光纤的类型和应用（节选）

 

光纤的类型和应用（节选）

黄俊华

2.1光纤结构

    光纤从内到外由纤芯、包层、一次涂覆和着色层组成，称为光纤的外结构，多模光纤和单模光纤的外结构区别只在于纤芯的尺寸不同，如图2.1.1所示。内结构则主要是指光纤的组份和折射率及其分布状况。

 

图2.1.1  光纤外结构

2.1.1 纤芯

纤芯位于光纤的中心部位（直径d₁约9～50微米），其成份是高纯度的掺杂（如极少量的二氧化锗、五氧化二磷等）二氧化硅。掺有少量掺杂剂的目的是使纤芯的折射率（n₁）略高于包层的折射率（n₂），以建立光传输的条件。

2.1.2包层

包层位于纤芯的周围（其直径d₂约125微米），其成份是高纯度二氧化硅，其折射率（n₂）即二氧化硅的折射率。在纤芯与包层的界面可以有一层比包层折射率（n₂）略低的掺杂（如三氧化二硼）二氧化硅，以利于降低光纤的衰耗。

2.1.3 预涂覆层

光纤的预涂覆层也称为一次涂覆层，所用材料可以是丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙或它们的复合，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。一般涂敷后的光纤外径约250微米。

2.1.4 着色层

为了在在光缆施工和运行维护中识别纤芯，预涂覆层外用合适的着色剂染上各种颜色。也有在预涂覆材料中直接加入染料的，称为“锁色涂层”，这种光纤不需再着色。着色层厚度通常为5∼10微米。

 

（略）

 

2.4.3 光缆中光纤的规格代号

根据我国国标规定，光缆中光纤的规格代号由：光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输性能（包括使用波长、衰减系数、模色带宽）及适用温度等五个部分组成，如图2.4.3所示。各组成部分均用代号或数字表示。

图2.4.3  光纤的规格代号组成

（1）光纤数目

    光缆中光纤数目用同类别光纤的实际有效阿拉伯数字表示。

（2）光纤类别的代号和意义

     J ：  二氧化硅系多模渐变型光纤；

     Z ：  二氧化硅系多模准实变型光纤；

     X ：  二氧化硅纤芯塑料包层光纤；

     T ：  二氧化硅系多模实变型光纤；

     D ：  二氧化硅系单模光纤；

     S ：  塑料光纤。

（3）光纤的主要尺寸参数

    用阿拉伯数字（含小数点）以微米（μm）为单位表示多模光纤的芯径/包层直径或单模光纤的模场直径/包层直径。

（4）传输性能代号

    光纤的传输性能代号由使用波长、损耗系数及模式带宽的代号（a,bb,cc三组数字代号）构成。其中a表示使用波长的代号，规定如下：

“1” ： 使用波长在0.85μm区域；

“2” ： 使用波长在1.31μm区域；

“3” ： 使用波长在1.55μm区域。

    “bb” ：表示损耗系数的代号，其阿拉伯数字依次为光纤衰减系数值（dB/km）的个位数和十位数。

    “cc” ： 表示模式带宽的代号，其阿拉伯数字依次是多模光纤模式带宽数值（MHz.km）的千位数和百位数。单模光纤无此项。

    同一光缆中适用于两种及两种以上波长，并具有不同传输性能时，应同时列出各使用波长的规格代号，并用“/”划开。

（5）适用温度代号及其意义

     A ： 适用于-40∼+40℃；

B ：适用于-30∼+50℃；

     C ：适用于-20∼+60℃；

     D ：适用于 -5∼+60℃。

例如，己知缆内某光纤的型号为J50/125（12008）C，其意义：

    J：       多模渐变型

    50/125：  芯径50μm ，包层125μm

   （1…）：   工作波长0.85μm

   （.20…）： 衰减常数2.0dB/km

   （…08）：  带宽800MHz.km

    C：       环境温度-20-+60℃

再例如，已知缆内某光纤的型号为D9/125（208）C，其意义：

    D：       单模光纤

    9/125：   模场直径9μm ，包层μm 125

   （2..）：   工作波长1.31μm

   （.08）：   衰减系数0.8 dB/km

C：       环境温度-20-+60℃

2.5光纤的类型和应用

在光纤工业发展早期，光纤的传输窗口主要有两个（0.85和1.31微米），后来有了第三个传输窗口（1.55微米）。在技术得到发展的今天，在波长1.26至1.68微米范围内，光纤可以传输的窗口有6个（表2.5.1）。利用波分复用（WDM）技术，每个窗口（波段）可同时传输多个信道。

