光纤的分类和分析比较

1、光纤的分类和分析比较摘要 自 20 世纪70 年代以来，每隔几年光纤通信技术就上升到一个新的台 阶。光纤传输容量几乎每年翻一番，由最初的第一代用作城市局间中继的光纤通 信系统，发展到了以DWDM与掺铒光纤放大器结合的第四代光纤通信系统和以光 弧子为信息载体的第五代光纤通信系统，传输速率已经由当初的每对光纤数十 Mb/s 发展到当今的 10Tb/s 以上。仅仅 30 多年时间，其发展速度已大大超过了 人们的预料。光纤通信的众多优点，为通信领域的发展带来了蓬勃生机。(1)下面 先简单介绍一下各种分类标准，并结合介绍比较总结出各种光纤的优缺点，给读 者在光纤布线材料的选择上做以参考。关键词 光纤；分

2、类；性能比较0、综述虽然说在中小型局域网中，光纤用得不多，甚至根本不用，但在大中型局域 网和广域网连接中，光纤则是一种非常重要，甚至主要的传输媒体。它的优越性 主要体现在不易受干扰、传输速率高和传输距离远，这些都是我们在进行网络通 信中所追求的重要特性。光纤与同轴电缆的结构非常相似，只不过光纤电缆没有 那一层密织的网用来屏蔽，因为光纤本身就具有非常高的屏蔽性能，无须另外的 屏蔽层。光纤的分类标准非常之多，主要可以从工作波长、折射率分布、传输模 式、原材料和制造方法等方面来进行分类。1、按传输模式来划分根据光纤中传输模式的多少，可分为”单模光纤”和”多模光纤”两类。单 模光纤只传输一种模式，纤芯

3、直径较细，通常在8卩m10卩m范围内。而多模 光纤可传输多种模式，纤芯直径较粗，典型尺寸为50卩m左右，相当于一根头 发丝那么精细。(3)单模光纤(Single-Mode Fiber，SMF)单模光纤只传输主模，也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输。单模光纤携带单个频率的光将数据从光缆的一端传输到另一端，如图 2图 1 单 / 双模光纤的信号传输单模光纤直径较细，约为10 M m。单模光纤使用的光波长为1.31 p m或1.55 M m。目前在有线电视和光通信中，单模光纤是应用最广的一种光纤。由于单模光纤完全避免了模式射散，使得单模光纤的传输频带很宽，因而适 用于大容量，长距离的光纤通信。单模光

4、纤只能传输一种模式的光，因此 其模 间色散很小，适用于远程通信，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 1.31 M m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1.31 M m波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗 特性来看，1.31 M m处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31 M m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。1.31 M m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

5、光纤又被称为G652光纤。单模光纤没有多模色散，传输频带较多模光纤更宽，再加上单模光纤的材料 色散和结构色散的相加抵消，其合成特性恰好形成零色散的特性，使传输频带更 加拓宽。(2)多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)多模光纤可以在单根或多根光纤上同时携带几种光波，如图 1 中的右图所 示。多模光纤纤芯直径较粗，通常为50或62.5 M m。由于其模间色散较大，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， 600 Mbps/km 的光纤在2 km时则只有300 Mbps的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较 近，一般只有几千米。单模光纤在过去曾用于有线电视和通

6、信系统的短距离传输。不过自从出现多 模光纤后，似乎成为了历史。但实际上，由于多模光纤较单模光纤的芯径大，且 与LED等光源结合容易，在众多LAN中更有优势，所以在短距离通信领域中多模 光纤在重新受到重视。多模按折射率分布进行分类时，可分为渐变(GI)型和阶跃(SI)型两种。 渐变型的折射率以纤芯中心为最高，沿包层徐徐降低。从几何光学角度来看，在 纤芯中前进的光束以蛇行状传播。由于光的各个路径所需时间大致相同，所以传 输容量较阶跃型大。(2)2按纤芯直径来划分 如果按光芯直径大小来分的话，可以分为以下类型。缓变型多模光纤：50/125 p m。缓变增强型多模光纤：62.5/125 p m。突变型

7、单模光纤： 8.3/125 p m。50/62.5/8.3 (p m)均是指光纤纤芯直径大小，125 (p m)均是指光纤玻璃 包层的直径大小。因为光纤的包层直径均为125 pm,所以以上3种类型的光纤就可标识为：50 pm /125 pm (光纤直径/包层直径)缓变型多模光纤、62.5 pm/125 pm缓变增 强型多模光纤和8.3 pm/125 pm突变型单模光纤。在综合布线系统中较为常用的 是62.5 pm/125 pm缓变增强型多模光纤，其他两种光纤应根据工程的实际需要 选用。(3)3按光纤芯折射率分布划分阶跃光纤 所谓阶跃光纤是指：在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分

