关于光纤,看完了,就懂了

光纤是一种纤细的、柔软的固态玻璃物质,它由纤芯、包层、涂覆层三部分组成,可作为光传导工具。

光纤的纤芯主要采用高纯度的二氧化硅(SiO2),并掺有少量的掺杂剂,提高纤芯的光折射率n1;包层也是高纯度的二氧化(SiO2),也掺有一些的掺杂剂,以降低包层的光折射率n2, n1>n2,发生全反射;涂覆层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙,增加机械强度和可弯曲性。

光纤传输原理

全反射原理:因光在不同物质中的传播速度是不同的,所以光从一种物质射向另一种物质时,在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且,折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。

当入射光的角度达到或超过某一角度时,折射光会消失,入射光全部被反射回来,这就是光的全反射。

不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率),相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。

按照几何光学全反射原理,射线在纤芯和包层的交界面产生全反射,并形成把光闭锁在光纤芯内部向前传播的必要条件,即使经过弯曲的路由光线也不射出光纤之外。

光纤技术的起源与发展

1966年,美籍华人高锟和霍克哈姆发表论文,光纤的概念由此产生。1970年,美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/km的光纤,光纤通信时代由此开始。

1977年美国在芝加哥首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。当时8.5微米波段的多模光波为第一代光纤通信系统。随即在1981年、1984年以及19世纪80年代中后期,光纤通信系统迅速发展到第四代。第五代光纤通信系统达到了应用的标准,实现了光波的长距离传输。

光纤通信的发展阶段

第一阶段:1966-1976年,是从基础研究到商业应用的开发时期。在这一阶段,实现了短波长0.85μm低速率45或34Mb/s多模光纤通信系统,无中继传输距离约10km。

第二阶段:1976-1986年,这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。在这个时期,光纤从多模发展到单模,工作波长从短波长0.85μm发展到长波长1.31μm和1.55μm,实现了工作波长为1.31μm、传输速率为140565Mb/s的单模光纤通信系统,无中继传输距离为10050km。

第三阶段:1986-1996年,这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期,实现了1.55μm色散移位单模光纤通信系统。采用外调制技术,传输速率可达2.510Gb/s,无中继传输距离可达150100km。实验室可以达到更高水平。

光纤的种类

光纤的种类很多,分类方法也是各种各样的。

按照制造光纤所用的材料分:石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。

塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)制成的。它的特点是制造成本低廉,相对来说芯径较大,与光源的耦合效率高,耦合进光纤的光功率大,使用方便。但由于损耗较大,带宽较小,这种光纤只适用于短距离低速率通信,如短距离计算机网链路、船舶内通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。

按光在光纤中的传输模式分:单模光纤和多模光纤。

单模光纤:中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm),只能传一种模式的光。因此,其模间色散很小,适用于远程通讯,但还存在着材料色散和波导色散,这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求,即谱宽要窄,稳定性要好。后来又发现在1.31μm波长处,单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负,大小也正好相等。

这就是说在1.31μm波长处,单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看,1.31μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样,1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口,也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU-T在G652建议中确定的,因此这种光纤又称G652光纤。

多模光纤:中心玻璃芯较粗(50或62.5μm),可传多种模式的光。但其模间色散较大,这就限制了传输数字信号的频率,而且随距离的增加会更加严重。例如:600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此,多模光纤传输的距离就比较近,一般只有几公里。

按折射率分布情况分:阶跃型和渐变型光纤。

阶跃型:光纤的纤芯折射率高于包层折射率,使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的,包层的折射率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的,只有一个台阶,所以称为阶跃型折射率多模光纤,简称阶跃光纤,也称突变光纤。

这种光纤的传输模式很多,各种模式的传输路径不一样,经传输后到达终点的时间也不相同,因而产生时延差,使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高,传输频带不宽,传输速率不能太高,用于通信不够理想,只适用于短途低速通讯,比如:工控。但单模光纤由于模间色散很小,所以单模光纤都采用突变型。这是研究开发较早的一种光纤,现在已逐渐被淘汰了。

渐变型光纤:为了解决阶跃光纤存在的弊端,人们又研制、开发了渐变折射率多模光纤,简称渐变光纤。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小,可使高次模的光按正弦形式传播,这能减少模间色散,提高光纤带宽,增加传输距离,但成本较高,现在的多模光纤多为渐变型光纤。

渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样,为均匀的。渐变光纤的纤芯折射率中心最大,沿纤芯半径方向逐渐减小。由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层界面上按折射定律产生折射,进入低折射率层中去,因此,光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。

同样的过程不断发生,直至光在某一折射率层产生全反射,使光改变方向,朝中心较高的折射率层行进。这时,光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度,在各折射率层中每折射一次,其值就增大一次,最后达到中心折射率最大的地方。

在这以后、和上述完全相同的过程不断重复进行,由此实现了光波的传输。可以看出,光在渐变光纤中会自觉地进行调整,从而最终到达目的地,这叫做自聚焦。

按光纤的工作波长分:短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。

短波长光纤是指0.8~0.9μm的光纤;长波长光纤是指1.0~1.7μm的光纤;而超长波长光纤则是指2μm以上的光纤。

目前,国际上单模光纤的标准主要是ITU-T的系列:G.650“单模光纤相关参数的定义和试验方法”、G.652“ 单模光纤和光缆特性”、G.653“色散位移单模光纤和光缆特性”、G.654“截止波长位移型单模光纤和光缆特性 ”、G.655“非零色散位移单模光纤和光缆特性”及G.656“用于宽带传输的非零色散位移光纤和光缆特性”。ITU -T对多模光纤的标准是G.651“50/125μm多模渐变折射率光纤和光缆特性”。

单模光纤

普通单模光纤

普通单模光纤是指零色散波长在1 310 nm窗口的单模光纤,又称色散未移位光纤或普通光纤,国际电信联盟 (ITU-T)把这种光纤规范为G.652光纤。

G.652属于第一代单模光纤,是1310 nm波长性能最佳的单模光纤。当工作波长在1310 nm时,光纤色散很小,色 散系数D在0~3.5 ps/nm·km,但损耗较大,约为0.3~0.4 dB/km。此时,系统的传输距离主要受光纤衰减限制。

在1 550 nm波段的损耗较小,约为0.19~0.25 dB/km,但色散较大,约为20 ps/nm·km。传统上在G.652上开通 的PDH系统多是采用1310nm零色散窗口。但近几年开通的SDH系统则采用1550nm的最小衰减窗口。

另外,由于掺铒 光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)的实用化,密集波分复用(DWDM)也工作于1550nm窗口, 使得1550nm窗口己经成为G.652光纤的主要工作窗口。

对于基于2.5 Gb/s及其以下速率的DWDM系统,G.652光纤是一种最佳的选择。但由于在1550nm波段的色散较大, 若传输10 Gb/s的信号,一般在传输距离超过50km时,需要使用价格昂贵的色散补偿模块,这会使系统的总成本增 大。色散补偿模块会引入较大的衰减。因此常将色散补偿模块与EDFA一起工作,置于EDFA两级放大之间,以免占用链路的功率余度。

G.652光纤的一些光学特性参数和凡何特性参数。

G.652类光纤进一步分为A、B、C、D四个子类:

G.652A光纤主要适用于ITU-T G.951规定的SDH传输系统和G.691 规定的带光放大的单通道直到STM-16的SDH传输系统,只能支持2.5Gb/s及其以下速率的系统。

G.652B光纤主要 适用于ITU-T G.957规定的SDH传输系统和G.691规定的带光放大的单通道SDH传输系统直到STM-64的ITU-T G.692带光放大的波分复用传输系统,可以支持对PMD有参数要求的10 Gb/s速率的系统。

G.652C光纤的适用范围同 B类相似,这类光纤允许G.951传输系统使用在1 360~1 530 nm之间的扩展波段,增加了可用波长数。

G.652D光纤 为无水峰光纤,其属性与G.652B光纤基本相同,而衰减系数与G.652C光纤相同,可以工作在1360~1530nm全波段 。

色散位移光纤

G.653色散位移光纤,是在G.652光纤的基础上,将零色散点从1 310 nm窗口移动到1 550 nm窗口,解决了1 550 nm波长的色散对单波长高速系统的限制问题。但是由于EDFA在DWDM中的使用,进入光纤的光功率有很大的提高, 光纤非线性效应导致的四波混频在G.653光纤上对DWDM系统的影响严重,G.653并没有得到广泛推广。主要原因是 在1 550 nm窗口,G.653的色散非常小,比较容易产生各种光学非线性效应网。

