单模和多模光纤的特点和应用.doc

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单模和多模光纤的特点和应用

一、光纤结构

光纤是光导纤维的简称，是一种新的光波导，是光通信系统最普遍和最重要的传输媒质。

它由单根玻璃纤芯、紧靠纤芯的包层、一次涂覆层以及套塑保护层组成。

（光纤呈圆柱形，由纤芯、包层和涂覆层三部分组成。

）纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成，内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高。

包在外围的覆盖层就像不透明的物质一样，防止了光线在穿插过程中从表面逸出。

1.纤芯

位置:

位于光纤的中心部位，

直径：

在4-50μm，单模光纤的纤芯直径为4-10μm,多模光纤的纤芯直径为50μm。

纤芯的成分：

含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅（如二氧化锗，五氧化二磷）作用是适当提高纤芯对光的折射率，用于传输光信号。

2.包层

位置:

位于纤芯的周围

直径：

125μm

成分：

是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。

掺杂剂（如三氧化二硼）的作用：

适当降低包层对光的折射率，使之略低于纤芯的折射率，即纤芯的折射率大于包层的折射率（这是光纤结构的关键），它使得光信号封闭在纤芯中传输。

3.光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层、缓冲层和二次涂覆层。

一次涂覆层：

一般使用丙烯酸醋、有机硅或硅橡胶材料；

缓冲层：

一般为性能良好的填充油膏；

二次涂覆层：

一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。

涂覆层的作用：

是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。

涂覆后的光纤外径约2.5mm。

4.光纤最重要的两个传输特性

损耗和色散是光纤最重要的两个传输特性，它们直接影响光传输的性能。

（l）光纤传输损耗：

损耗是影响系统传输距离的重要因素之一，光纤自身的损耗主要有吸收损耗和散射损耗。

吸收损耗是因为光波在传输中有部分光能转化为热能；散射损耗是因为材料的折射率不均匀或有缺陷、光纤表面畸变或粗糙造成的。

当然，在光纤通信系统中还存在非光纤自身原因的一些损耗，包括连接损耗、弯曲损耗和微弯损耗等。

这些损耗的大小将直接影响光纤传输距离的长短和中继距离的选择。

（2）光纤传输色散：

色散是光脉冲信号在光纤中传输，到达输出端时发生的时间上的展宽。

产生的原因是光脉冲信号的不同频率成分、不同模式，在传输时因速度不同，到达终点所用的时间不同而引起的波形畸变。

色散结果：

这种畸变使得通信质量下降，从而限制了通信容量和传输距离。

二、光纤通信的工作窗口

光纤损耗系数随着波长而变化，为获得低损耗特性，光纤通信选用波长范围在800-1800nm，并称850nm（800-900nm）为短波长波段；1300-1600nm为长波长波段，主要有1310nm和1550nm两个窗口。

实用的低损耗波长是：

第一代系统，波长850nm，最低损耗2.5dB/km，分贝（dB）采用石英多模光纤；第二代系统，波长1310nm，最低损耗0.27dB/km,采用石英单模最低色散光纤；第三代系统，波长1550nm，最低损耗0.16dB/km，采用石英单模最低损耗与适应色散光纤。

上述三个波长称为三个工作窗口。

三、光纤分类

一、多模光纤

当光纤的几何尺寸远大于光波波长时（约lμm），光纤传输的过程中会存在一着几十种乃至上百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。

