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fanbaoz

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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




光纤和光缆基础知识

一、光纤
1. 光纤结构
光纤(Optical Fiber)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-Index Fiber, 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-Index Fiber, 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-Mode Fiber, 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。
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-Flattened Fiber，DFF)，或把零色散波长移到1.55μm的色散移位光纤(Dispersion-Shifted Fiber，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。

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
表1  Al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±3
125±2
≤3
≤6
≤2
245±10
250±1562.5±3
125±3
≤3
≤6
≤2
245±10
250±1585±3
125±3
≤6
≤6
≤2
245±10
250±15100±5
140±4
≤6
≤6
≤4
250±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
Ala
Alb
Alc
Ald50/125
62.5/125
85/125
100/1250.85,1.30
0.85,1.30
0.85,1.30
0.85,1.30200～1500
300～1000
100～1000
100～5000.20～0.24
0.26～0.29
0.26～0.30
0.26～0.290.8～1.5
0.8～2.0
2.0
3.0～4.0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。

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A2a  A2b  A2cA3a  A3b  A3cA4a  A4b  A4c
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)100/140
200/240
200/280
0.85
≥10
0.23～0.26
≤10
2000200/300
200/380
200/230
0.85
≥5
0.40
≤10
1000980/1000
730/750
480/500
0.65
≥10
0.50
≤40dB/0.1km
100
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4  B1.1类单模光纤的结构尺寸参数
光 纤 类 别B1.1
1310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)±0.7
125±1
≤0.8
≤2
245±10
250±15
≤12.5


表5  B4类单模光纤的结构尺寸参数
光 纤 类 别B4
1550nm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)±0.7
125±1
≤0.8
≤2
245±10
250±15
≤12.5


② 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-T              IEC
              非色散位移单模光纤       G.652：A、B、C     B1.1和B1.3
单模光纤      色散位移单模光纤         G.653              B2
              截止波长位移单模光纤     G.654              B1.2
              非零色散位移单模光纤     G.655：A、B        B4
              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-T G.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
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1550 nm波长区域，它的最佳工作波长在1310 nm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(Cable Television)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7  G.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1310nm
8.6～9.5±0.7λcc≤1270
λc≤1250
λcj≤125013101310或15501310nm＜0.40
1550nm＜0.251310nm:0
1550nm:17
应用
场合最广泛用于数据通信和模拟图像传输媒介，其缺点是工作波长为1550nm时色散系数高达17ps/(nm·km)阻碍了高速率、远距离通信的发展。


b. 低水峰单模光纤
为解决城域网发展面临着业务环境复杂多变、直接支持用户多、传输短（通常仅为50～80km）等问题，人们采取的解决方案是选用数十至上百个复用波长的高密集波分复用技术，即：将不同速率和性质的业务分配到不同的波长，在光路上进行业务量的选路和分插。为此，需要研发出具有更宽的工作波长区的低水峰光纤(ITU-T G.652C) 来满足高密集波分城域网发展的需要。
众所周知，常规单模光纤G.652工作波长区窄的原因是1385nm附近高的水吸收峰。在1385nm附近，常规G.652光纤中只要含有10-9量级个数的OH-离子就会产生几个分贝的衰减，使其在1350～1450nm的频谱区因衰减太高而无法使用。为此，国外著名光纤公司都纷纷致力于研究消除这一高水峰的新工艺技术，从而研发出了工作波长区大大拓宽的低水峰光纤。
现以美国朗讯科技公司1998年研究出的低水峰光纤——全波光纤为例，说明该光纤的性能特点。
全波光纤与常规单模光纤G.652的折射率剖面一样。所不同的是全波光纤的生产中采用一种新的工艺，几乎完全去掉了石英玻璃中的OH-离子，从而消除了由OH-离子引起的附加水峰衰减。这样，光纤即使暴露在氢气环境下也不会形成水峰衰减，具有长期的衰减稳定性。
由于低水峰，光纤的工作窗口开放出第五个低损耗传输窗口，进而带来了诸多的优越性：(1)波段宽。由于降低了水峰使光纤可在1280～1625nm全波段进行传输，即全部可用波段比常规单模光纤G.652增加约一半，同时可复用波长数也大大增多，故IEC又将低水峰光纤命名B1.3光纤，即波长段扩展的非色散位移单模光纤；(2)色散小。在1280～1625nm全波长区，光纤的色散仅为1550nm波长区的一半，这样就易实现高速率、远距离传输。例如，在140nm波长附近，10Gbit/s速率的信号可以传输200km，而无需色散补偿；(3)改进网管。可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输，改进网络管理。例如，在1310nm波长区传输模拟图像业务，在1350～1450nm波长区传输高速数据(10Gbit/s)业务，在1450nm以上波长区传输其他业务；(4)系统成本低。光纤可用波长区拓宽后，允许使用波长间隔宽、波长精度和稳定度要求低的光源、合(分)波器和其他元件，网络中使用有源、无源器件成本降低，进而降低了系统的成本。全波光纤的性能及应用，如表7所列。