8、 别为 n1 与 n2 ，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化 是阶跃的，如图 2 所示。阶跃光纤是早期光纤的结构方式，后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤所取代(因 渐变光纤能大大降低多模光纤所特有的模式色散)，但用它来解释光波在光纤中 的传播还是比较形象的。而现在当单模光纤逐渐取代多模光纤成为当前光纤的主流产品时，阶跃光纤结构 又作为单模光纤的结构形式之一。11_2 I_ ral事2图 2 阶跃光纤的折射率分布（2）渐变型光纤 所谓渐变光纤是指：光纤轴心处的折射率最大（ n1 ），而沿剖面径向的增加而 逐渐变小，其变化律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层 的分界处，正好降 到与包层区域的折射率

9、 n2 相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的 即为 n2 。如图 3 所示。4按光纤的组成材料划分按光纤的组成材料可分为：石英玻璃光纤（主要材料为SiO2）、复合光纤（主要材料为SiO2、Na2O和CaO等氧化物）、硅酸盐光纤、氟化物光纤、塑包 光纤、全塑光纤、液芯光纤、测光光纤、尾光光纤和工业光纤等。光通信中主要 用石英光纤，以后所说的光纤也主要是指石英光纤。（1）石英光纤石英光纤是一种以高折射率的纯石英玻璃（SiO2）材料为芯，以低折射率的 有机或无机材料为包皮的光学纤维。由于石英光纤传输波长范围宽（从近 紫外 到近红外，波长从0.38 p m 2.0p m）,所以石英光纤适用于

10、紫外到红外各波 长信号及能量的传输。另外，石英光纤数值孔径大、光纤芯径大、机械强度高、 弯曲性能好和很容易与光源耦 合等优点，故在传感、光谱分析、过程控制及激 光传输、激光医疗、测量技术、刑侦，信息传输和照明等领域的应用极为广泛。 尤其是在工业和医学等领域的激光传 输中得到了广泛的应用，这是其他种类的 光纤无法比拟的。（ 2）复合光纤复合光纤（Compound Fiber）是在SiO2原料中再适当混合诸如氧化钠（Na2O）、 氧化硼（B2O3）、氧化钾（K2O）等氧化物的多成分玻璃作成的光纤。其特点是 多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用在医疗业务 的光纤内窥镜。（ 3

11、）氯化物光纤氯化物光纤（Fluoride Fiber）是由氟化物玻璃作成的光纤。这种光纤原料 又简称ZBLAN （即将氟化锆（ZrF4）、氰化钡（BaF2）、氟化镧（LaF3）、氟化 铝（A1F2）、氰化钠（NaF）等氯化物玻璃原料简化成的缩语）。它主要工作在 2pm10pm波长的光传输业务。由于 ZBLAN 具有超低损耗光纤的可能性，正在进行着用于长距离通信光纤的 可行性开发，如其理论上的最低损耗在3pm波长时可达3dB/km10dB/km，而石 英光纤在 1.55pm 时却在 0.15dB/km0.16dB/km 之间。目前， ZBLAN 光纤由于难于降低散射损耗，只能用在 2.4pm2.

12、7pm 的温敏 器和热图像传输，尚未广泛实用。不过最近，为了利用 ZBLAN 进行长距离传输， 正在研制1.3pm的掺错光纤放大器（PDFA）。（ 4）塑包光纤塑包光纤（Plastic Clad Fiber）是将高纯度的石英玻璃做成纤芯，而将折 射率比石英稍低的如硅胶等塑料作为包层的阶跃型光纤。它与石英光纤相比较， 具有纤芯租、数值孔径（NA）高的特点。因此，易与发光二极管LED光源结合， 损耗也较小，非常适用于局域网（LAN）和近距离通信。（ 5）全塑光纤全塑光纤是将纤芯和包层都用塑料（聚合物）制作成的光纤。早期产品主要 用于装饰和导光照明及近距离光链路的光通信中。原料主要是有机玻璃（PMM

