光纖知識全面大梳理，從發(fā)展史到應(yīng)用

　　對于基于2.5 Gb/s及其以下速率的DWDM系統(tǒng)，G.652光纖是一種最佳的選擇。但由于在1550nm波段的色散較大， 若傳輸10 Gb/s的信號，一般在傳輸距離超過50km時，需要使用價格昂貴的色散補償模塊，這會使系統(tǒng)的總成本增 大。色散補償模塊會引入較大的衰減。因此常將色散補償模塊與EDFA一起工作，置于EDFA兩級放大之間，以免占用鏈路的功率余度。

　　G.652光纖的一些光學特性參數(shù)和凡何特性參數(shù)。

　　G.652類光纖進一步分為A、B、C、D四個子類：

　　G.652A光纖主要適用于ITU-T G.951規(guī)定的SDH傳輸系統(tǒng)和G.691 規(guī)定的帶光放大的單通道直到STM-16的SDH傳輸系統(tǒng)，只能支持2.5Gb/s及其以下速率的系統(tǒng)。

　　G.652B光纖主要 適用于ITU-T G.957規(guī)定的SDH傳輸系統(tǒng)和G.691規(guī)定的帶光放大的單通道SDH傳輸系統(tǒng)直到STM-64的ITU-T G.692帶光放大的波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)，可以支持對PMD有參數(shù)要求的10 Gb/s速率的系統(tǒng)。

　　G.652C光纖的適用范圍同 B類相似，這類光纖允許G.951傳輸系統(tǒng)使用在1 360～1 530 nm之間的擴展波段，增加了可用波長數(shù)。

　　G.652D光纖 為無水峰光纖，其屬性與G.652B光纖基本相同，而衰減系數(shù)與G.652C光纖相同，可以工作在1360～1530nm全波段 。

　　色散位移光纖

　　G.653色散位移光纖，是在G.652光纖的基礎(chǔ)上，將零色散點從1 310 nm窗口移動到1 550 nm窗口，解決了1 550 nm波長的色散對單波長高速系統(tǒng)的限制問題。但是由于EDFA在DWDM中的使用，進入光纖的光功率有很大的提高， 光纖非線性效應(yīng)導(dǎo)致的四波混頻在G.653光纖上對DWDM系統(tǒng)的影響嚴重，G.653并沒有得到廣泛推廣。主要原因是 在1 550 nm窗口，G.653的色散非常小，比較容易產(chǎn)生各種光學非線性效應(yīng)網(wǎng)。

　　非零色散位移光纖

　　G.655非零色散位移光纖是在1 550 nm窗口有合理的、較低的色散，能夠降低四波混頻和交叉相位調(diào)制等非線性 影響，同時能夠支持長距離傳輸，而盡量減少色散補償網(wǎng)。

　　G.655光纖在1 550 nm波長區(qū)的色散值約為2 ps/nm·km。在1 550 nm處具有正色散的G.655光纖可以利用色散補 償其一階和二階色散。具有負色散的G.655光纖不存在調(diào)制不穩(wěn)定性問題，對交叉相位調(diào)制不敏感。

　　第二代G.655光纖包括低色散斜率光纖和大有效面積光纖。所謂色散斜率指光纖色散隨波長變化的速率，又稱高階色散。DWDM系統(tǒng)中，由于色散斜率的作用，各通路波長的色散積累量是不同的，其中 位于兩側(cè)的邊緣通路間的色散積累量差別最大。

　　當傳輸距離超過一定值后，具有較大色散積累量通路的色散值超 標，從而限制了整個WDM系統(tǒng)的傳輸距離。低色散斜率光纖具有更合理的色散規(guī)范值，簡化了色散補償。

　　低色散斜率G.655光纖的色散值在0.05 ps/nm·km以下，在1 530～1 565 nm波長范圍的色散值為2.6～6.0 ps/nm·km，在1 565～1 625 nm波長范圍的色散值為4.0～8.6 ps/nm·恤。

　　其色散隨波長的變化幅度比其他非零 色散光纖要小35%～55%，從而使光纖在低波段的色散有所增加，可以較好地壓制四波混頻和交叉相位調(diào)制影響 ，而另一方面又可以使高波段的色散不致過大，仍然可以使10 Gb/s信號傳輸足夠遠的距離而無須色散補償。

　　大有效面積光纖具有較大的有效面積，可承受較高的光功率，因而可以更有效地克服光纖的非線性影響。超高 速系統(tǒng)的主要性能限制是色散和非線性。

　　通常，線性色散可以用色散補償?shù)姆椒▉硐?，而非線性的影響卻不能 用簡單的線性補償?shù)姆椒▉硐Ｌ岣吖饫w纖芯的有效面積，降低纖芯內(nèi)的光功率密度，是解決非線性問題的方法之一。