表7  全波单模光纤
性能模场直径
(μm)截止波长
(nm)零色散波长
λo(nm)工作波长
(nm)最大衰减系数
(dB/km)
要求值1310nm9.3±0.5
1550nm10.5±1.0λcc≤1270
λc≤1250
λcj≤12501300～13221280～16251310nm:0.35
1385nm:0.31
1550nm:0.21～0.25
应用
场合这种光纤的优点是工作波长范围宽，即1280～1625nm，故其主要用于密集波分复用的城域网的传输系统，它可提供120个或更多的可用信道。


B.    色散位移单模光纤
色散位移单模光纤(ITU-T G.653光纤)于1985年商用。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将最小零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致，并且在掺铒光纤放大器1530～1565nm工作波长区域内。这种光纤非常适合于长距离单信道高速光放大系统，如：可在这种光纤上直接开通20Gbit/s系统，不需要采取任何色散补偿措施。
色散位移光纤的富有生命力的应用场所为单信道数千里的信号传输的海底光纤通信系统。另外，陆地长途干线通信网也已敷设一定数量的色散位移光纤。
虽然，业已证明色散位移光纤特别适用于单信道通信系统，但该光纤在通道进行波分复用信号传输时，存在的严重问题是在1550nm波长区的零色散产生了四波混频非线性效应。据最新研究报导，只要将色散位移单模光纤的工作波长选在大于或小于1550nm的非零色散区，其仍可用作波长复用系统的光传输介质。
色散位移单模光纤的性能及应用场合列于表8。

表8  色散位移单模光纤
性能模场直径
(μm)截止波长
(nm)零色散波长
(nm)工作波长
(nm)最大衰减系数
(dB/km)色散系数
ps/(nm·km)
要求值1310nm:8.3
λcc≤1270
λc≤1250
λcj≤1270155015501550nm≤0.251525～1575nm:3.5
应用
场合这种光纤的优点是在1550nm工作波长衰减系数和色散系数均很小。它最适用于单信道几千公里海底系统和长距离陆地通信干线。


色散位移单模光纤的色散，如图8所示。
图8  色散位移单模光纤的色散

C.    截止波长位移单模光纤
1550nm截止波长位移单模光纤是非色散位移光纤(ITU-T G.654光纤)，其零色散波长在1310nm附近，截止波长移到了较长波长，在1550nm波长区域衰减极小，最佳工作波长范围为1500～1600nm。
获得低衰减光纤的方法是(1)适用纯石英玻璃作为纤芯和掺氟的凹陷包层；(2)以长截止波长来减小光纤对弯曲附加损耗的敏感。
因为这种光纤制造特别困难，最低衰减光纤十分昂贵，且很少使用。它们主要应用在传输距离很长，且不能插入有源器件的无中继海底光纤通信系统。
截止波长位移单模光纤的性能及应用场合，如表9所示。

表9  1550nm截止波长位移单模光纤
性能模场直径
(μm)截止波长
(nm)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1550nm:10.5
λcc≤1530
1350＜λc＜1600131015501550nm≤0.201550nm:20
应用
场合这种光纤的优点是在1550nm工作波长衰减系数极小，其抗弯曲性能好。它主要用于远距离无需插入有源器件的无中继海底光纤通信系统，其缺点是制造困难，价格昂贵。

