常用單模光纖的特性和應(yīng)用演示教學(xué)

1、常用單模光纖的特性和應(yīng)用一、前言光纖是光信號的物理傳輸媒質(zhì)，其特性直接影響光纖傳輸系統(tǒng)的帶寬和傳輸距離，目前已開發(fā)出不同特性的光纖以適應(yīng)不同的應(yīng)用，常用的光纖種類有常規(guī)單模光纖G.652色散位移光纖G.653、截止波長位移單模光纖 G.654、非零色散位移光纖G.655和適用于寬帶傳送的 非零色散位移光纖G.656,前三種光纖的低損耗區(qū)都在1550nm波長附近，G.656光纖將非零 色散位移光纖使用的波長范圍延伸到了 14601625nm波段。我國光纖標(biāo)準(zhǔn)等同采用了IEC(國際電工委員會)的分類編號方法，但人們有時也按ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部)建議的編號稱呼相應(yīng)的光纖，例如G. 6

2、52光纖、G. 655光纖。玻璃 芯/玻璃包層單模光纖的分類如表1所示。目前在全球通信網(wǎng)絡(luò)中最常用的單 模光纖是:G.652,G.655和G.656光纖。表1.單模光纖的分類IEC分類編號光纖名稱ITU-T建議編號B1.1非色散位移單模光纖G.652A,BB1.2截止波長位移單模光纖G.654Bl.3波長擴(kuò)展的非色散位移單模光纖G.652CB2色散位移單模光纖G.653B4非零色散位移單模光纖G.655二、各種光纖的應(yīng)用特性2.1、G.652單模光纖特性與應(yīng)用ITU-TG.652新建議將G.652光纖分為A,B,C三個子類，如表1所示，A,B子類和C子類 光纖分別與B1.1類和B1.3類光纖相

3、對應(yīng)。A子類光纖適用于最高可達(dá) STM-16(2. 5 Gb/s) 傳輸系統(tǒng)。B子類光纖適用于最高可達(dá) STM-64 (10 Gb/s)傳輸系統(tǒng)，對于1550 nm波長區(qū)域 的高速率傳輸通常需要波長色散調(diào)節(jié)。C子類光纖適用于最高可達(dá)STM-64(10Gb/s)傳輸系統(tǒng)， 對于1550 nm波長區(qū)域的高速率傳輸通常也需波長色散調(diào)節(jié)。該子類光纖的主要特點(diǎn)是可將 ITU-TG .95 7建議的SDH專輸擴(kuò)展到1360-1530 nm波段，在此波段內(nèi)，波長色散會對最大 線路長度有所限制或需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。表2 G.652單模光纖特性項(xiàng)目特性要求A子類B子類C子類模場直徑 1310nm(8 .6 - 9.

4、5)士 0 .7 卩 m包層直徑125士 1叩同心度偏差< 0.8 ym包層不圓度毛< 2.0%光纜截止波長< 1260 ym宏彎損耗 1550nm< 0.50 dB(37.5 mm 半徑 100 圈)16xx (l)nm< 0. 50 dB篩選應(yīng)力> 0.69 GPa色散零色散波長入01300 nmq< 1324 nm特性零色散斜率So< 0.093p s/nm 2 ?未成纜光纖偏振模色散系數(shù)一< xx ps/(km)光纜衰減系數(shù)1310 nm< 0.5 dB/km< 0.4 d B/kmyyyy nm一xx dB/km155

5、0 nm< 0.4 dB/km< 0.35dB/km16xx(l) nm< 0.40 dB/km光纜偏振模色散系數(shù)M20個光纜段Q一0.01%PMD一< 0.5 ps/(Km) 1/2 上限波長尚未完全確定，且 xx < 25 nm。 如果對一種特定結(jié)構(gòu)的光纜已經(jīng)過驗(yàn)證.制造廠家可以在滿足光纜 PMD基本要求的情況 下，對未成纜光纖選擇規(guī)定最大的偏振模色散系數(shù)。 對于波長丫丫丫丫由買賣雙方協(xié)商，建議為 1383nmcyyyy < 1480nm 如果規(guī)定是水峰 波長(1383nm)，則在擴(kuò)展波段中大于和小于 yyyy的波長均可使用；如果規(guī)定值大于水峰 波長，則