　　大有效面積光纖的有效面積達72μ㎡以上，零色散點處于1 510 nm左右，其色散系數(shù)在1 530～1 565 nm 窗口內(nèi)處于2～6 ps/nm km之內(nèi)，而在1 565～1 625 nm窗口內(nèi)處于4.5～11.2 ps/nm·km之內(nèi)，從而可以進一步減小四波混頻的影響。

　　G.656光纖是為了進一步擴展DWDM系統(tǒng)的可用波長范圍，在S(1460～1530 nm)、C(1 530～1 565 nm)和L(1 565～1 625 nm)波段均保持非零色散的一種新型光纖。

　　多模光纖

　　盡管單模光纖的品種不斷出現(xiàn)，功能被不斷地豐富和增強著，但多模光纖并沒有被單模光纖所取代，而是仍然保持了穩(wěn)定的市場份額，并且得到了不斷的發(fā)展。

　　在傳輸距離較短、節(jié)點多、接頭多、彎路多、連接器和耦合器 用量大、規(guī)模小、單位光纖長度使用光源個數(shù)多的網(wǎng)絡(luò)中，使用單模光纖無源器件比多模光纖要貴，而且相對精 密、容差小，操作不如多模器件方便可靠。

　　多模光纖的芯徑較粗，數(shù)值孔徑大，、能從光源中耦合更多的光功率 ，適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)中彎路多、節(jié)點多、光功率分路頻繁、需要有較大光功率的特點。多模光纖的特性正好滿足了這種網(wǎng)絡(luò)用光纖的要求。

　　單模光纖只能使用激光器(LD)作光源，其成本比多模光纖使用的發(fā)光二極管(LED)高很多。垂直腔面發(fā)射激 光器(VCSEL)的出現(xiàn)，更增強了多模光纖在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。VCSEL具有圓柱形的光束斷面和高的調(diào)制速率，與光 纖的耦合更容易，而價格則與LED接近。

　　因此雖然僅從光纖的角度看，單模光纖性能比多模光纖好，但是從整個網(wǎng)絡(luò)用光纖的角度看，多模光纖則占有 更大的優(yōu)勢。多模光纖一直是網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的主體，隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的不斷提高和VCSEL的使用，多模光纖得到 了更多的應(yīng)用，并且促進了新一代多模光纖的發(fā)展。

　　ISO/IEC 11801所頒布的新的多模光纖標準等級中，將多模光纖分為OM1，OM2，OM3三類。其中OM1是指傳統(tǒng)的62.5/125μm多模光纖，OM2是指傳統(tǒng)的50/125μm多模光纖，0M3是指新型的萬兆位多模光纖。

　　62.5/125μm漸變折射率多模光纖(OM1)

　　常用的62.5/125μm漸變折射率多模光纖是指IEC-60793-2光纖產(chǎn)品規(guī)范中的Alb類型。它的誕生晚于50/125μm漸變折射率多模光纖。

　　由于62.5/125μm光纖的芯徑和數(shù)值孔徑較大，具有較強的集光能力和抗彎曲特性，特別是在20世紀90年代中期以前，局域網(wǎng)的速率較低，對光纖帶寬的要求不高，因而使這種光纖獲得了最廣泛的應(yīng)用，成為20世紀80年代中期至90年代中期的十年間在大多數(shù)國家中數(shù)據(jù)通信光纖市場中的主流產(chǎn)品。

　　62.5/125μm漸變折射率多模光纖是最先被美國采用為多家行業(yè)標準的一種多模光纖，如AT&T的室內(nèi)配線系統(tǒng)標準;美國電子工業(yè)協(xié)會(ETA)的局域網(wǎng)標準;美國國家標準研究所(ANSI)的100 Mb/s令牌網(wǎng)標準;IBM的令牌環(huán)標準等。

　　通常62.5/125μm漸變折射率多模光纖的帶寬為200～400 MHz·km，在1 Gb/s的速率下，850 nm波長可傳輸300 m，1 300 nm波長可傳輸550m。

　　62.5/125μm漸變折射率多模光纖的典型光學特性參數(shù)

　　50/125μm漸變折射率多模光纖(OM2)

　　普通的50/125μm漸變折射率多模光纖是指IEC-60793-2光纖產(chǎn)品規(guī)范中的Ala類型。歷史上，為了盡可能地降低局域網(wǎng)的系統(tǒng)成本，普遍采用價格低廉的LED作光源，而不用價格昂貴的LD。