   
D.    非零色散位移单模光纤
非零色散位移单模光纤是在1994年美国朗讯和康宁专门为新一代带有光纤放大器的波分复用传输系统设计和制造的新型光纤(ITU-T G.655光纤)。这种光纤是在色散位移单模光纤的基础上通过改变折射剖面结构的方法来使得光纤在1550nm波长色散不为零，故其被称为“非零色散位移”单模光纤。
2000年10月ITU-T第15研究组(SG15)通过的G.655光纤的最新标准，将G.655光纤分为两种类型：G.655A和G.655B。G.655A光纤主要适用带光放大器的单信道SDH传输系统；G.655B光纤主要适用密集波分复用传输系统。
G.655光纤的基本设计思想是1550nm波长区域具有合理的低色散，足以支持10Gbit/s的长距离传输而无需色散补偿；同时，其色散值又必须保持非零特性来抑制四波混频和交叉相位调制等非线性效应的影响，以求G.655光纤适宜同时满足开通时分复用和密集波分复用系统的需要。为此，人们先后研发出了第一代非零色散位移单模光纤，又陆续开发出第二代产品如：低色散斜率非零色散位移单模光纤、大有效面积非零色散位移单模光纤和色散平坦型非零色散位移单模光纤。
a.    非零色散位移单模光纤
为使非零色散位移单模光纤在1550nm附近工作波长区呈现出非零色散特性，通过改变光纤折射率剖面形状，即以改变其波导色散的方式来使得零色散点移向短波长侧或长波长侧，进而制得正色散非零色散光纤和负色散非零色散光纤，如图9所示。
图9  三种G.655光纤的色散斜率的比较

在两种零色散点不同偏移方向的G.655光纤中，具有正色散的G.655光纤的主要优点是可以利用色散补偿其一阶和二阶色散。另外，在1550nm附近色散为正，有可能与产生负啁啾的MZ外调制器结合，利用自相位调制技术来扩大色散受限传输距离乃至实现光弧子传输。它的主要缺点是可能产生所谓的调制不稳定性。
具有负色散的G.655光纤的主要优点是不存调制不稳定性问题，眼图清楚，对交叉相位调制的影响不敏感，由此产生的性能劣化较小；缺点是不能利用自相位调制来扩大色散受限传输距离，也不支持光弧子通信。另外，在光纤制造工艺相同和折射率剖面形状类似的条件下，零色散波长较长的光纤要求有较大的波导色散，因而芯包折射率差较大，从而往往使损耗较大而有效面积较小。最后，利用G.652光纤来补偿这类光纤时仅能补偿其一阶色散，但G.652光纤成本较低。具有负色散的G.655光纤中不同厂家的具体设计和参数也不尽相同。原则上，色散系数对值小些有利于10Gbit/s信号传得更远，但四波混频影响大，复用的通路数少于色散系数绝对值较大的光纤，因而不利于密集波分复用系统应用。另外，随着系统应用波长范围向L波段的扩展，由于这类光纤的零色散波长恰好处于1570nm附近，会发生四波混频，因而不利于开拓L波段应用。总的看，随着复用通路数越来越大以及系统应用波长范围向L波段的扩展，这类光纤的弱点越来越显著。
b.    低色散斜率非零色散位移单模光纤
所谓色散斜率指光纤的色散随波长而变化的速率，又称高阶色散。在长途WDM传输系统中，由于色散的积累，各通路的色散都随传输距离的延长而增大。然而，由于色散斜率的作用，各通路的色散积累量是不同的，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，会使具有较大色散积累量的通路的色散值超标，从而限制了整个WDM系统的传输距离。为此，1998年美国朗讯科技公司研发出一种低色散斜率G.655光纤（真波RS光纤）。光纤色散斜率已从0.07ps/(nm2·km)降至0.05ps/(nm2·km)以下。
低色散斜率非零色散位移单模光纤的色散一致性在整个第三和第四波段应用窗口上提供了数值有限的色散，消除了四波混频的非线性效应。这个色散阻止了各信号波长间的相位匹配，因此消除了波长混合干扰，极低的色散值使得高达10Gbit/s的传输速率在无需色散补偿的情况下，在多波长的每一个波长上进行长距离传输。
非色散位移单模光纤是专门为1310nm系统而设计的，可降低损耗，获得最大带宽。当光纤用于高容量放大系统中时，光纤在1550nm波长处的高色散（大约为17ps/(nm·km)）可能会需要增加色散补偿或传输设备的成本。
与非色散位移单模光纤和其它G.655光纤相比，低色散斜率非零色散位移单模光纤的色散补偿成本最低。例如，拥有较大有效面积的非零色散位移单模光纤，其色散随波长的变化比较大，对于长距离的密集波分复用系统来说，这一较大的色散变化率使得复杂的色散补偿方案的使用势在必行，一个波段须划分为若干个子波段，每个子波段用不同的色散补偿量分别进行补偿，而低色散斜率非零色散位移光纤省去了这一复杂的过程，节约了成本。
低色散斜率非零色散位移光纤的纤芯呈特殊的折射率分布，纤芯周围由几层不同折射率的合成石英包层包围，从而在第三和第四应用波段中获得低衰减和非零色散性能。这大大降低了色散补偿的成本，甚至可能无需再进行色散补偿。
c.    大有效面积非零色散位移单模光纤
超高速系统的主要性能限制是色散和非线性效应。通常，线性色散可以用色散补偿的方法来消除，而非线性效应的影响却不能用简单的线形补偿的方法来消除。光纤的有效面积是决定光纤非线性效应的主要因素，尽管降低输入功率或减少系统传输距离和光区段长度也可以减轻光纤非线性效应的影响，但同时也降低了系统的要求和性能价格比。可见光纤的有效面积是长距离密集波分复用系统性能的最终限制。1996年，为了适应超大容量长距离密集波分复用系统的应用，大有效面积非零色散位移单模光纤已经问世。以美国康宁公司的Leaf光纤为例，光纤的截面积采用了分段式的纤芯结构，典型有效面积72μm2以上，零色散点处于1510nm左右，其弯曲性能、模色散和衰减性能均可达到常规G.655光纤的水平。
美国康宁公司的大有效面积非零色散位移单模(Leaf)光纤的优点是低色散、大有效面积、优异的弯曲性能，而且降低了非线性效应。
大有效面积非零色散位移单模光纤提供更大光功率承受能力，改善了光信噪比，延长了光放大器距离，增加了密集波分复用信道数等。大有效面积光纤的关键性能优点是降低了各种非线性效应（如图10所示）。因为非线性效应是当今DWDM系统最大的性能约束条件。
大有效面积非零色散位移单模光纤除了在常规工作带（C带：1530～1565nm）具有小有效面积非零色散位移光纤的工作性能外，这种光纤更适合于用来构筑下一代电信网，即工作波长向长带，即L带：1565～1625nm的迁移。康宁公司通过试验证明，大有效面积的非零色散位移单模光纤比小有效面积非零色散位移单模光纤具有更好的传输性和更低的系统成本。在C带和L带，大有效面积非零色散位移单模光纤通过采用大的光传输有效面积的方法来降低DWDM传输中的非线性效应，例如：四波混频、自相位调制和交叉相位调制，使其更适合于DWDM系统的传输。
正是由于大有效面积非零色散位移单模光纤增大了光传输距离，所以这种光纤系统中只需很少的光放大器和中继器，从而直接降低了网络建设和维护成本。大有效面积常规单模光纤也应与已敷设的光纤和光器件相适应。事实上，特别是当它与常规单模光纤和其他光纤连接时，大有效面积非零色散位移单模光纤的较大的模场直径改善了其接续性能。因此，选用大有效面积非零色散位移单模光纤是最容易和最经济的提高网络传输信息量的方法，表10列出了非零色散位移单模光纤的性能及应用场合。
图10  大有效面积光纤增大了纤芯的导光面积