 

表2.5.1 ：                           光纤可以利用的波段
波段	O	E	S	C	L	U
名称	初始波段	扩展波段	短波段	常规波段	长波段	超长波段
波长范围（nm）	1260-1360	1360-1460	1460-1530	1530-1565	1565-1625	1625-1675

 

按照ITU-T关于光纤的建议，目前可以将光纤分为G.651、G.652、G.653、G.654、G.655和G.656六个大类，有的大类还派生出了几个子类。

国际电工委员会（IEC）也制订了相应的标准，我国光纤国家标准（GB/T）等效采用了IEC规定。

2.5.1  G.651类-多模光纤

G.651类光纤可分别或同时工作在1310nm和1550nm波长上，在1310nm处色散值最小（即带宽最大），在1550nm处衰减最低。它有两种折射率剖面结构，见图2.5.1和图2.5.2。

 

 

 

 

 

 

图2.5.1  阶跃型折射率分布                      图2.5.2   梯度型折射率分布

（1）主要特点和IEC及GB/T的细分

IEC和GB/T又进一步按它们的纤芯直径、包层直径、数值孔径的参数细分为A1a、A1b、A1c和A1d四个子类（表2.5.2）。

 

表2.5.2：       多模光纤：IEC和GB/T分类
IEC分类	芯径μm	外径μm	数值孔径
A1a	50	125	0.200
A1b	62.5	125	0.275
A1c	85	125	0.275
A1d	100	140	0.316

 

（略）

2.5.2   G.652类--常规单模光纤

G.652类光纤也称为非色散位移光纤，是目前应用最广泛的光纤。

G.652类光纤的主要特点是：在1310nm工作波长上，具有较低的衰减和零色散；在1550nm工作波长上，具有最低衰减但有较大的正色散。

G.652类光纤的折射率剖率剖面结构见图2.5.3和2.5.4。

 

 

 

 

 

 

 

图2.5.3   包层折射率匹配型            图2.5.4   包层折射率下陷型

 

根据色散波长特性，它主要工作在E（1360～1460nm）波段和S（1460～1530 nm）波段；在C（1530～1565nm）波段的色散较大（18ps/km.nm），很难进行以10Gbit/s及以上的DWDM系统长途传输。

ITU又进一步把G.652类光纤细分为G.652A、G.652B、G.652C和G.652D四个子类。ITU与IEC和GB/T分类对应关系见表2.5.6。

 

表2.5.6：    ITU G.652类与IEC和GB/T对应关系
ITU-T分类	对应IEC和GB/T
G.652A	B1.1
G.652B	B1.1
G.652C	B1.3
G.652D	B1.1

 

通常，2.5Gbit/s及以下系统为衰减受限、10Gbit/s及以上系统为色散受限系统。实际上，10Gbit/s及以上系统受限的并不仅是光纤的色度色散，偏振模色散（PMD）的影响更要严重得多，见表2.5.7。

 

表2.5.7：                偏振模色散、传输速率和传输距离的典型关系
偏振模色散ps/(km)1/2 :	不作要求	0.50			0.20		0.10
传输速率 Gbit/s	最高2.5	10	10（以太网）	40	10	40	10	40
传输距离 Km		400	40	2	3000	80	≥4000	400

 

（1） G.652A光纤

在ITU-T2003新版以前，G.652A光纤的参数与G.652（1996版）是最接近的，因为对它的偏振模色散（PMD）性能一直没有要求（包括2000版）。值得注意的是：2003新版中对它的PMD也提出了要求。因而它从原来最高速率2.5Gbit/s变为能支持10Gbit/s系统传输距离达400Km和10Gbit/s以太网40km及40Gbit/s系统传输距离2km。例如：

支持ITU-T G.957规定的SDH传输系统；

支持ITU-T G.691规定的带光放大的STM-16的单通道SDH传输系统；

支持ITU-T G.693规定的10Gbit/s（直到40km）以太网系统和STM-256。

（2） G.652B光纤

G.652B在G.652A的基础上，除了把对衰减的规定延伸到了L波段（1625nm）外， PMD比G .652A的要求高，可支持速率10Gbit/s系统传输距离达3000km以上和40Gbit/s系统传输距离达80km。例如：       