6、在擴(kuò)展波段中只有大于 yyyy的波長可以使用。 取樣光纖在室溫和0.01大氣壓的氫氣中暴露4天，取出再等待14天，這樣老化后，在 yyyy nm測量的衰減平均值應(yīng)不大于在1310 nm規(guī)定的衰減值。2.2、G.653單模光纖特性與應(yīng)用滿足ITU-T.G.653要求的單模光纖，常稱色散位移光纖(DSP Dispersion ShifledFiber ),其零色散波長移位到損耗極低的155Onm處。這種光纖主要用于海底光纜系統(tǒng)，它把 單一波長傳送幾千公里，也有些國家一度廣泛用于陸地干線中，特別在日本被推廣使用，我 國京九干線上也有所采納。美國 AT&T早期發(fā)現(xiàn)DSF的嚴(yán)重不足，在1550n

7、m附近低色散區(qū)存 在有害的四波混頻等光纖非線性效應(yīng)，阻礙光纖放大器在1550nm窗口的應(yīng)用。2.3、G.655單模光纖特性與應(yīng)用ITU- TG.655新建議將G.655光纖分為A,B兩個子類。兩個子類光纖均是非零色散位移 單模光纖。由于其具有少量色散，抑制了對密集波分復(fù)用系統(tǒng)極為不利的四波混合增長和非 線性效應(yīng)。該光纖的最佳使用波長為1530-1565 nm,某些場合也可擴(kuò)展到更高的波長，直至16xx nm(xx < 25 nm)。A類光纖適用于G.691具有光放大器的單通道 SDH系統(tǒng)和G.692具有 光放大器的多通道系統(tǒng)，但有以下限制：(1) 中等注一入功率(-5d Bm);(2)

8、通路間隔妻200G Hz;(3) 除非PMDS行規(guī)定，會對10G b/s系統(tǒng)傳輸長度有所限制。B類光纖也適用G.691具有光放大器的單通道 SDH系統(tǒng)和G.692具有光放大器的多通道 系統(tǒng)，但有以下擴(kuò)展：(1) 更高的注入功率；(2) 通路間隔簇100G Hz;(3 )對400k m長的10G b/s系統(tǒng)，沒有PMD可題。表4 G.655單模光纖特性項(xiàng)目特性要求A子類B子類模場直徑 1310nm(8 - 11)士 0 .7 卩 m包層直徑125士 1叩同心度偏差< 0.8 ym包層不圓度毛< 2.0%光纜截止波長< 1480 ym宏彎損耗 1550nm< 0.50 dB

9、(37.5 mm 半徑 100 圈)16xx nm< 0. 50 dB篩選應(yīng)力< 0.69 GPa波長色散系數(shù)C波段 入max和入min1530 nm和 1565 nm> 0.1 ps/nm km> 6.0 ps/nm kmDnin< 6.0 ps/nm km < 10.0 ps/nm km未成纜光纖偏振模色散系數(shù)1/2< xx ps/(km)光纜衰減系數(shù)1550 nm< 0.35dB/km16xx nm< 0.40 dB/km光纜偏振模色散系數(shù)M20個光纜段0.01%1/2PMD> 0.5 ps/(Km)ITU-T G.655建議對

10、A和B子類單模光纖的特性要求如表 4所示。表4中可以看出： (1)A , B 兩子類光纖對色散的規(guī)定有所不同，B子類還對上下波長邊界的色散差(Dmax一 CU)進(jìn)行了限制，使色散斜率較小，有利于密集波分復(fù)用 (DWDM的應(yīng)用。(2)B子類單模光纖還可擴(kuò)展應(yīng)用于 L波段，對其色散系數(shù)提出了要求(特定)，對16 xxnm的光纜衰減系數(shù)也作了規(guī)定。(3) B子類單模光纖對光纜偏振模色散系數(shù)提出了具體規(guī)定。表5三種光纖的主要技術(shù)參數(shù)光纖種類G.652光纖G.653光纖G.655光纖大有效面積光纖模場直徑(標(biāo)稱值)8.6- 9.5 ym 變化不超過土 10%7-8.3 ym 變化不超過土 10%8-11

11、 ym變化 不超過土 10%9.5 ym變化 不超過土 10%模場同心度偏差< 1 ym< 1 ym< 1 ym< 1 ym2m長光纖 截止波長入C<1250nm-<1470nm-22m長光纜截止波長入CC<1260nm<1270nm<1480nm-零色散波長1300-1324nm1500-1600nm-零色散斜率< 0.093ps nm(的平方)km< 0.085ps nm(的平方)km-< 0.1ps / nm(的平方)km最大色散系數(shù)< 20ps/ nm km (1525-1575nm)< 3.5ps /