表10  非零色散位移单模光纤
性能模场直径
(μm)截止波长
(nm)非零色散区
(nm)工作波长
(nm)衰减系数
(dB/km)非零色散区色散系数
ps/(nm·km)
要求值1550nm：
8～11±0.7λcc≤1480
λc≤1470
λcj≤14801530～15651530～15651550nm:0.25
1625nm:0.30
应用
场合这种光纤的优点是在1550nm处有一低的色散，保证抑制FWM等非线性效应，使得其能用在EDFA和波分复用结合的传输速率在10Gbit/s以上的WDM和DWDM的高速传输系统中。


E.    色散平坦单模光纤
1988年，色散平坦光纤商用化。这种光纤在1310nm～1550nm波段范围内都是低色散，且具有两个零色散波长，即1310nm和1550nm这种光纤可用中心波长更宽的激光器和用工作波长在1310nm和1550nm的标准激光器与LED进行高速传输。但是，色散平坦单模光纤折射率剖面结构复杂，制造难度大，尤其是该光纤的衰减大，离实用距离很远。这种光纤的性能和应用场合见表11。





表11  色散平坦单模光纤
性能模场直径
(μm)截止波长
(nm)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1310nm:8
1550nm:11≤1270
1310和15501310～15501310nm:≤0.25
1550nm:≤0.301310nm:0
1550nm:0
应用
场合这种光纤的优点是在1310～1550nm工作波长范围内低色散。