非零色散位移光纤

G.655非零色散位移光纤是在1 550 nm窗口有合理的、较低的色散,能够降低四波混频和交叉相位调制等非线性 影响,同时能够支持长距离传输,而尽量减少色散补偿网。

G.655光纤在1 550 nm波长区的色散值约为2 ps/nm·km。在1 550 nm处具有正色散的G.655光纤可以利用色散补 偿其一阶和二阶色散。具有负色散的G.655光纤不存在调制不稳定性问题,对交叉相位调制不敏感。

第二代G.655光纤包括低色散斜率光纤和大有效面积光纤。所谓色散斜率指光纤色散随波长变化的速率,又称高阶色散。DWDM系统中,由于色散斜率的作用,各通路波长的色散积累量是不同的,其中 位于两侧的边缘通路间的色散积累量差别最大。

当传输距离超过一定值后,具有较大色散积累量通路的色散值超 标,从而限制了整个WDM系统的传输距离。低色散斜率光纤具有更合理的色散规范值,简化了色散补偿。

低色散斜率G.655光纤的色散值在0.05 ps/nm·km以下,在1 530~1 565 nm波长范围的色散值为2.6~6.0 ps/nm·km,在1 565~1 625 nm波长范围的色散值为4.0~8.6 ps/nm·恤。

其色散随波长的变化幅度比其他非零 色散光纤要小35%~55%,从而使光纤在低波段的色散有所增加,可以较好地压制四波混频和交叉相位调制影响 ,而另一方面又可以使高波段的色散不致过大,仍然可以使10 Gb/s信号传输足够远的距离而无须色散补偿。

大有效面积光纤具有较大的有效面积,可承受较高的光功率,因而可以更有效地克服光纤的非线性影响。超高 速系统的主要性能限制是色散和非线性。

通常,线性色散可以用色散补偿的方法来消除,而非线性的影响却不能 用简单的线性补偿的方法来消除。提高光纤纤芯的有效面积,降低纤芯内的光功率密度,是解决非线性问题的方法之一。

大有效面积光纤的有效面积达72μ㎡以上,零色散点处于1 510 nm左右,其色散系数在1 530~1 565 nm 窗口内处于2~6 ps/nm km之内,而在1 565~1 625 nm窗口内处于4.5~11.2 ps/nm·km之内,从而可以进一步减小四波混频的影响。

G.656光纤是为了进一步扩展DWDM系统的可用波长范围,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种新型光纤。

多模光纤

尽管单模光纤的品种不断出现,功能被不断地丰富和增强着,但多模光纤并没有被单模光纤所取代,而是仍然保持了稳定的市场份额,并且得到了不断的发展。

在传输距离较短、节点多、接头多、弯路多、连接器和耦合器 用量大、规模小、单位光纤长度使用光源个数多的网络中,使用单模光纤无源器件比多模光纤要贵,而且相对精 密、容差小,操作不如多模器件方便可靠。

多模光纤的芯径较粗,数值孔径大,、能从光源中耦合更多的光功率 ,适应了网络中弯路多、节点多、光功率分路频繁、需要有较大光功率的特点。多模光纤的特性正好满足了这种网络用光纤的要求。

单模光纤只能使用激光器(LD)作光源,其成本比多模光纤使用的发光二极管(LED)高很多。垂直腔面发射激 光器(VCSEL)的出现,更增强了多模光纤在网络中的应用。VCSEL具有圆柱形的光束断面和高的调制速率,与光 纤的耦合更容易,而价格则与LED接近。

因此虽然仅从光纤的角度看,单模光纤性能比多模光纤好,但是从整个网络用光纤的角度看,多模光纤则占有 更大的优势。多模光纤一直是网络传输介质的主体,随着网络传输速率的不断提高和VCSEL的使用,多模光纤得到 了更多的应用,并且促进了新一代多模光纤的发展。

ISO/IEC 11801所颁布的新的多模光纤标准等级中,将多模光纤分为OM1,OM2,OM3三类。其中OM1是指传统的62.5/125μm多模光纤,OM2是指传统的50/125μm多模光纤,0M3是指新型的万兆位多模光纤。

62.5/125μm渐变折射率多模光纤(OM1)