支持ITU-T G.957规定的SDH传输系统；

支持ITU-T G.691规定的带光放大的高至STM-64的单通道SDH系统；

支持ITU-T G.692规定的带光放大的高至STM-64的波分复用系统；

支持ITU-T G.693和G.959.1规定对于STM-256的某些应用。

（3） G.652C光纤

G.652C又称为低水峰光纤或城域网专用光纤，它消除了1385nm附近OH根离子吸收的损耗峰（俗称水峰），使损耗谱平坦，相当于增加了125个信道间隔为100GHz的波长通道。

G.652C具有与G.652A相类似的属性和应用范围，但它在1550nm的衰减更低，并可使用在1360-1530nm间的扩展（E）波段和短波（S）段，增加了可用波长范围，使波分复用信道数大为增加。是城域网应用的较佳选择。

（4）G.652D光纤

G.652D集合了G.552B和G.652C的优点，即与G.652B有相似的属性和应用范围，但衰减要求与G.652C相同，并允许使用在1360∼1530nm（E和S波段）。可以预见其在未来城域网应用的广阔前景。

（5） G.652及其子类光纤的主要技术指标

从G.652类光纤在演变和优化进程中：光纤的模场直径、几何尺寸控制趋向于更严格；光纤的筛选应力趋向于更大，即强度要求更高；在光纤的宏弯损耗不变前提下，弯曲半径趋向更小；对光纤的PMD更关注，趋向于更低的PMD；对光纤的使用波段趋向于更宽。

 G.652类光纤不同子类的光纤性能是有区别的，应根据使用要求和适用的传输设备来选用适用的子类。

G.652（96版）是最初步的单模光纤，已不能满足日趋发展的通信要求。仅以G.652来定义常规单模光纤是不完整的。

应引起重视的是：利用G.652类光纤开通40Gb/s以上的长途传输，须引入色散补偿，并需要更多的光放大器补偿由此导入的插入损耗。

（6）光纤的PMD（偏振模色散）

在单模传输中，光波的基模含有两个相互垂直的偏振态，理论上以完全相同的速度传播，没有任何延迟。然而，由于光纤事实上不可能绝对均匀且没有任何内在的或外部（如温度、弯曲、扭曲所致的）应力，这些因素引起了这两个正交偏振分量在单位长度中的差分群时延。这就是光纤的PMD(偏振模色散)。

当传输速率较低、距离不大时，PMD对系统的影响微不足道。当速率达10Gb/s及以上时，PMD将成为限止系统性能的因素之一。

2.5.3  G.653-色散位移光纤

IEC和GB/T把G.653光纤分类命名为B2型光纤。

为了充分利用光纤在1550nm波长处的低衰减并克服大的色散，在光纤剖面结构和制造工艺上采取了一些技术措施后，G.653光纤把1310nm处的零色散移到了1550nm处，使低衰减和零色散同时出现并与光放大器的工作波长匹配。图2.5.6是G.653光纤的典型折射率剖面结构。

图2.5.6  典型的色散位移移光纤折射率分布示意图

 

这种光纤在1550nm波长可不用色散补偿直接开通20Gb/s系统，非常适合于点对点的长距离、高速率的单通道系统。但是，恰恰是1550nm处的零色散造成了四波混频等非线性效应，使波分复用很困难。

2.5.4      G.654-截止波长位移光纤

IEC和GB/T把G.654光纤分类命名为B1.2型光纤。

G.654光纤也称为1550nm性能最佳光纤，与G.653类似，在光纤剖面结构和制造工艺上采取了一些技术措施后，把截止波长移到靠近1550nm（工作波长）的1530nm处，因此它在1310nm处是多模状态。

一般的G.652光纤在1550nm处的V值（归一化频率，见式2.2.3）仅为1.96，而G.654光纤在1550nm处的V值可达2.37，从而在1550nm波长处获得了极低衰减和极好的弯曲性能。图2.5.7是典型的折射率剖面结构。

图2.5.7  典型的G.654光纤折射率分布示意图

 

这种光纤目前价格较高，主要用于传输距离很长且不能插入有源器件对衰减要求特别高的无中继海底光缆通信系统。

2.5.6  G.655类--非零色散位移光纤

IEC和GB/T把G.655类光纤分类命名为B4类光纤

G.655类光纤也是一种复杂折射率剖面（图2.5.7）的色散位移光纤，不过在感兴趣的1550nm波长附近不再是零色散而是维持一定量的低色散，以抑制四波混频等非线性效应。是目前新一代适用于光放大、高速率（10Gb/s以上）、大容量、密集波分复用（DWDM）传输系统的光纤。