F.    色散补偿单模光纤
随着光纤放大器的应用，衰减对光纤通信系统距离的限制已不成问题，而色散却严重阻碍了常规单模光纤工作波长由1310nm向1550nm的升级扩容。 为解决这一实际问题，人们研制出了色散补偿单模光纤。
色散补偿单模光纤是一种在1550nm波长处有很大的负色散的单模光纤，当前实验色散补偿单模光纤的色散系数为50～-548ps/(nm·km)，衰减一般为0.5～1.0dB/km。
当常规单模光纤系统工作波长由1310nm升级扩容至1550nm波长工作区时，其总色散呈正色散值，通过在该系统中加入一段负色散光纤，即可抵消几十公里常规单模光纤在1550nm处的正色散，从而实现业已安装使用的常规单模光纤工作波长由1310nm升级扩容至1550nm，进而实现高速率、远距离、大容量的传输。至于色散补偿光纤加入给系统带来的衰减完全可由光纤放大器予以补偿。
色散补偿单模光纤的性能及应用场合列入表12。

表12  色散补偿单模光纤
性能模场直径
(μm)截止波长
(nm)零色散波长
(nm)工作波长
(nm)衰减系数
(dB/km)色散系数
ps/(nm·km)
要求值1550nm:6
≤1260
＞155015501550nm:
≤1.001550nm:
-80～-150
应用
场合这种光纤的优点是在1550nm工作波长范围内有很大的负色散，其主要用作G.652光纤工作波长由1310nm扩容升级至1550nm的进行色散补偿。


4. 光纤选型
近年来，我国电信网呈现了飞速发展的态势，电信业务量持续高速增长，电话网和蜂窝移动通信网的规模都居世界第二。到1999年9月底全国电信网规模已超过1.5亿门电话，干线光缆的长度达22万公里，电话普及率达12.6％，因特网用户已超过700万。据初步预测估计，我国干线最大截面容量在未来5～10年可能达到60Gbit/s～1Tbit/s，可见其发展潜力之大。
光纤是电信网基础之基础，在电信网构筑中，我们必须要考虑15～20年寿命期仍能满足传输容量和速率的发展需要。从我国未来发展需要看，我国东部地区的新干线建设将逐渐转向以10Gbit/s速率为基础的WDM系统。在这一速率前提下，采用G.655光纤的系统成本将比采用传统G.652光纤的系统成本大约低50％，因而新敷光纤转向G.655光纤是有远见卓识的决策。另一方面，我国又是一个经济发展高度不平衡的国家，我国西部地区的通信业务需求在很长时间内都难以赶上东部地区，因而采用以2.5Gbit/s速率为基础的WDM系统将足以满足相当长时间的干线业务量需求。在这一速率前提下，采用G.655光纤的必要性和急迫性没有那么强。除非G.655光纤的价格有较大幅度的降低，新敷光纤继续采用G.652光纤是符合中国国情的合理的选择。
至于具体哪一种G.655光纤更适合中国的网络，目前尚无一种肯定答案，唯一可以肯定的是：第二代的G.655光纤产品的低色散斜率非零色散位移和大有效面积非零色散位移光纤在性能上都足以支撑我国未来至少15年的容量和速率的发展需要。
从城域网角度看，为了适应未来多业务多速率的环境需求，扩大可用光谱的范围，新敷光纤逐渐转向价格基本相同，可选用工作波长范围扩大的低水峰光纤（波长扩展的非包散位移单模光纤）。
二、 光缆
对光缆的基本要求是保护光纤的机械强度和传输特性，防止施工过程和使用期间光纤断裂，保持传输特性稳定。为此，必须根据使用环境设计各种结构的光缆，以保证光纤不受应力的作用和有害物质的侵蚀。
1.    光缆基本要求
保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆和应力筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料（例如紫外固化的丙烯酸树脂）进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料（例如高强度聚酰胺塑料）进行二次被覆。
应力筛选条件直接影响光纤的使用寿命。设对光纤进行拉伸应力筛选时，施加的应力为σP，作用时间为tP (设为ls)；长期使用时，容许施加的应力为σr，作用时间为tr，断裂概率为106km一个断裂点。理论推算得到的容许作用时间（光纤使用寿命）tr和应力比σr/σP的关系示于图11。图中n为疲劳因子，其数值随环境条件而变化，例如充气光缆n=20，不充气光缆n=13～20。由图可见，为保证20年的光纤使用寿命，应力比被限制为0.20～0.35。经验确定，陆上光缆敷设后，长期使用应力（用应变表示）σr=0.17％，因此要求筛选应力σP=0.5％～0.9％，海底光缆要求更高，σP＞2％。
图11  光纤使用寿命和应力比的关系

即使进行应力筛选，软塑料一次被覆光纤的机械强度，对于成缆的要求还是不够的。因此要用硬塑料进行二次被覆。二次被覆光纤有紧套、松套、大套管和带状线光纤四种，见图12。
图12  二次被覆光纤（芯线）简图
(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线