　　由于LED輸出功率低，發(fā)散角比LD大很多，連接器損耗大，而50/125μm多模光纖的芯徑和數(shù)值孔徑都比較小，不利于與LED的高效耦合，不如芯徑和數(shù)值孔徑大的62.5/125μm(Alb類)光纖能使較多的光功率耦合到光纖鏈路中去，因此，50/125μm漸變折射率多模光纖在20世紀90年代中期以前沒有被得到廣泛的應(yīng)用，而是主要在日本和德國被作為數(shù)據(jù)通信標準使用。

　　自20世紀末以來，局域網(wǎng)向lGb/s速率以上發(fā)展，以LED作光源的62.5/125μm多模光纖的帶寬己經(jīng)不能滿足要求。與62.5/125μm多模光纖相比，50/125μm多模光纖數(shù)值孔徑和芯徑較小，帶寬比62.5/125μm多模光纖大，制作成本也降低1/3。

　　因此，50/125μm多模光纖重新得到了廣泛的 應(yīng)用。IEEE802.3z千兆位以太網(wǎng)標準中規(guī)定50/125μm多模和62.5/125μm多模光纖都可以作為千兆位以太網(wǎng)的傳 輸介質(zhì)使用。但對新建網(wǎng)絡(luò)，一般首選50/125μm多模光纖。

　　50/125μm漸變折射率多模光纖中傳輸模的數(shù)目大約是62.5/125μm多模光纖中傳輸模的1/2.5，有效地降低了多 模光纖的模色散，使得帶寬得到了顯著的增加。

　　50/125μm(Alb類)漸變折射率多模光纖的典型光學特性參數(shù)。

　　以上兩種光纖具有同樣的包層直徑和機械性能，但是二者的帶寬，以及與光源的耦合效率影響了其應(yīng)用范圍。

　　較高的帶寬能夠傳送較高的速率或支持較長的距離。在850 nm波長，50/125μm多模光纖的帶寬(500 MHz·km)是 62.5/125μm多模光纖帶寬(200 MHz·km)的兩倍多。

　　然而50 gm較小的芯徑減小了基于LED光源的耦合輸入光功 率，從而減小了鏈路中允許的接頭數(shù)和減少了受功率限制支持的距離。對于850 nm波長千兆位以太網(wǎng)，62.5/125 μm多模光纖能支持的鏈路長度為220m，50/125μm多模光纖能支持的鏈路長度為550m。兩種光纖在300 m的長度內(nèi) 都能提供足夠的帶寬。

　　隨著850 nm低價格VCSEL的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，850nm窗口重要性增加了。VCSEL能以比長波長激光器低的價格給用 戶提高網(wǎng)絡(luò)速率。50/125μm多模光纖在850nm窗口具有較高的帶寬，使用低價格VCSEL能支持較長距離的傳輸，適 合于千兆位以太網(wǎng)和高速率的協(xié)議，支持較長的距離。

　　新一代多模光纖(OM3)

　　傳統(tǒng)的OM1和OM2多模光纖從標準上和設(shè)計上均以LED方式為基礎(chǔ)，隨著網(wǎng)絡(luò)速率和規(guī)模的提高，調(diào)制速率達到 Gb/s的短波長VCSEL激光光源成為高速網(wǎng)絡(luò)的光源之一。

　　由于兩種發(fā)光器件的不同，必須對光纖本身進行改造，以適應(yīng)光源的變化。為了滿足10 Gb/s傳輸速率的需要，國際標準化組織/國際電工委員會(ISO/IEC)和美國電信工 業(yè)聯(lián)盟(ITA-TR42)聯(lián)合起草了新一代多模光纖的標準。ISO/IEC在其所制定的新的多模光纖等級中將新一代多 模光纖劃為0M3類別。

　　LED的最大調(diào)制速率一般只有600 MHz，由于調(diào)制速率的限制，使其在1 Gb/s以上的光纖網(wǎng)絡(luò)中無法使用，故在1 Gb/s以上的高速網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)光器件主要采用激光器作光源。但實驗中發(fā)現(xiàn)，簡單地使用激光器代替LED作光源，系統(tǒng)的帶寬不但沒有升高，反而降低。

　　原因是在預(yù)制棒制作工藝中，光纖的軸心容易產(chǎn)生折射率凹陷。在使用LED作光源時，這種光纖中心折射率的畸變對信號的傳輸影響不大。原因是LED光源將光纖中的所有模式都激勵，光功率被分配到每一個模式上，只有少數(shù)幾個傳播模的時延特性會受到光纖中心折射率畸變的影響。

　　而當使用激光器作光源時，由于激光器的光斑和發(fā)散角都很小，只有在光纖中心傳輸?shù)暮苌賻讉€模式能被激勵，每一個模式都攜帶著很大一部分光功率，光纖中心折射率畸變會對這幾個被激勵的少數(shù)模式的時延特性產(chǎn)生很大的影響，從而造成光纖帶寬降低，如圖所示。