图2.5.7  典型的G.655光纤剖面折射率分布示意图

 

G.655类光纤根据PMD和色散斜率又进一步细分为G.655A、G.655B和G.655C三个子类。

（1）G.655A光纤

G.655A光纤的参数与G. 655（96版）光纤是最接近的，它工作在C波段，支持速率10Gbit/s为基础、信道间隔不小于200GHz的DWDM系统和10Gb/s单信道TDM系统（STM-64和STM-256）。例如：   

支持ITU-T G.691规定的带光放大的单通道SDH系统；

支持速率为STM-64，信道间隔不小于200GHz的ITU-T G.692带光放大器的波分复用系统；

支持ITU-T G.693和G.959.1应用。

（2）G.655B光纤

G.655B光纤的工作波段可在C波段向下延伸到S波段，低色散斜率的还可以向上延伸到L波段。支持速率10Gbit/s为基础、信道间隔100GHz以下的DWDM系统。

例如：支持ITU  G.691、G.693和G.959.1的应用且支持信道间隔不大于100GHz（比G.652A更密）的ITU-T G.692密集波分复用系统。

（3）G.655C光纤

G.655C光纤与G.655B光纤属性相类似，但它的PMD比G.655B要低，支持信道间隔100GHz及以下的N×10Gbit/s系绕传输3000km以上或N×40Gbit/s系统传输80km以上。

例如：允许STM-64速率的系统距离比4OOkm长得更多。还允许STM-256速率的G.959.1规定的某些应用。

（4）G.655及其子类光纤的主要技术指标

  G.655（1996版和2000版）光纤的截止波长要求不大于1480nm，新标准（2003版）将三类光纤的截止波长均修订为不大于1450nm，从而扩展了单模使用范围。

  G.655类光纤在G.652类光纤关注的1310nm波长既不是单模也不考核衰减，所以，各厂商的G.655类光纤在1310nm的参数无相关性。因此不能习惯性地沿用G.652类光纤的方法验收1310和1550nm两个波长，更不可用验收1310nm波长的指标去推断1550nm波长的相关指标。

  G.655类光纤不但与G. 652类光纤参数有重大差异，各子类间的差别也较大，主要表现在对色散要求不同。G.655A光纤只考核C波段而G.655B和G.655C还要考核L波段。在某一频点（如1550nm）上的色散值差异较大。

应根据(或将来)使用的波段、信道密集程度和传输速率选用合适的子类，仅以G.655来定义是不明确、不完整的。

2.5.8  色散补偿光纤

    自光纤放大器的出现和成熟并成功地投入商业运行以来，光纤损耗己不再是限止光纤线路传输性能和距离的主要因素。

在1550nm工作波长上，G.652类光纤的色散约为17ps/nm.km，G.655类光纤的色散约为4.2～4.5ps/nm.km。当G.655类光纤用于传输2.5Gb/s及以上(如10Gb/s)或G.655类光纤用于10Gb/s及以上（如40Gb/s）的高速率时，传输衰减可由光纤放大器进行补偿，但传输特性将受光纤线路积累的正色散和偏振模色散限止，而光纤放大器对线路中光纤色散导致的脉冲展宽和光纤偏振模色散的影响毫无作为。

色散补偿光纤（Dispersion Compensation fiber，DCF）应运而生，这是一种没有分类号的特殊光纤，也可以把它认为是一种光无源器件。图2.5.9是典型的色散补偿光纤的折射率剖面结构。色散补偿光纤一般为负色散(也有正色散的)。

 

图2.5.9  典型的色散补偿光纤的折射率剖面结构。

 

2.5.9   G.656光纤

G.656与G.655类都是非零色散位移光纤，但G.655类光纤通常用于C＋L（1530～1625nm）波段或S＋C（1460～1565nm），而新提出的G.656光纤可用于S＋C＋L（1460～1625nm）波段，因此，G.656光纤被称为《宽带光传输用非零色散单模光纤》。