把一次被覆光纤装入硬塑料套管内，使光纤与外力隔离是保护光纤的有效方法。在工程应用中，光缆不可避免要遭受一定的拉力而伸长，或者遭遇低温而收缩。因此，松套管内的光纤要留有一定的余长，使光纤受拉力或压力的作用。图13表示松套管光纤无应力“窗口”。
图13  松套管光纤的无应力“窗口”


2.    光缆结构和类型
光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。
    1) 缆芯
缆芯通常包括被覆光纤（或称芯线）和加强件两部分。被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。加强件通常用杨氏模量大的钢丝或非金属材料例如芳纶纤维（Kevlar）做成。
光缆类型多种多样，图14给出若干典型实例。根据缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本型式。
层绞式  把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。这种结构的缆芯制造设备简单，工艺相当成熟，得到广泛应用。采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强度，改善温度特性。
骨架式  把紧套光缆或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。这种结构的缆芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。
中心束管式  把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。这种结构的加强件同时起着护套的部分作用，有利于减轻光缆的重量。
带状式  把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。带状式缆芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这种光缆已广泛应用于接入网。
    2) 护套
护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯（PE或PVC）和铝带或钢带构成。不同使用环境和敷设方式对护套的材料和结构有不同的要求。根据使用条件，光缆又可以分为许多类型。
一般光缆有室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。
特种光缆常见的有：电力网使用的架空地线复合光缆（OPGW），跨越海洋的海底光缆，易燃易爆环境使用的阻燃光缆以及各种不同条件下使用的军用光缆等。



图14  光缆类型的典型实例
(a)6芯紧套层绞式光缆（架空、管道）；  (b)12芯松套层绞式光缆（直埋防蚁）；(c)12芯骨架式光缆（直埋）；               (d)6～48芯束管式光缆（直埋）；
(e)108芯带状光缆；                 (f)LXE束管式光缆（架空、管道、直埋）；(g)浅海光缆；                       (h)架空地线复合光缆（OPGW）

3.    光缆特性
光缆的传输特性取决于被覆光纤。对光缆机械特性和环境特性的要求由使用条件确定。光缆生产出来后，对这些特性的主要项目，例如拉力、压力、扭转、弯曲、冲击、振动和温度等，要根据国家标准的规定做例行试验。成品光缆一般要求给出下述特性，这些特性的参数都可以用经验公式进行分析计算，这里我们只作简要的定性说明。
1) 拉力特性
光缆能承受的最大拉力取决于加强件的材料和横截面积，一般要求大于1km光缆的重量，多数光缆在100～400kg范围。
2) 压力特性
光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧压力在100～400kg/10cm。
3）弯曲特性
弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差△以及光缆的材料和结构。实用光纤最小弯曲半径一般为20～50mm，光缆最小弯曲半径一般为200～500mm，等于或大于光纤最小弯曲半径。在以上条件下，光辐射引起的光纤附加损耗可以忽略，若小于最小弯曲半径，附加损耗则急剧增加。
4）温度特性
光纤本身具有良好的温度特性。光缆温度特性主要取决于光缆材料的选择及结构的设计，采用松套管二次被覆光纤的光缆温度特性较好。温度变化时，光纤损耗增加，主要是由于光缆材料（塑料）的热膨胀系数比光纤材料（石英）大2～3个数量级，在冷缩或热胀过程中，光纤受到应力作用而产生的。在我国，对光缆使用温度的要求，一般在低温地区为-40℃～+40℃，在高温地区为-5℃～+60℃。
4.    光缆型号和应用
1) 型号的组成
① 型号组成的内容
    型号由型式和规格两大部分组成。
② 型号组成的格式
光缆型号组成的格式，如图15所示。

