光纤的类型和应用(节选)教学文稿

1、光纤的类型和应用（节选）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。 内结构则主要是指光纤的组份和折射率及其分布状况。2.1.1纤芯纤芯位于光纤的中心部位（直径d 1 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（n 2 ）即二氧化硅的折射率。在纤芯与包层的界面可以有一层

2、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、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硅橡胶、 尼龙或它们的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，在预涂覆材料中直接加入染料的，称为为 5 10 微米。预涂覆层外用合适的着色剂染上各种颜色。 也有“锁色涂层 ”，这种光纤不需再着色。着色层厚度通常（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、

3、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）光纤的模场直径/ 包层直径。以微米（m）为单位表示多模光纤的芯径/ 包层直径或单模（ 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

4、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 0.85 m区域；“ 2” ： 使用波长在 1.31 m区域；“ 3” ： 使用波长在 1.55 m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，长的规格代号，并用“/”划开。并具有不同传输性能时，应同时列出各使用波（ 5）适用温度代号及其意义A ： 适用于 -40 +4

5、0 ；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 50 m ，包层 125 m（ 1）：工作波长0.85 m（ .20 ）： 衰减常数 2.0dB/km（ 08 ）： 带宽 800MHz.kmC：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9 m ，包层 m 125（ 2.）：工作波长1.31 m（ .08 ）：衰减系数0.8 dB/kmC：环境温度-

6、20-+602.5 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OESCLU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）1260-13601360-14601460-15301530-15651565-16251625-1675按照 ITU-TG.655 和 G.65

7、6关于光纤的建议，目前可以将光纤分为六个大类，有的大类还派生出了几个子类。G.651、 G.652、 G.653、G.654、IEC国际电工委员会（规定。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2.5.1G.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2.5.2 。处色散值2.5.1 和图图 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

8、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 m外径 m数值孔径A1a501250.200A1b62.51250.275A1c851250.275A1d1001400.316（略）2.5.2G.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.

9、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（及以上的 DWDM 系统长途传输。18ps/km.nm），很难进行以10Gbit/sITU类。 ITU又进一步把与IEC和G.652 类光纤细分为GB/T 分类对应关系见表G.652A 、 G.652B2.5.6 。、 G.652C和G.652D四个子表 2.5.6 ：ITU G.652 类与 IEC 和 GB/T 对应关系ITU-T 分类对应 IEC

10、和 GB/TG.652AB1.1G.652BB1.1G.652CB1.3G.652DB1.1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0.500.200.10传输速率Gbit/s最高 2.51010 （以太网）4010401040传输距离Km4004023000804000400（ 1） G.652A 光纤在 ITU

11、-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

12、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

13、） G.652C 光纤G.652C 又称为低水峰光纤或城域网专用光纤，它消除了收的损耗峰 （俗称水峰） ，使损耗谱平坦， 相当于增加了1385nm 附近 125 个信道间隔为OH 根离子吸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.65

14、2C 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

15、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。当速率达上时， PMD 将成为限止系统性能的因素之一。10G

16、b/s及以2.5.3G.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的长距离、高速率的单通道系统。但是，恰恰是1550nm线性效应，使波分复用很困难。20Gb/s 系统，非常

17、适合于点对点处的零色散造成了四波混频等非2.5.4G.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， 与艺上采取了一些技术措施后，把截止波长移到靠近因此它在1310nm处是多模状态。G.653 类似，在光纤剖面结构和制造工1550nm （工作波长）的1530nm处，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

18、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。2.5.6G.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

19、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

20、.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 ITUG.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 N10Gbit/s 系绕传输 3000km

21、以上或 N40Gbit/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（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。2003版）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1

22、310波长的相关指标。和1550nm两个波长， 更不可用验收1310nm波长的指标去推断1550nmG.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

23、 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

24、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。2.5.9G.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

25、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

26、 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

27、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个子类，

28、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三用于 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

29、（ 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.652AG.652BG 652C G.652DG.653G.654G.655AG.655BG.655CG.656模波长 nm13101550场标称值 m8.6 9.57.88.59.510.58.6 9.5711直径公差 m0.70.80.7光缆截止波长 nm 1260 1270 1530 14500 minnm1300152515301460色nm13241575155015651565度0max色S0maxps/n km0.093 0.085 0.07散D minps/nm.km 3.50.11.02

30、.0系数D max ps/nm.km183.5206.010.014.01310nm 05. 0.4- 0.55-衰1310 1625nm- 0.4 0.4-减13833nm- 1310处最大值-系数1460nm 0.4dB/km1550nm 0.4 0.35 0.30 0.30 0.35 0.22 0.351625 nm- 0.4- 0.4光纤段数 M20PMD概率 Q%0.01系数PMD Q ps/(km)1/2 0.5 0.2 0.50.2 0.5 0.2光缆按布置环境分室外，室内，及野战应用。 12 芯是指在一条光缆内包含有十二条光纤，若按颜色顺序可分蓝，橙，绿，棕，灰，白，红，黑，黄

31、，紫，粉红，天蓝。按纤芯外涂层可分 125 微米与 900 微米。按模数可分单模与多模， 单模 9 微米纤芯，多用与电信业的长距离，大容量，高速率的数据信号传输。多模又可分 50 微米与 62.5 微米，通常用于 1KM 以下短距离的视频信号和电脑组网，自动化控制。一、光缆的制造：光缆的制造过程一般分以下几个过程：1.光纤的筛选：选择传输特性优良和张力合格的光纤。2.光纤的染色：应用标准的全色谱来标识，要求高温不退色不迁移。3.二次挤塑：选用高弹性模量，低线胀系数的塑料挤塑成一定尺寸的管子，将光纤纳入并填入防潮防水的凝胶，最后存放几天（不少于两天）。4.光缆绞合：将数根挤塑好的光纤与加强单元绞

32、合在一起。5.挤光缆外护套：在绞合的光缆外加一层护套。二、光缆的种类：1.按敷设方式分有：自承重架空光缆，管道光缆，铠装地埋光缆和海底光缆。2.按光缆结构分有：束管式光缆，层绞式光缆，紧抱式光缆，带式光缆，非金属光缆和可分支光缆。3.按用途分有：长途通讯用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。三、光缆的施工：多年来，做光缆施工使得我们已有了一套成熟的方法和经验。光缆的户外施工：较长距离的光缆敷设最重要的是选择一条合适的路径。 这里不一定最短的路径就是最好的，还要注意土地的使用权，架设的或地埋的可能性等。必须要有很完备的设计和施工图纸， 以便施工和今后检查方便可靠。 施工中要时时注意不要使光缆受到重压或被坚硬的物体扎伤。光缆转弯时，其转弯半径要大于光缆自身直径的20 倍。1. 户外架空光缆施工：A. 吊线托挂架空方式，这种方式简单便宜，我国应用最广泛，