与G.655C光纤相比，由于在宽阔的S、C和L波段保持非零色散，可至少增加40个信道，能大幅提高传输容量。且模场直径标称值允许范围增大，使应用范围更广。既可适用于长途骨干网，又适用于城域网，可见这种光纤在未来的光传送网中具有广阔的前景。

2.6  小结

（1）通信光纤按传播模式主要分为多模和单模两大类。光纤的外结构由纤芯、包层、一次涂覆和着色层组成，多模光纤和单模光纤的外结构区别只在于纤芯的尺寸不同。内结构则主要是指光纤的组份和折射率及其分布状况。

（2）按国际电信联盟（ITU-T）分类方法，通信光纤分为G.651、G.652、G.653、G.654、G.655和G.656六个大类和若干子类。国际电工委员会（IEC）的分类方法与ITU-T有所不同，我国的相关标准主要采纳了IEC分类方法。

（3）G.651类是多模光纤，IEC和GB/T又进一步按它们的纤芯直径、包层直径、数值孔径的参数细分为A1a、A1b、A1c和A1d四个子类。随着向城域网推进和光纤进大楼、进桌面、进家庭等应用，多模光纤还会有用武之地。

（3）G.652类是常规单模光纤，目前分为G.652A、G.652B、G.652C和G.652D四个子类，IEC和GB/T把G.652C命名为B1.3外，其余的则命名为B1.1。G.652类是目前光纤通信系统中用量最大、用途最广的光纤，不同子类光纤的参数和应用范围是有差异的，因而不宜笼统地提G.652光纤。  

（4）G.653光纤是色散位移单模光纤，IEC和GB/T把G.653光纤分类命名为B2型光纤。G.653光纤适合于点对点的长距离、高速率的单通道系统。但是，1550nm处的零色散造成了四波混频等非线性效应，使波分复用很困难。

（5）G.654光纤是截止波长位移单模光纤，也称为1550nm性能最佳光纤，IEC和GB/T把G.654光纤分类命名为B1.2型光纤。主要主要用于传输距离很长且不能插入有源器件对衰减要求特别高的无中继海底光缆通信系统。

（6）G.655类光纤是非零色色散位移单模光纤，目前分为G.655A、G.655B和G.655C三个子类，IEC和GB/T把G.655类光纤分类命名为B4类光纤。G.655类是一种复杂折射率剖面光纤，在1550nm波长附近不再是零色散而是维持一定量的低色散，以抑制四波混频等非线性效应。是目前新一代适用于光放大、高速率（10Gb/s以上）、大容量、密集波分复用（DWDM）传输系统的光纤。根据不同子类光纤的参数，G.655类不同子类光纤分别用于C＋L（1530～1625nm）波段或S＋C（1460～1565nm），因而而不宜笼统地提G.652光纤。  

（7）G.656类光纤宽带光传输用非零色散单模光纤，目前IEC和GB/T还未命名。G.656光纤可用于S＋C＋L（1460～1625nm）的宽广波段

 

附录：                         ITU-T各类光纤主要传输特性

光纤参数

G.652A

G.652B

G 652C

G.652D

G.653

G.654

G.655A

G.655B

G.655C

G.656

模 场 直 径

波长nm

1310

1550

标称值μm

8.6∼9.5

7.8~8.5

9.5~10.5

8.6∼9.5

7~11

公差μm

±0.7

±0.8

±0.7

光缆截止波长 nm

≤1260

≤1270

≤1530

≤1450

色 度 色 散 系 数

λ0 min  nm

1300

1525

1530

1460

λ0max  nm

1324

1575

1550

1565

1565

S0max  ps/n㎡·km

0.093

≤0.085

≤0.07

Dmin   ps/nm.km

≤3.5

0.1

1.0

2.0

Dmax   ps/nm.km

≤18

≤3.5

≤20

6.0

10.0

14.0

衰 减 系 数 dB/km

1310nm

≤0.5

≤0.4

-

-

≤0.55

-

1310—1625nm

-

-

≤0.4

≤0.4

-

-

1383±3nm

-

-

≤1310处最大值

-

-

1460nm

≤0.4

1550nm

≤0.4

≤0.35

≤0.30

≤0.30

≤0.35

≤0.22

≤0.35

1625 nm

-

≤0.4

-

-

-

-

≤0.4

PMD 系 数

光纤段数 M

20

概率 Q %

0.01

PMDQ ps/(km)1/2

≤0.5

≤0.2

≤0.5

≤0.2

≤0.5

≤0.2