12、nm km (1525-1575nm)0.1-6.0ps /nm- km (1530-1565nm)1-6.0ps /nm km (1530-1565nm)包層直徑125± 2ym125± 2ym125± 2ym125± 2ym典型衰減系數(shù)(1550nm0.17-0.25dB /km0.19-0.25dB / km0.19-0.25dB / km0.19-0.25dB /km1550nm的宏彎損耗< 1dB< 0.5dB< 0.5dB< 0.5dB適用工作窗口1310 nm和 1550nm1550nm1550nm1550nm三、光

13、纖衰減和色散對傳輸系統(tǒng)中繼距離的影響。3.1 G.652 光纖衰減和色散對傳輸系統(tǒng)中繼距離的影響在 1550nm 處，常規(guī)的 G.652 光纖具有最低損耗特性。再配合使用光纖放大器，可以在G.652光纖上開通 8X2.5Gbit /s或16甚至32x2.5Gbit /s系統(tǒng)。但由于 G.652光纖在 155Onm處的色散值較大，受其影響，當(dāng)單一波道上的傳輸速率提高到10Gbit /s時，傳輸距離就會大大縮短。因此，高速率的傳輸系統(tǒng)要求采取色散補(bǔ)償?shù)姆绞浇档虶.652光纖在155Onm處的色散系數(shù)，例如在G.652光纖線路中加入一段色散補(bǔ)償模塊。但由于采用色散補(bǔ)償模塊，會引入較高的插入損耗，系統(tǒng)

14、必須使用光纖放大器，造成系統(tǒng)建設(shè)成本的提高。因此在骨干 傳輸網(wǎng)上，利用G.652光纖開通高速、超高速系統(tǒng)不是今后的發(fā)展方向。在2003年1月修改G.652光纖標(biāo)準(zhǔn)時，希望全面提高 G.652光纖的特性，至少都要支持10Gbit/s的長途應(yīng)用， 對G.652B要求支持40Gbit/s的長途應(yīng)用，所以開始提出G.652B的PMD應(yīng)小于0.10ps/ （km） 1/2。后來基于考慮40Gbit/s的應(yīng)用主要從城域網(wǎng)開始，10Gbit/s系統(tǒng)的傳送在3000km左右 已經(jīng)可以覆蓋大部分應(yīng)用情況，所以放寬到0.20 ps/ （ km）1/2。經(jīng)過調(diào)整過的各類 G.652光纖的特性為：G.652A支持10

15、Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)400km 10Gbit/s以太網(wǎng)的傳輸達(dá)40km, 支持40Gbit/s系統(tǒng)的距離為2km對于G.652B型光纖，必須支持10Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離可 達(dá)3000km以上，40Gbit/s系統(tǒng)的傳輸距離為 80km3.2 G.653 光纖衰減和色散對傳輸系統(tǒng)中繼距離的影響將G.652光纖的零色散波長從1310nm移至1550nm處，便成為了 G.653,色散位移光纖。 在 G.653 光纖上，使用光纖放大器技術(shù)，可將高功率光信號在單波道上傳輸?shù)酶h(yuǎn)，是極好 的單波道傳輸媒介，可以毫無困難地開通長距離高速系統(tǒng)。但是對于DWD復(fù)用系統(tǒng)，這種光纖不是合適的媒介。 G.

16、653 光纖在工作區(qū)內(nèi)的零色散點(diǎn)是導(dǎo)致光纖非線性四波混合效應(yīng)的源 泉。一般來講，四波混合的效率取決于通路間隔和光纖的色散。通路間隔越窄，光纖色散越 小，不同光波間相位匹配就越好，四波混合的效率也就越高，而且一旦四波混合現(xiàn)象產(chǎn)生， 就無法用任何均衡技術(shù)來消除。但是，若有意識地在生產(chǎn)光纖時使其具有一定的色散，比如， 大于0.1ps /nm- km,則可有效地抑制四波混合現(xiàn)象。為此，一種專門為高速超大容量波分 復(fù)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新型光纖誕生了，這就是G.655,非零色散位移光纖。3.3 G.655 光纖衰減和色散對傳輸系統(tǒng)中繼距離的影響G.655光纖的零色散點(diǎn)不在1550nm附近，而是向長波長或短波長方

17、向位移，使得1550nm 附近呈現(xiàn)一定大小的色散（ITUT規(guī)范為0.1-6ps /nmkm）。這樣，可大大減輕四波混合的 影響，有利于密集波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸。但同時，也要控制 1550nm附近的色散值不能太大，以保證速率超過10Gbit /s的信號可以不受色散限制地傳輸 300km以上。按照光纖在1550nm 處的色散系數(shù)的正負(fù)，G.655型光纖又分為兩類：正色散系數(shù)G.655型光纖和負(fù)色散系數(shù)G.655 型光纖。典型的G.655光纖在1550nm波長區(qū)的色散值為G.652光纖的1/41/6，因此色散 補(bǔ)償距離也大致為G.652光纖的46倍，色散補(bǔ)償成本（包括光放大器、色散補(bǔ)償器和安裝 調(diào)試）

