光纤和光缆基础知识

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(OpticalFiber)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n1＞n2。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0.3％～0.6％，多模光纤为1％～2％。△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.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(SiO2)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-IndexFiber,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=50～80μm，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-IndexFiber,GIF)如图2(b)，在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向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50μm，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-ModeFiber,SMF)如图2(c)折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8～10μm，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，包层外径2b都选用125μm。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′/a≤2。适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率n1、n2和n3，调整a值，可以得到在1.3～1.6μm之间色散变化很小的色散平坦光纤(Dispersion-FlattenedFiber，DFF)，或把零色散波长移到1.55μm的色散移位光纤(Dispersion-ShiftedFiber，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1.55μm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10～20MHz·km，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1～2GHz·km，适用于中等容量(34～140Mb/s)中等距离(10～20km)系统。大容量(565Mb/s～2.5Gb/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。1.55μm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①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图5阶跃型多模光纤结构4表1Al类多模光纤的结构尺寸参数光纤结构AlaAlbAlcAld纤芯直径(μm)包层直径(μm)芯/包同心度(μm)芯不圆度(％)包层不圆度(％)包层直径（未着色）(μm)包层直径（着色）(μm)50±3125±2≤3≤6≤2245±10250±1562.5±3125±3≤3≤6≤2245±10250±1585±3125±3≤6≤6≤2245±10250±15100±5140±4≤6≤6≤4250±25—②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(μm)工作波长(μm)带宽(MHz)数值孔径衰减系数(dB/km)应用场合AlaAlbAlcAld50/12562.5/12585/125100/1250.85,1.300.85,1.300.85,1.300.85,1.30200～1500300～1000100～1000100～5000.20～0.240.26～0.290.26～0.300.26～0.290.8～1.50.8～2.02.03.0～4.0数据链路、局域网数据链路、局域网局域网、传感等局域网、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。5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A2aA2bA2cA3aA3bA3cA4aA4bA4c芯/包直径(μm)工作波长(μm)带宽(MHz)数值孔径衰减系数(dB/km)典型选用长度(m)100/140200/240200/2800.85≥100.23～0.26≤102000200/300200/380200/2300.85≥50.40≤101000980/1000730/750480/5000.65≥100.50≤40dB/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①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4B1.1类单模光纤的结构尺寸参数光纤类别B1.11310模场直径(μm)包层直径(μm)1310nm芯同心度误差(μm)包层不圆度(％)涂覆层直径(未着色)(μm)涂覆层直径(着色)(μm)包层/涂覆层同心度误差(μm)(8.6～9.5)±0.7125±1≤0.8≤2245±10250±15≤12.56表5B4类单模光纤的结构尺寸参数光纤类别B41550nm模场直径(μm)包层直径(μm)1550nm芯同心度误差(μm)包层不圆度(％)涂覆层直径(未着色)(μm)涂覆层直径(着色)(μm)包层/涂覆层同心度误差(μm)(8.0～11.0)±0.7125±1≤0.8≤2245±10250±15≤12.5②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-TIEC非色散位移单模光纤G.652：A、B、CB1.1和B1.3单模光纤色散位移单模光纤G.653B2截止波长位移单模光纤G.654B1.2非零色散位移单模光纤G.655：A、BB4色散补偿单模光纤A.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-TG.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7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附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm附近其具有最大色散系数，为17ps/(nm·km)。(3)这种光纤工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm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(CableTelevision)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”。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7G.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(μm)截止波长λcc(μm)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/(nm·km)要求值1310nm8.6～9.5±0.7λcc≤1270λc≤1250λcj≤125013101310或15501310nm＜0.401550nm＜0.251310n