13、A）、 聚苯乙稀（PS）和聚碳酸酯（PC）。损耗受到塑料固有的CH结合结构制约， 一般每千米可达几十分贝。为了降低损耗正 在开发应用氟索系列塑料。由于塑 料光纤（Plastic Optical Fiber）的纤芯直径为1 000 pm，比单模石英光纤粗 100倍，接续简单，而且易于弯曲，便于施工，近年来，加上宽带化的进度，作 为渐变型（GI）折射率的多模塑料光纤的发展受到了社 会的重视。最近，它在 汽车内部LAN中应用速度较快，未来在家庭LAN中也可能得到应用。（ 6 ）碳涂层光纤在石英光纤的表面涂敷碳膜的光纤，被称为碳涂层光纤（CCF，Carbon Coated Fiber）。其机理是利用碳

14、素的致密膜层，使光纤表面与外界隔离，以改善光纤 的机械疲劳损耗和氢分子的损耗增加。CCF是密封涂层光纤（HCF）的一种。（ 7）金属涂层光纤金属涂层光纤（Metal Coated Fiber）是在光纤的表面涂布Ni、Cu、A1等 金属层的光纤。也有再在金属层外被覆塑料的，目的在于提高抗热性和可供通电 及焊接。它是抗恶环境性光纤 之一，也可作为电子电路的部件用。早期产品是 在拉丝过程中，涂布熔解的金属制作成的。由于此法因玻璃与金属的膨胀系数差 异太大，会增微小弯曲损耗，实用化 率不高。近期，由于在玻璃光纤的表面采 用低损耗的非电解镀膜法的成功，使性能大有改善。（ 8）掺稀土光纤掺稀土光纤是在光纤

15、的纤芯中，掺杂如铒（Er）、钕（Nd）、错（Pr）等稀 土族元素的光纤。1985年英国的南安普顿（Southampton）大学的佩恩（Payne） 等人首先发现掺杂稀土元素的光纤（Rare Ear th DoPed Fiber）有激光振荡和光 放大的现象，从此揭开了掺铒等光放大的面纱。现在已经实用的1.55 pmEDFA就 是利用掺铒的单模光纤，利用1.47 pm的激光进行激励，得到1.55 pm光信号放 大的。另外，掺杂氟化物光纤放大器（PDFA ）正在开发中。(9)发光光纤发光光纤是采用含有荧光的物质制造的光纤。它是在受到辐射线、紫外线等 光波照射时，产生的荧光，可经光纤闭合进行传输的光纤

16、。发光光纤(Luminescent Fiber)可以用于检测辐射线和紫外线，以及进行波长变换，或 用做温度敏感器、化学敏感器。在辐射线的检测中也称做闪光光纤(ScintillationFiber)。 发光光纤从荧光材料和掺杂的角度上，目前正在开 发塑料光纤。(5)5、性能比较和选择( 1 )根据性能需求比较多模光纤的芯较粗，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。因此，多模光纤攒书的距 离比较近，一般只有几公里。单模光纤中心玻璃芯较细，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，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的

17、谱宽和 稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。( 2 )根据性价比比较光纤的工作波长有短波850nm、长波1310nm和1550nm。光纤损耗一般是 随波长增加而减小，850nm的损耗一般为2.5dB/km,1.31卩m的损耗一般为 0.35dB/km，1.55m的损耗一般为0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长 1.65p m以上的损耗趋向加大。1310nm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，1310nm正好是光纤的一个低损耗窗口。因此 这种光纤又称 G652 光纤。 G.652.D 是单模光纤的最新指标，是所有 G.652 级别 中指标最严

18、格的，并且完全向下兼容。如果仅指明G.652，一般意味着G.652.A 的性能规范，这一点应特别注意。(6)美国康普SYSTIMAX Solutions在光纤布线 领域拥有丰富的经验，经过多年的研究实验， SYSTIMAX 实验室对完整的光纤系 统成本进行分析，并得出这样的结论：优化多模光纤上850nm的应用使用户收益 最多，其次是单模光纤上1300nm的应用。(7)根据使用环境比较传输距离在2km以内的，可选择多模光纤，超过2km可用中继或选用单模光 纤。建筑物内用的光纤在选用时应注意其阻燃、毒和烟的特性。一般在管道中或 强制通风处可选用阻燃但有烟的类型；如果是暴露的环境中，则应选用阻燃、无 毒和无烟的类型。户外用光缆直埋时，宜选用铠装光缆。架空时，可选用带两根 或多根加强筋的黑色塑料外护套的光纤。(8)结论光纤的正确选用对光纤通信