常用的62.5/125μm渐变折射率多模光纤是指IEC-60793-2光纤产品规范中的Alb类型。它的诞生晚于50/125μm渐变折射率多模光纤。

由于62.5/125μm光纤的芯径和数值孔径较大,具有较强的集光能力和抗弯曲特性,特别是在20世纪90年代中期以前,局域网的速率较低,对光纤带宽的要求不高,因而使这种光纤获得了最广泛的应用,成为20世纪80年代中期至90年代中期的十年间在大多数国家中数据通信光纤市场中的主流产品。

62.5/125μm渐变折射率多模光纤是最先被美国采用为多家行业标准的一种多模光纤,如AT&T的室内配线系统标准;美国电子工业协会(ETA)的局域网标准;美国国家标准研究所(ANSI)的100 Mb/s令牌网标准;IBM的令牌环标准等。

通常62.5/125μm渐变折射率多模光纤的带宽为200~400 MHz·km,在1 Gb/s的速率下,850 nm波长可传输300 m,1 300 nm波长可传输550m。

62.5/125μm渐变折射率多模光纤的典型光学特性参数

50/125μm渐变折射率多模光纤(OM2)

普通的50/125μm渐变折射率多模光纤是指IEC-60793-2光纤产品规范中的Ala类型。历史上,为了尽可能地降低局域网的系统成本,普遍采用价格低廉的LED作光源,而不用价格昂贵的LD。

由于LED输出功率低,发散角比LD大很多,连接器损耗大,而50/125μm多模光纤的芯径和数值孔径都比较小,不利于与LED的高效耦合,不如芯径和数值孔径大的62.5/125μm(Alb类)光纤能使较多的光功率耦合到光纤链路中去,因此,50/125μm渐变折射率多模光纤在20世纪90年代中期以前没有被得到广泛的应用,而是主要在日本和德国被作为数据通信标准使用。

自20世纪末以来,局域网向lGb/s速率以上发展,以LED作光源的62.5/125μm多模光纤的带宽己经不能满足要求。与62.5/125μm多模光纤相比,50/125μm多模光纤数值孔径和芯径较小,带宽比62.5/125μm多模光纤大,制作成本也降低1/3。

因此,50/125μm多模光纤重新得到了广泛的 应用。IEEE802.3z千兆位以太网标准中规定50/125μm多模和62.5/125μm多模光纤都可以作为千兆位以太网的传 输介质使用。但对新建网络,一般首选50/125μm多模光纤。

50/125μm渐变折射率多模光纤中传输模的数目大约是62.5/125μm多模光纤中传输模的1/2.5,有效地降低了多 模光纤的模色散,使得带宽得到了显著的增加。

50/125μm(Alb类)渐变折射率多模光纤的典型光学特性参数。

以上两种光纤具有同样的包层直径和机械性能,但是二者的带宽,以及与光源的耦合效率影响了其应用范围。

较高的带宽能够传送较高的速率或支持较长的距离。在850 nm波长,50/125μm多模光纤的带宽(500 MHz·km)是 62.5/125μm多模光纤带宽(200 MHz·km)的两倍多。

然而50 gm较小的芯径减小了基于LED光源的耦合输入光功 率,从而减小了链路中允许的接头数和减少了受功率限制支持的距离。对于850 nm波长千兆位以太网,62.5/125 μm多模光纤能支持的链路长度为220m,50/125μm多模光纤能支持的链路长度为550m。两种光纤在300 m的长度内 都能提供足够的带宽。

随着850 nm低价格VCSEL的出现和广泛应用,850nm窗口重要性增加了。VCSEL能以比长波长激光器低的价格给用 户提高网络速率。50/125μm多模光纤在850nm窗口具有较高的带宽,使用低价格VCSEL能支持较长距离的传输,适 合于千兆位以太网和高速率的协议,支持较长的距离。

新一代多模光纤(OM3)

传统的OM1和OM2多模光纤从标准上和设计上均以LED方式为基础,随着网络速率和规模的提高,调制速率达到 Gb/s的短波长VCSEL激光光源成为高速网络的光源之一。

由于两种发光器件的不同,必须对光纤本身进行改造,以适应光源的变化。为了满足10 Gb/s传输速率的需要,国际标准化组织/国际电工委员会(ISO/IEC)和美国电信工 业联盟(ITA-TR42)联合起草了新一代多模光纤的标准。ISO/IEC在其所制定的新的多模光纤等级中将新一代多 模光纤划为0M3类别。

