图 3(c)所示，纤芯折射率分布呈椭圆形。这种光纤具有双折射特性，即两个正交偏振模的传输常数不同。强双折射特性能使传输光保持其偏振状态，因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤。3图 3 典型特种单模光纤(a)双包

6、层； (b)三角芯； (c)椭圆形以上各种特征不同的光纤，其用途也不同。突变型多模光纤信号畸变大，相应的带宽只有 1020MHzkm，只能用于小容量(8Mb/s 以下)短距离（几 km以内）系统。渐变型多模光纤的带宽可达 12GHzkm，适用于中等容量(34140Mb/s)中等距离(1020km)系统。大容量(565Mb/s2.5Gb/s)长距离(30km 以上)系统要用单模光纤。特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平。1.55m 色散移位光纤实现了10Gb/s容量的 100km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤有效面积

7、较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。 3. 光纤种类和应用1) 光纤种类(1) 多模光纤 结构两种多模光纤结构，如图 4和图 5所示。通常，光纤的纤芯用来导光，包层保证光全反射只发生在芯内，涂覆层则为保护光纤不受外界作用和吸收诱发微变的剪切应力。表 1列出了当今常用的 AI类多模光纤的结构尺寸参数。图 4 梯度型多模光纤结构4图 5 阶跃型多模光纤结构表 1 Al类多模光纤的结构尺寸参数光 纤 结 构 Ala Alb Alc Ald纤芯直径 (m)包层直径 (m)芯/包同心度 (m)芯不圆度

8、()包层不圆度 ()包层直径（未着色）(m)包层直径（着色） (m)5031252362245102501562.5312533622451025015853125366224510250151005140466425025 种类A. 梯度型多模光纤梯度型多模光纤包括 Ala、Alb、Alc 和 Ald类型。它们可用多组分玻璃或掺杂石英玻璃制得。为降低光纤衰减，梯度型多模光纤的制备选用的材料纯度比大多数阶跃型多模光纤材料纯度高得多。正是由于折射率呈梯度分布和更低的衰减，所以梯度型多模光纤的性能比阶跃型多模光纤性能要好得多。一般在直径（包括缓冲护套）相同的情况下，梯度型多模光纤的芯径大大小于阶跃

9、型多模光纤，这就赋予梯度型多模光纤更好的抗弯曲性能。四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合，如表 2所列。表 2 四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合光纤类型芯/包直径(m)工作波长(m)带宽(MHz)数值孔径 衰减系数(dB/km)应用场合AlaAlbAlcAld50/12562.5/12585/125100/1250.85,1.300.85,1.300.85,1.300.85,1.302001500300100010010001005000.200.240.260.290.260.300.260.290.81.50.82.02.03.04.0数据链路、局域网数据链路、局域网局域网、传感等

10、局域网、传感等B. 阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤 A2、A3 和 A4三类九个品种。它们可选用多组分玻璃或掺杂玻璃或塑料作为芯、包层来制成光纤。由于这些多模光纤具有大的纤芯和大的数值孔径，所以它们可更为有效地与非相干光源，例如发光二极管(LED)耦合。链路接续可通过价格低廉的注塑型连接器，从而降低整个网络建设费用。因此，阶跃型多模光5纤，特别是 A4类塑料光纤将在短距离通信中扮演着重要的角色。A2、A3 和 A4三类阶跃型多模光纤的传输性能和应用场合，如表 3所列。表 3 三类九种阶跃型多模光纤的传输性能及应用场合光 纤 类 型 A2a A2b A2c A3a A3b A3c A4a A4b

11、A4c芯/包直径(m)工作波长(m)带宽(MHz)数值孔径衰减系数(dB/km)典型选用长度(m)100/140200/240200/2800.85100.230.26102000200/300200/380200/2300.8550.40101000980/1000730/750480/5000.65100.5040dB/0.1km100应用场所 短距离信息传输、楼内局部布线、传感器等(2) 单模光纤 结构单模光纤的结构，如图 6所示。单模光纤具有小的芯径，以确保其传输单模，但是其包层直径要比芯径大十多倍，以避免光损耗。单模光纤结构的各部分作用与多模光纤类似，与多模光纤所不同的是用与波长有关