18、遠(yuǎn)低于G.652光纖。另外，由于G.655光纖采用了新的光纖拉制工藝，具有較小的極化 模色散，單根光纖的極化模色散一般不超過 0.05ps/km1/2 。即便按 0.1ps/km1/2 考慮，這也 可以完成至少400km長的40Gbit/s信號的傳輸。根據(jù)零色散點(diǎn)出現(xiàn)的位置的不同，G.655光纖在1530nm- 1565nm的工作區(qū)內(nèi)所呈現(xiàn)的色散值也不同。零色散點(diǎn)在1530nm以下時，在工作區(qū)內(nèi)色散值為正值，這種正色散G.655光纖適合陸地傳輸系統(tǒng)使用；零色散點(diǎn)在1565nm以 上時，在工作區(qū)內(nèi)色散值為負(fù)值，這種負(fù)色散G.655光纖適合海底傳輸系統(tǒng)使用。四、消除光纖衰減和色散影響的措施光纖的光

19、傳輸性能包括 : 衰減系數(shù)、色散系數(shù)、色散斜率、偏振模色散、非線性效應(yīng)和工 作波長范圍等?，F(xiàn)在人們十分清楚，不同層次的網(wǎng)絡(luò)需要不同傳輸性能的光纖。4.1 基于G.652光纖G.652光纖在我國已大量敷設(shè)，G.652光纖進(jìn)行擴(kuò)容主要有兩種方法，即波分復(fù)用（WDM 方式和時分復(fù)用（TDM方式。利用WD技術(shù)在G.652光纖上實(shí)現(xiàn)超高速傳輸是我們的重要選 擇，而且這種 方案越 來越受到人們 的青睞。WDM克服了色 散對高速系統(tǒng)的限 制，以 2.5Gbit/s x N系統(tǒng)為例，雖然在整個線路上傳輸?shù)乃俾适?0Gbit/s或20Gbit/s，但每個波長承載的業(yè)務(wù)只有 2.5 Gbit/s ，這樣就大大減輕

20、了對系統(tǒng)色散參數(shù)的要求。采用馬赫一曾德爾外調(diào)制時，色散受限距離可達(dá)1000KM因而我們可以在不采取色散調(diào)節(jié)措施的情況下，在常規(guī) G.652光纖上開通超高速系統(tǒng)。除 WDM技術(shù)外，TDM的 10 Gbit/s 系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了商用化。在 Gbit/s 光纖上，即使采用外調(diào)制技術(shù)， 10 Gbit/s 系統(tǒng)的色散受限 距離也只有50K毗右，因而必須采取色散調(diào)節(jié)措施。雖然目前色散調(diào)節(jié)的方法很多，可真正 能夠?qū)嵱没闹挥猩⒀a(bǔ)償光纖法（DCF。這種方法將使系統(tǒng)對色散的限制完全消除，只要 在長途傳輸線路中間斷地插入色散補(bǔ)償光纖，系統(tǒng)就可以采用TDM技術(shù)方便地?cái)U(kuò)容到10Gbit/s、20 Gbit/s甚至40

21、Gbit/s。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是 DCF帶來了較大的插入損耗，需要采 用光放大器EDFA予以補(bǔ)償，整個系統(tǒng)會引入較多的 EDFA成本較高，另外DCF本身的價格 也比較貴。到現(xiàn)在為止，對于 G.652光纜，幾乎所有的大公司都選擇 NX 2.5 Gbit/s WDM作為發(fā)展 策略，在不使用色散補(bǔ)償手段的情況下方便地進(jìn)行擴(kuò)容。這也可為未來的全光網(wǎng)的發(fā)展積累 技術(shù)，但也有公司認(rèn)為2.5 Gbit/s作為基準(zhǔn)速率低了一些，應(yīng)先采用 TDM勺10Gbit/s系統(tǒng)， 然后再發(fā)展更高速率的 WD系統(tǒng)。但是當(dāng)前TDM方式費(fèi)用較大，必須進(jìn)行色散補(bǔ)償，而且以 后系統(tǒng)再擴(kuò)容也必須采用WDM方式。4.2 基于 G.653