图15  型号组成的格式                图16  光缆型式的构成

2) 型号的组成内容、代号及意义
型式由5个部分构成，各部分均用代号表示，如图16所示。其中结构特征指缆芯结构和光缆派生结构。
①    分类的代号
GY—通信用室（野）外光缆
GM—通信用移动式光缆
GJ—通信用室（局）内光缆
GS—通信用设备内光缆
GH—通信用海底光缆
GT—通信用特殊光缆
②    加强件的代号
加强构件指护套以内或嵌入护套中用于增强光缆抗拉力的构件。
（无符号）—金属加强构件
F—非金属加强构件
③    缆芯和光缆的派生结构特征的代号
光缆结构特征应表示出缆芯的主要类型和光缆的派生结构。当光缆型式有几个结构特征需要注明时，可用组合代号表示，其组合代号按下列相应的各代号自上而下的顺序排列。
D—光纤带结构
（无符号）—光纤松套被覆结构
J—光纤紧套被覆结构
（无符号）—层绞结构
G—骨架槽结构
X—缆中心管（被覆）结构
T—油膏填充式结构
（无符号）—干式阻水结构
R—充气式结构
C—自承式结构
B—扁平形状
E—椭圆形状
Z—阻燃
④    护套的代号
Y—聚乙烯护套
V—聚氯乙烯护套
U—聚氨酯护套
A—铝-聚乙烯粘结护套（简称A护套）
S—钢-聚乙烯粘结护套（简称S护套）
W—夹带平行钢丝的钢-聚乙烯粘结护套（简称W护套）
L—铝护套
G—钢护套
Q—铅护套
⑤    外护层的代号
当有外护层时，它可包括垫层、铠装层和外被层的某些部分和全部，其代号用两组数字表示（垫层不需表示），第一组表示铠装层，它可以是一位或两位数字，见表13；第二组表示外被层或外套，它应是一位数字，见表14。
表13  铠装层
代号铠 装 层
0无铠装层
2绕包双钢带
3单细圆钢丝
33双细圆钢丝
4单粗圆钢丝
44双粗圆钢丝
5皱纹钢带


表14  外被层或外套
代号外被层或外套
1纤维外被
2聚氯乙烯套
3聚乙烯套
4聚乙烯套加覆尼龙套
5聚乙烯保护管


3) 规格
光缆的规格是由光纤和导电芯线的有关规格组成。
①    规格组成的格式，见图17。
光纤的规格与导电芯线的规格之间用“+”号隔开。
图17  光缆规格的构成

②    光纤规格的构成
光纤的规格由光纤数和光纤类别组成。如果同一根光缆中含有两种或两种以上规格（光纤数和类别）的光纤时，中间应用“+”号联接。
a. 光纤数的代号
    光纤数的代号用光缆中同类别光纤的实际有效数目的数字表示。
b.    光纤类别的代号
光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，按IEC60793-2(1998)《光纤第2部分：产品规范》等标准规定用大写A表示多模光纤，大写B表示单模光纤，再以数字和小写字母表示不同种类型光纤。A—多模光纤，见表15，B—单模光纤，见表16。
表15  多模光纤
分类代号特  性纤芯直径
(μm)包层直径
(μm)材  料
Ala渐变折射率50125二氧化硅
Alb渐变折射率62.5125二氧化硅
Alc渐变折射率85125二氧化硅
Ald渐变折射率100140二氧化硅
A2a突变折射率100140二氧化硅


表16  单模光纤
分类代号名  称材  料
B1.1非色散位移型二氧化硅
B1.2截止波长位移型
B2色散位移型
B4非零色散位移型

注：“B1.1”可简化为“B1”。

③    导电芯线的规格
导电芯线规格的构成应符合有关通信行业标准中铜芯线规格构成的规定。
例如：2×1×0.9，表示2根线径为0.9mm的铜导线单线。
例如：3×2×0.5，表示3根线径为0.5mm的铜导线线对。
例如：4×2.6/9.5，表示4根内导体直径为2.6mm、外导体内径为9.5mm的同轴对。
4) 实例
例1：金属加强构件、松套层绞、填充式、铝-聚乙烯粘结护套、皱纹钢带铠装、聚乙烯护层的通信用室外光缆，包含12根50/125μm二氧化硅系列渐变型多模光纤和5根用于远供电及监测的铜线径为0.9mm的4线组，光缆的型号应表示为：GYTA53 12Ala+4×0.9。
例2：金属加强构件、光纤带、松套层绞、填充式、铝-聚乙烯粘护套通信用室外光缆，包含24根“非零色散位移型”类单模光纤，光缆的型号应表示为GYDTA24B4。
例3：非金属加强构件、光纤带、扁平型、无卤阻燃聚乙烯烃护层通信用室内光缆，包含12根常规或“非色散位移型”类单模光纤，光缆的型号应表示为：GJDBZY12B1。
5) 光缆主要型式
尽管光缆的分类方法很多，并且各有各自的道理。为了规范光缆制造厂家产品类型和便于广大用户选用，信息产业部制定了通信行业标准YD/T908-2000《光缆型号命名方法》。
本书按YD/T908-2000规定的光缆型号命名方法，将国内光缆线路工程中一些常用的光缆类型、敷设方法和用途列入表17，供广大读者试验和选用光缆时参考。