由于不同的传播模式具有不同的传播速度与相位，因此，经过长距离传输会产生模式色散（经过长距离传输后，会产生时延差，导致光脉冲变宽）。

模式色散会使多模光纤的带宽边窄，降低传输容量，因此，多模光纤只适用于低速率、短距离的光纤通信，目前数据通信局域网大量采用多模光纤。

（一）多模光纤的主要产品及应用性能如下表：

产品名称

主要性能特点及应用

62.5/125μm多模光纤（A1b）

低衰减和高带宽，适用于千兆以太网（IEEE802.3z）

50/125μm多模光纤（A1a）

低衰减,高带宽和优异的抗弯曲性能，适用于千兆以太网（IEEE802.3z）

62.5/125μm&50/125μm多模光纤—A1b/A1a（OM1/OM2）

850nm和1300nm窗口优化多模光纤，适用于千兆以太网（IEEE802.3z）

62.5/125μm&50/125μm弯曲不敏感多模光纤—A1b/A1a（OM2/OM3/OM4）

适用于工作窗口为850nm的1&10&40&100Gb/s传输系统，传输距离可达150m、300m和500m，光纤的最小弯曲半径7.5mm。

（二）A1类多模光纤传输性能要求

项目

单位

A1a（50/125μm）

A1b（62.5/125μm）

衰减系数

850nm

dB/m

2.4-3.5

2.8-3.5

1300nm

0.55-1.5

0.6-1.5

模式带宽

850nm

MHz·km

200-800

160-800

1300nm

200-1200

200-1000

数值孔径

0.23±0.02

0.275±0.015

零色散波长λ0

nm

1295≤λ0≤1365

1295≤λ0≤1365

零色散斜率S0

1295≤λ0≤1365

1295≤λ0≤1365

1295≤λ0≤1365

ps/（nm2·km）

≤0.105+0.001（λ0-1259）

≤0.11

≤0.001（1458-λ0）

二、单模光纤

当光纤的几何尺寸较小，与光波长在同一数量级，如芯径在4-10μm范围，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。

单模光纤避免了模式色散，适用于大容量长距离传输。

（一）单模光纤分类：

IEC60793-2和IEC60793-2-50中将单模光纤划分为B1.1、B1.2、B1.3、B2、B4、B5、B6等类别，ITU-T也在G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657等建议中分别规范了各种单模光纤的定义和特性，而GB/T9771的各部分参照IEC60793-2-50和ITU-TG.65x系列制订。

其对应关系在下表中总述。

一种给定型号的单模光纤（例如：

B4），通过对模场直径（也称有效面积）、色散系数、色散曲线的斜率、截止波长等参数进行适配的最优化，而获得不同的应用方式。

表.单模光纤的分类和定义

常规命名

GB/T9771.1～7

以及IEC分类名称

ITU分类名称

主要特征

非色散位移单模光纤

B1.1

G.652.A

G.652.B

零色散波长在1300nm至1324nm之间，在1310nm窗口性能最优化，在1550nm窗口也能兼容使用

截止波长位移单模光纤

B1.2_b

B1.2_c

G.654.A

G.654.B

G.654.C

截止波长位移至1310nm至1530nm之间，并且在1550nm窗口性能最优化。

B1.2类光纤主要应用在海底光缆中，偶尔也可应用于陆地光缆中

波长段扩展的非色散位移单模光纤

B1.3

G.652.C

G.652.D

B1.3类光纤除性能与B1.1类光纤相似之外，还具有1383nm水峰处较低的衰减，从而也能在1360nm至1460nm窗口兼容使用

色散位移单模光纤

B2_a

B2_b

G.653.A

G.653.B

零色散波长在1525nm至1575nm之间，在1550nm窗口性能最优化。

为避免四波混频效应只有在低功率或可能的场合或固定信道时才可以采用复用频道传输

非零色散位移单模光纤

B4_c

B4_d

B4_e

G.655.A、B、C

G.655.D

G.655.E

零色散波长在1530nm至1565nm波段之外，在1550nm窗口性能最优化，并且截止波长可以转移到1310nm以上区域

宽波长段光传输用非零色散位移单模光纤

B5

G.656

在1460nm至1625nm窗口性能最优化，并且零色散波长小于1460nm

接入网用弯曲不敏感单模光纤

B6_a1

B6_a2

G.657.A1

G.657.A2

与B1.3类光纤兼容，但最小弯曲半径为10mm或7.5mm，适合在接入网中及室内使用。

工作波长在1260nm～1625nm

接入网用弯曲不敏感单模光纤

B6_b2

B6_b3

G.657.B2

G.657.B3

不与B1.3类光纤兼容，但最小弯曲半径为7.5mm或5.0mm，适用于室内短距离的通信传输，工作波长在1310nm、1550nm和1625nm

（二）几种单模光纤的特点和应用

l.G.652标准单模光纤特点及应用

①零色散波长在1310nm附近。

既可以使用在1310nm波长区域，也可以使用在1550nm波长区域。

最佳工作波长在1310nm区域。

②当工作波长在1.3μm时，光纤色散很小，系统的传输距离只受光纤衰减所限制。

③光纤在1.3μm波段的损耗较大；在1.55μm波段的损耗较小。

④光纤截止波长：

λcf≤1250nm，光缆截止波长：

λcc≤1260nm。

⑤模场直径：

1310nm处的模场直径是8.6-9.5μm士0.7。

在1550nm处没有具体规定，但一般不大于10.3μm。

⑥衰减：

衰减系数最大值在1310nm窗口，A级为0.36dB/km,B级为0.40dB/km;衰减系数最小值在1500nm窗口，A级为0.22dB/km,B级为0.25dB/km

⑦色散：

零色散波长范围是1300-1324nm。

⑧偏振模色散（PMD）系数最大值：

0.3ps/

2.G.653色散位移光纤特点及应用

色散位移光纤在1.55μm色散为零，不利于多信道的WDM传输，用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生四波混频（FWM）导致信道间发生串扰。

如果光纤线路的色散为零，FWM（四波混频）的干扰就会十分严重；如有微量色散，FWN干扰反而还会减少。

①光纤截止波长：

λcf<1250nm.