LED的最大调制速率一般只有600 MHz,由于调制速率的限制,使其在1 Gb/s以上的光纤网络中无法使用,故在1 Gb/s以上的高速网络中,发光器件主要采用激光器作光源。但实验中发现,简单地使用激光器代替LED作光源,系统的带宽不但没有升高,反而降低。

原因是在预制棒制作工艺中,光纤的轴心容易产生折射率凹陷。在使用LED作光源时,这种光纤中心折射率的畸变对信号的传输影响不大。原因是LED光源将光纤中的所有模式都激励,光功率被分配到每一个模式上,只有少数几个传播模的时延特性会受到光纤中心折射率畸变的影响。

而当使用激光器作光源时,由于激光器的光斑和发散角都很小,只有在光纤中心传输的很少几个模式能被激励,每一个模式都携带着很大一部分光功率,光纤中心折射率畸变会对这几个被激励的少数模式的时延特性产生很大的影响,从而造成光纤带宽降低,如图所示。

常用的光纤名词

衰减

光在光纤中传输时的能量损耗

色散

光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽变粗。它是限制传输速率的主要因素。

模间色散:只发生在多模光纤,因为不同模式的光沿着不同的路径传输。

材料色散:不同波长的光行进速度不同。

波导色散:发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时,会以稍有不同的速度行进。

在单模光纤中,通过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要。

散射

由于光线的基本结构不完美,引起的光能量损失,此时光的传输不再具有很好的方向性。

造成光纤衰减的原因

造成光纤衰减的主要因素有:本征,弯曲,挤压,杂质,不均匀和对接等。

本征:是光纤的固有损耗,包括:瑞利散射,固有吸收等。

弯曲:光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉,造成损耗。

挤压:光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。

杂质:光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光,造成的损失。

不均匀:光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。

对接:光纤对接时产生的损耗,如:不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μm),端面与轴心不垂直,端面不平,对接心径不匹配和熔接质量差等。

造成光纤损耗的原因

光纤的吸收损耗

这是由于光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的,它们把光能以热能的形式消耗于光纤中,是光纤损耗中重要的损耗,吸收损耗包括以下几种:

1、物质本征吸收损耗 这是由于物质固有的吸收引起的损耗。它有两个频带,一个在近红外的8~12μm区域里,这个波段的本征吸收是由于振动。另一个物质固有吸收带在紫外波段,吸收很强时,它的尾巴会拖到0.7~1.1μm波段里去。

2、掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗 光纤材料中含有跃迁金属如铁、铜、铬等,它们有各自的吸收峰和吸收带并随它们价态不同而不同。

由跃迁金属离子吸收引起的光纤损耗取决于它们的浓度。另外,OH-存在也产生吸收损耗,OH-的基本吸收极峰在2.7μm附近,吸收带在0.5~1.0μm范围。对于纯石英光纤,杂质引起的损耗影响可以不考虑。

3、原子缺陷吸收损耗 光纤材料由于受热或强烈的辐射,它会受激而产生原子的缺陷,造成对光的吸收,产生损耗,但一般情况下这种影响很小。

光纤的散射损耗

光纤内部的散射,会减小传输的功率,产生损耗。散射中最重要的是瑞利散射,它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。

光纤材料在加热过程中,由于热骚动,使原子得到的压缩性不均匀,使物质的密度不均匀,进而使折射率不均匀。这种不均匀在冷却过程中被固定下来,它的尺寸比光波波长要小。

光在传输时遇到这些比光波波长小,带有随机起伏的不均匀物质时,改变了传输方向,产生散射,引起损耗。另外,光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射,产生损耗。

波导散射损耗

这是由于交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射,实际上它是由表面畸变或粗糙所引起的模式转换或模式耦合。一种模式由于交界面的起伏,会产生其他传输模式和辐射模式。

由于在光纤中传输的各种模式衰减不同,在长距离的模式变换过程中,衰减小的模式变成衰减大的模式,连续的变换和反变换后,虽然各模式的损失会平衡起来,但模式总体产生额外的损耗,即由于模式的转换产生了附加损耗,这种附加的损耗就是波导散射损耗。要降低这种损耗,就要提高光纤制造工艺。对于拉得好或质量高的光纤,基本上可以忽略这种损耗。

光纤弯曲产生的辐射损耗

光纤是柔软的,可以弯曲,可是弯曲到一定程度后,光纤虽然可以导光,但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模,使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉,从而产生损耗。当弯曲半径大于5~10cm时,由弯曲造成的损耗可以忽略。

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