　　常用的光纖名詞

　　衰減

　　光在光纖中傳輸時的能量損耗

　　色散

　　光脈沖沿著光纖行進一段距離后造成的頻寬變粗。它是限制傳輸速率的主要因素。

　　模間色散：只發(fā)生在多模光纖，因為不同模式的光沿著不同的路徑傳輸。

　　材料色散：不同波長的光行進速度不同。

　　波導(dǎo)色散：發(fā)生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時，會以稍有不同的速度行進。

　　在單模光纖中，通過改變光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)來改變光纖的色散非常重要。

　　散射

　　由于光線的基本結(jié)構(gòu)不完美，引起的光能量損失，此時光的傳輸不再具有很好的方向性。

　　造成光纖衰減的原因

　　造成光纖衰減的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對接等。

　　本征：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

　　彎曲：光纖彎曲時部分光纖內(nèi)的光會因散射而損失掉，造成損耗。

　　擠壓：光纖受到擠壓時產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。

　　雜質(zhì)：光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。

　　不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。

　　對接：光纖對接時產(chǎn)生的損耗，如：不同軸(單模光纖同軸度要求小于0.8μm)，端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。

　　造成光纖損耗的原因

　　光纖的吸收損耗

　　這是由于光纖材料和雜質(zhì)對光能的吸收而引起的，它們把光能以熱能的形式消耗于光纖中，是光纖損耗中重要的損耗，吸收損耗包括以下幾種：

　　1、物質(zhì)本征吸收損耗 這是由于物質(zhì)固有的吸收引起的損耗。它有兩個頻帶，一個在近紅外的8～12μm區(qū)域里，這個波段的本征吸收是由于振動。另一個物質(zhì)固有吸收帶在紫外波段，吸收很強時，它的尾巴會拖到0.7～1.1μm波段里去。

　　2、摻雜劑和雜質(zhì)離子引起的吸收損耗 光纖材料中含有躍遷金屬如鐵、銅、鉻等，它們有各自的吸收峰和吸收帶并隨它們價態(tài)不同而不同。

　　由躍遷金屬離子吸收引起的光纖損耗取決于它們的濃度。另外，OH-存在也產(chǎn)生吸收損耗，OH-的基本吸收極峰在2.7μm附近，吸收帶在0.5～1.0μm范圍。對于純石英光纖，雜質(zhì)引起的損耗影響可以不考慮。

　　3、原子缺陷吸收損耗 光纖材料由于受熱或強烈的輻射，它會受激而產(chǎn)生原子的缺陷，造成對光的吸收，產(chǎn)生損耗，但一般情況下這種影響很小。

　　光纖的散射損耗

　　光纖內(nèi)部的散射，會減小傳輸?shù)墓β?，產(chǎn)生損耗。散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纖材料內(nèi)部的密度和成份變化而引起的。

　　光纖材料在加熱過程中，由于熱騷動，使原子得到的壓縮性不均勻，使物質(zhì)的密度不均勻，進而使折射率不均勻。這種不均勻在冷卻過程中被固定下來，它的尺寸比光波波長要小。

　　光在傳輸時遇到這些比光波波長小，帶有隨機起伏的不均勻物質(zhì)時，改變了傳輸方向，產(chǎn)生散射，引起損耗。另外，光纖中含有的氧化物濃度不均勻以及摻雜不均勻也會引起散射，產(chǎn)生損耗。

　　波導(dǎo)散射損耗

　　這是由于交界面隨機的畸變或粗糙所產(chǎn)生的散射，實際上它是由表面畸變或粗糙所引起的模式轉(zhuǎn)換或模式耦合。一種模式由于交界面的起伏，會產(chǎn)生其他傳輸模式和輻射模式。

　　由于在光纖中傳輸?shù)母鞣N模式衰減不同，在長距離的模式變換過程中，衰減小的模式變成衰減大的模式，連續(xù)的變換和反變換后，雖然各模式的損失會平衡起來，但模式總體產(chǎn)生額外的損耗，即由于模式的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了附加損耗，這種附加的損耗就是波導(dǎo)散射損耗。要降低這種損耗，就要提高光纖制造工藝。對于拉得好或質(zhì)量高的光纖，基本上可以忽略這種損耗。

　　光纖彎曲產(chǎn)生的輻射損耗

　　光纖是柔軟的，可以彎曲，可是彎曲到一定程度后，光纖雖然可以導(dǎo)光，但會使光的傳輸途徑改變。由傳輸模轉(zhuǎn)換為輻射模，使一部分光能滲透到包層中或穿過包層成為輻射模向外泄漏損失掉，從而產(chǎn)生損耗。當彎曲半徑大于5～10cm時，由彎曲造成的損耗可以忽略。