②模场直径：

1550nm处的模场直径是7.8-8.5μm士0.8.

③衰减：

衰减系数最大值在1310nm窗口，A级为0.40dB/km,B级为0.45dB/km,C级为0.55dB/km

④偏振模色散（PMD）系数最大值：

0.3ps/

此种光纤除了在日本等国家干线网上有应用外，在我国干线网上几乎没有应用

3.G.654截止波长位移光纤特点及应用

①零色散波长在1310nm附近，截止波长位移到较长的波长，所以该光纤也被称为截止波长位移单模光纤。

②工作波长为1.55μm，在该波长附近上的衰减最小。

③零色散点在1300nm附近，但在1550nm窗口色散较大，约为17-20ps/（nm2·km）

④光纤截止波长：

1350nm<λcf<1600nm.

⑤模场直径：

1550nm处的模场直径是9.5-10.5μm士0.7.。

⑥衰减：

衰减系数最大值在1550nm窗口，A级为0.19dB/km,B级为0.22dB/km。

⑦色散：

1550nm色散系数最大值20ps/（nm2·km）;1550nm零色散斜率最大值为0.07ps/（nm2·km）。

⑧偏振模色散（PMD）系数最大值：

0.3ps/

该种光纤主要应用于长距离数字传输系统。

如海底缆。

4.G.655非零色散位移光纤特点及应用

①非零色散光纤实质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1.55μm；

②在使用波长区域据有一非零的小色散值,以抑制密集波分复用（DWDM）中四波混频（FWM）效应

③最佳使用波长范围在1500-1600nm区域。

④光纤截止波长：

λcf≤1470nm，光缆截止波长：

λcc≤1480nm。

⑤模场直径：

（8.0-11.0）μm士0.7

⑥衰减：

衰减系数最大值在1500nm窗口，A级为0.22dB/km,B级为0.25dB/km

⑦C波段色散：

非零色散区nm：

1530≤λmin≤λmax≤1565，非零色散区绝对值ps/（nm2·km）：

1.0≤Dmin≤Dmax≤10，Dmax－Dmin≤5.0ps/（nm2·km）;

⑧偏振模色散（PMD）系数最大值：

0.3ps/

G.655非零色散光纤适用于通信网和其他通信设备，它特别适用于DWDM系统的传输。

5.G.657接入网用弯曲不敏感单模光纤

①G657A与B1.3类光纤兼容，但最小弯曲半径为10mm或7.5mm，适合在接入网中及室内使用,G657B不与B1.3类光纤兼容，但最小弯曲半径为7.5mm或5.0mm，适用于室内短距离的通信传输，工作波长在1310nm、1550nm和1625nm。

②零色散波长在1310nm附近。

既可以使用在1310nm波长区域，也可以使用在1550nm波长区域。

最佳工作波长在1310nm区域。

光纤截止波长：

光纤截止波长未做规定，光缆截止波长：

λcc≤1260nm。

④模场直径：

G657A:

（8.6-9.5）μm士0.4

G657B:

（6.3-9.5）μm士0.4

⑤衰减：

B6类单模光纤的衰减系数应符合下表规定

表.B6类单模光纤的衰减系数

光纤类型

使用波长（nm）

最大衰减值（dB/km）

B1.3和B6a

1310

0.38

1383±3

0.38

1550

0.24

1625

0.28

B6b

1310～1625

0.5

1383±3

0.5

1550

0.3

1625

0.4

⑥色散：

零色散波长范围是1300-1324nm。

⑦偏振模色散（PMD）系数最大值：

0.3ps/

⑧宏弯损耗：

B6类单模光纤的宏弯损耗参数应符合下表规定。

表.B6类单模光纤的宏弯特性单位：

dB

条件

技术指标

弯曲半径mm

圈数

B6a

B6b

1550nm

1625nm

1550nm

1625nm

15

10

≤0.25

≤1.0

≤0.03

≤0.10

10

1

≤0.75

≤1.5

≤0.10

≤0.20

7.5

1

-

-

≤0.50

≤1.00