12、的模场直径 w。来表示芯直径。表 4和表 5分别列出了当今光纤通信工程中广泛使用的 B1.1和 B4两类单模光纤的尺寸参数。图 6 阶跃型单模光纤结构表 4 B1.1类单模光纤的结构尺寸参数光 纤 类 别 B1.11310模场直径 (m)包层直径 (m)1310nm芯同心度误差 (m)包层不圆度 ()涂覆层直径(未着色) (m)(8.69.5)0.712510.82245106涂覆层直径(着色) (m)包层/涂覆层同心度误差(m)2501512.5表 5 B4类单模光纤的结构尺寸参数光 纤 类 别 B41550nm模场直径 (m)包层直径 (m)1550nm芯同心度误差 (m)包层不圆度 ()

13、涂覆层直径(未着色) (m)涂覆层直径(着色) (m)包层/涂覆层同心度误差(m)(8.011.0)0.712510.82245102501512.5 分类单模光纤以其衰减小、频带宽、容量大、成本低和易于扩容等优点，作为一种理想的光通信传输媒介，在全世界得到极为广泛的应用。目前，随着信息社会的到来，人们研究出了光纤放大器、时分复用、波分复用和频分复用技术，从而使单模光纤的传输距离、通信容量和传输速率进一步提高。值得指出的是，光纤放大器延伸了传输距离，复用技术在带来的高速率、大容量信号传输的同时，使色散、非线性效应对系统的传输质量的影响增大。因此，人们专门研究开发了几种光纤：色散位移光纤、非零色

14、散位移光纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤，它们在解决色散和非线性效应问题上各有独道之处。按照零色散波长和截止波长位移与否可将单模光纤分为 5种，国际电信联盟电信标准化部门 ITU-T在 2000年 10月对其中 4种单模光纤已给出最新建议：G.652、G.653、G.654 和 G.655光纤。单模光纤的分类、名称、IEC 和 ITU-T命名对应关系如下：名称 ITU-T IEC非色散位移单模光纤 G.652：A、B、C B1.1 和 B1.3单模光纤 色散位移单模光纤 G.653 B2截止波长位移单模光纤 G.654 B1.2非零色散位移单模光纤 G.655：A、B B4色散补偿单模光纤 A.

15、 非色散位移单模光纤2000年 10月国际电信联盟第 15专家组会议通过了非色散位移单模光纤(ITU-T G.652)最新标准文本、即按 G.652光纤的衰减、色散、偏振模色散、工作波长范围7及其在不同的传输速率的 SDH系统的应用情况，将 G.652光纤进一步细分为G.652A、G.652B 和 G.652C。究其实质而言，G.652 光纤可分为两种，即常规单模光纤(G.652A 和 G.652B)和低水峰单模光纤(G.652C)。a. 常规单模光纤常规单模光纤于 1983年开始商用。常规单模光纤的性能特点是：(1)在 1310nm波长处的色散为零；(2)在波长为 1550nm附近衰减系数最

16、小，约为 0.22dB/km，但在1550nm附近其具有最大色散系数，为 17ps/(nmkm)。(3)这种光纤工作波长即可选在 1310nm波长区域，又可选在 1550 nm波长区域，它的最佳工作波长在 1310 nm区域。这种光纤常称为“常规”或“标准”单模光纤。它是当前使用最为广泛的光纤。迄今为止，其在全世界各地累计铺设数量已高达 7千万公里。今天，绝大多数光通信传输系统都选用常规单模光纤。这些系统包括在 1310nm和 1550nm工作窗口的高速数字和 CATV(Cable Television)模拟系统、然后，在1550nm波长处的大色散成为高速系统中这种光纤中继距离延长的“瓶颈”

17、。利用常规单模光纤进行速率大于 2.5Gbit/s的信号长途传输时，必须采取色散补偿措施进行色散补偿，并需引入更多的掺铒光纤放大器来补偿由引入色散补偿产生的损耗。常规单模光纤(G.652A 和 G.652B)的色散，如图 7所示。常规单模光纤的传输性能及其应用场所，如表 6所示。图 7 G.652光纤的色散表 6 常规单模光纤的性能及应用性能 模场直径(m)截止波长cc (m)零色散波长(nm)工作波长(nm)最大衰减系数(dB/km)最大色散系数ps/(nmkm)要求值1310nm8.69.50.7cc1270c1250cj12501310 1310或 1550 1310nm0.401550