表17  一些常用光缆主要型式及用途
习惯叫法主要型式全    称敷设方式及用途
中
心
管
式
光
缆GYXTY室外通信用、金属加强构件、中心管、全填充、夹带加强件聚乙烯护套光缆架空、农话
GYXTS室外通信用、金属加强构件、中心管、全填充、钢-聚乙烯粘结护套光缆架空、农话
GYXTW室外通信用、金属加强构件、中心管、全填充、夹带平行钢丝的钢-聚乙烯粘结护套光缆架空、管道、农话
层

绞

式

光

缆GYTA室外通信用、金属加强构件、松套层绞、全填充、铝-聚乙烯粘结护套光缆架空、管道
GYTS室外通信用、金属加强构件、松套层绞、全填充、钢-聚乙烯粘结护套光缆架空、管道、
也可直埋
GYTA53室外通信用、金属加强构件、松套层绞、全填充、铝-聚乙烯粘结护套、皱纹钢带铠装聚乙烯外护层光缆直埋
GYTY53室外通信用、金属加强构件、松套层绞、全填充、聚乙烯护套、皱纹钢带铠装聚乙烯外护层光缆直埋
GYTA33室外通信用、金属加强构件、松套层绞、全填充、铝-聚乙烯粘结护套、单细钢丝铠装聚乙烯外护层光缆爬坡直埋

层
绞
式
光
缆GYTY53+33室外通信用、金属加强构件、松套层绞、全填充、聚乙烯护套、皱纹钢铠装聚乙烯套＋单细钢丝铠装聚乙烯外护层光缆直埋、水底

GYTY53+333室外通信用、金属加强构件、松套层绞、全填充、聚乙烯护套、皱纹钢带铠装聚乙烯套＋双细钢丝铠装聚乙烯外护层光缆直埋、水底


续表
习惯叫法主要型式全    称敷设方式及用途
光
纤
带
光
缆GYDXTW室外通信用、金属加强构件、光纤带中心管、全填充、夹带平行钢丝的钢-聚乙烯粘结护层光缆架空、管道、
接入网
GYDTY室外通信用、金属加强构件、光纤带、松套层绞、全填充聚乙烯护层光缆架空、管道、
接入网
GYDTY53室外通信用、金属加强构件、光纤带松套层绞、全填充、聚乙烯护套、皱纹钢带铠装聚乙烯外护层光缆直埋、接入网
GYDGTZY室外通信用、非金属加强构件、光纤带、骨架、全填充、钢-阻燃聚烯烃粘结护层光缆架空、管道、
接入网
非
金
属
光
缆GYFTY室外通信用、非金属加强构件、松套层绞、全填充、聚乙烯护层光缆架空、
高压电感应区域
GYFTY05室外通信用、非金属加强件、松套层绞、全填充、聚乙烯护套、无铠装、聚乙烯保护层光缆架空、槽道、
高压感应区域
GYFTY03室外通信用、非金属加强构件、松套层绞、全填充、无铠装、聚乙烯套光缆架空、槽道、
高压感应区域
GYFTCY室外通信用、非金属加强件、松套层绞、全填充、自承式聚乙烯护层光缆自承悬挂于高压电塔上
电力光缆GYTC8Y室外通信用、金属加强构件、松套层绞、全填充、聚乙烯套8字形自承式光缆自承悬挂于杆塔上
阻燃光缆GYTZS室外通信用、金属加强构件、松套层绞、全填充、钢-阻燃聚烯烃粘结护层光缆架空、管道、
无卤阻燃场合
防
蚁
光
缆GYTA04室外通信用、金属加强构件、松套层绞、全填充、聚乙烯护套、无铠装、聚乙烯护套加尼龙外护层光缆管道、防蚁场合
GYTY54室外通信用、金属加强构件、松套层绞、全填充、聚乙烯护套、皱纹钢带铠装、聚乙烯套加尼龙外护层光缆直埋、防蚁场合
室
内
光
缆GJFJV室外通信用、非金属加强件、紧套光纤、聚氯乙烯护层光缆室内尾纤或跳线
GJFJZY室外通信用、非金属加强件、紧套光纤、阻燃、聚烯烃护层光缆室内布线或尾缆
GJFDBZY室外通信用、非金属加强件、光纤带、扁平型、阻燃聚烯烃护层光缆室内尾缆或跳线

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billyexpert

透镜的矩阵推导公式是从入射角度和高度入手的。推导从入射光到出射光的角度和高度变化矩阵就行，这方面好象很多书上都有介绍，比如说《高等光学》《高功率激光传输与变换》等都有相关内容介绍。