22、 光纖較 G.652 光纖而言，在 G.653 光纖上運(yùn)行 10 Gbit/s 及其以上速率系統(tǒng)要簡單些，因?yàn)?55Onm窗口是零色散窗口，這就完全消除了色散限制。在G.653光纖上進(jìn)行擴(kuò)容時，開始無一例外地要采用TDM方式。如果只考慮TDM方式擴(kuò)容，G.653光纖無疑是最好的選擇，特別 是和外調(diào)制器及EDFA相結(jié)合，可以達(dá)到超長距離的全光傳輸。現(xiàn)在G.653光纖面臨的一個挑 戰(zhàn)是開WD系統(tǒng)的問題，難以開通多路 WDM系統(tǒng)。當(dāng)光纖中有多個波長的信號傳播，且信號 的強(qiáng)度達(dá)到一定程度時，會發(fā)生嚴(yán)重的四波混頻現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的串?dāng)_。當(dāng)然采用不等間隔 波長安排時，也不排除開通 8 波長以上的波分復(fù)用系統(tǒng)

23、，但需要十分精細(xì)的設(shè)計(jì)，而且占用 了本來就不富裕的EDFA的放大帶寬。G.653 光纖只是單波長系統(tǒng)的最佳選擇，單通道可以直接開通 TDM 1O Gbit/s 甚至 2O Gbit/s系統(tǒng)，但是G.653光纖限制了未來波分復(fù)用的應(yīng)用。從發(fā)展趨勢上看，WD技術(shù)在傳輸網(wǎng)上的應(yīng)用是必然的，現(xiàn)在的問題是以哪個速率為基準(zhǔn)速率。在許多國家的網(wǎng)上，已不鼓 勵使用G.653光纖。我國也基本上不會再在網(wǎng)上使用這種光纖。4.3基于G.655光纖在G.655光纖上運(yùn)行10 Gbit/s或更高速系統(tǒng)比較容易。由于這類光纖既解決了光纖的 線性色散受限問題，又解決了光纖的非線性問題。因此既可以單波長采用TDM方式直接開通

24、10 Gbit/s 甚至20Gbit/s系統(tǒng)，又可以采用 WD方式以2.5Gbit/s x N( N= 4，8，16) 或 10 Gbit/s x N( N= 4，8)開通高速系統(tǒng)，滿足了 TDM和WD兩種發(fā)展方向的要求。以Luce nt的真波光纖為例：在15401565 Nm區(qū)間，光纖色散系 數(shù)在1.04.0 ps/(nm.km)，這個值已足以消除四波混頻的相位匹配效應(yīng)，從而基本避免了 非線性影響；而低色散系數(shù)又不至于對系統(tǒng)造成色散受限。 它既可以開通高速率的 10 Gbit/s 、 20Gbit/s的TDM系統(tǒng)，又可以采用WD方式進(jìn)行擴(kuò)容?，F(xiàn)在出現(xiàn)的 G.655 光纖主要有兩種，最先出現(xiàn)的

25、是 Lucent 公司的真波光纖( True Wave Fiber )，它的零色散點(diǎn)在1530Nm以下的短波長區(qū)，在15491561 Nm這個最常用的EDFA增 益平坦區(qū)，色散系數(shù)為 2.03.0 ps/(nm.km) ，這個值已足以消除四波混頻的相位匹配效應(yīng)， 從而基本避免了非線性影響；而低色散系數(shù)又不至對系統(tǒng)造成色散受限。據(jù)Luce nt提供的資料：即使單波長傳輸10 Gbit/s的TDM系統(tǒng)，其色散受限距離仍可達(dá)300km左右。在Luce nt 的應(yīng)用中，使用的是色散“正區(qū)”，在這一區(qū)域，自相位調(diào)制效應(yīng)(SPM可以壓縮脈沖寬 度，從而有利于減輕色散的壓力。但是它會帶來調(diào)制不穩(wěn)定性(Ml ModulationInstability)， MI 效應(yīng)隨光功率的提高和系統(tǒng)距離的延長而增長。關(guān)于MI 效應(yīng)有不同的看法：一種認(rèn)為可以用濾波器濾出產(chǎn)生的干擾信號，另一種則認(rèn)為它是不可克服的缺陷。但是 到現(xiàn)在為止，有關(guān)真波光纖陸地 WDM系統(tǒng)的應(yīng)用似乎并沒出現(xiàn)很大的問題。幾乎與Luce nt公司同時，康寧公司也推出了自己的非零色散光纖SMR LS,與真波光纖不同的是：它的零色散點(diǎn)處于長波長區(qū) 1570 Nm附近，而在15301565 nm光放大器能放大 的頻譜區(qū)域，光纖的色散值都為負(fù)值，系統(tǒng)工作于色散“負(fù)區(qū)”，其中值得我們