18、nm0.251310nm:01550nm:17应用场合最广泛用于数据通信和模拟图像传输媒介，其缺点是工作波长为 1550nm时色散系数高达17ps/(nmkm)阻碍了高速率、远距离通信的发展。8b. 低水峰单模光纤为解决城域网发展面临着业务环境复杂多变、直接支持用户多、传输短（通常仅为 5080km）等问题，人们采取的解决方案是选用数十至上百个复用波长的高密集波分复用技术，即：将不同速率和性质的业务分配到不同的波长，在光路上进行业务量的选路和分插。 为此，需要研发出具有更宽的工作波长区的低水峰光纤(ITU-T G.652C) 来满足高密集波分城域网发展的需要。众所周知，常规单模光纤 G.652

19、工作波长区窄的原因是 1385nm附近高的水吸收峰。在 1385nm附近，常规 G.652光纤中只要含有 10-9量级个数的 OH-离子就会产生几个分贝的衰减，使其在 13501450nm 的频谱区因衰减太高而无法使用。为此，国外著名光纤公司都纷纷致力于研究消除这一高水峰的新工艺技术，从而研发出了工作波长区大大拓宽的低水峰光纤。现以美国朗讯科技公司 1998年研究出的低水峰光纤全波光纤为例，说明该光纤的性能特点。全波光纤与常规单模光纤 G.652的折射率剖面一样。所不同的是全波光纤的生产中采用一种新的工艺，几乎完全去掉了石英玻璃中的 OH-离子，从而消除了由 OH-离子引起的附加水峰衰减。这样

20、，光纤即使暴露在氢气环境下也不会形成水峰衰减，具有长期的衰减稳定性。由于低水峰，光纤的工作窗口开放出第五个低损耗传输窗口，进而带来了诸多的优越性：(1)波段宽。由于降低了水峰使光纤可在 12801625nm 全波段进行传输，即全部可用波段比常规单模光纤 G.652增加约一半，同时可复用波长数也大大增多，故 IEC又将低水峰光纤命名 B1.3光纤，即波长段扩展的非色散位移单模光纤；(2)色散小。在 12801625nm 全波长区，光纤的色散仅为 1550nm波长区的一半，这样就易实现高速率、远距离传输。例如，在 140nm波长附近，10Gbit/s 速率的信号可以传输 200km，而无需色散补偿

21、；(3)改进网管。可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输，改进网络管理。例如，在 1310nm波长区传输模拟图像业务，在13501450nm 波长区传输高速数据(10Gbit/s)业务，在 1450nm以上波长区传输其他业务；(4)系统成本低。光纤可用波长区拓宽后，允许使用波长间隔宽、波长精度和稳定度要求低的光源、合(分)波器和其他元件，网络中使用有源、无源器件成本降低，进而降低了系统的成本。全波光纤的性能及应用，如表 7所列。表 7 全波单模光纤性能 模场直径(m)截止波长(nm)零色散波长o(nm)工作波长(nm)最大衰减系数(dB/km)要求值 1310nm9.30.51550nm

22、10.51.0cc1270c125013001322 12801625 1310nm:0.351385nm:0.319cj1250 1550nm:0.210.25应用场合这种光纤的优点是工作波长范围宽，即 12801625nm，故其主要用于密集波分复用的城域网的传输系统，它可提供 120个或更多的可用信道。B. 色散位移单模光纤色散位移单模光纤(ITU-T G.653光纤)于 1985年商用。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将最小零色散点从1310nm位移到 1550nm，实现 1550nm处最低衰减和零色散波长一致，并且在掺铒光纤放大器 15301

23、565nm 工作波长区域内。这种光纤非常适合于长距离单信道高速光放大系统，如：可在这种光纤上直接开通 20Gbit/s系统，不需要采取任何色散补偿措施。色散位移光纤的富有生命力的应用场所为单信道数千里的信号传输的海底光纤通信系统。另外，陆地长途干线通信网也已敷设一定数量的色散位移光纤。虽然，业已证明色散位移光纤特别适用于单信道通信系统，但该光纤在通道进行波分复用信号传输时，存在的严重问题是在 1550nm波长区的零色散产生了四波混频非线性效应。据最新研究报导，只要将色散位移单模光纤的工作波长选在大于或小于 1550nm的非零色散区，其仍可用作波长复用系统的光传输介质。色散位移单模光纤的性能及应用场合列于表 8。表 8 色散位移单模光纤性能 模场直径(m)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)最大衰减系数(dB/km)色散系数ps/(nmkm)要求值1310nm:8.3 cc1270c1250cj12701550 1550 1550nm0.25 15251575nm:3.5应用场合这种光纤的优点是在 1550nm工作波长衰减系数和色散系数均很小。它最适用于单信道几千公里海底系统和长距离陆地通信干线。色散位移单模光纤的色散，如图 8所示。