第四章光纤与光缆.docx

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第四章光纤与光缆

第4章光纤和光缆

4.1单模光纤的发展

在过去20年里，光纤技术也经历了几个发展阶段，从最开始的多模光纤，到现在广泛应用的单模常规G.652光纤，曾在国外风靡一时且大量应用的G.653光纤，近几年正在兴起的非零色散位移G.655光纤，1997年，康宁又率先推出了新的克服光纤非线性的大有效面积非零色散位移LEAFTM光纤，光纤工艺和技术在不断地提高。

本章将介绍WDM中光纤技术、光缆技术。

一、光纤的基本类型

从80年代末，光纤通信逐步从短波长向长波长、从多模光纤向单模光纤转移。

目前，在国家光缆干线网和省内干线网上大量使用的是单模光纤，多模光纤只是局限在一些速率不高的局域网中使用。

目前人们谈论的光纤一般指的都是单模光纤，单模光纤具有损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，而被广泛使用。

常见如表4.1所示。

表4.1光纤的基本种类

G.652光纤

（SMF）

零色散波长在1.3m窗口的单模光纤，俗称标准单模光纤。

G.653光纤

（DSF）

零色散波长在1.55m窗口的单模光纤。

称为色散位移单模光纤。

G.654光纤

零色散波长仍在1.310m窗口的单模光纤,而1.550m窗口的衰耗减少至最低的单模光纤。

称为最低衰耗单模光纤。

G.655光纤（NZDSF）

在1550nm窗口给定波长区间内色散不为零的色散位移单模光纤。

称为非零色散位移光纤。

G.651多模光纤

芯径、外径为50/125的梯度折射率多模光纤

数据光纤

芯径外径为62.5/125的多模光纤

特种光纤

结构特殊或有特殊用途的光纤（如塑料光纤、氟化物光纤）

其它类型光纤

用于光纤放大器用的掺铒光纤（EDF），色散补偿用的色散补偿光纤DCF

在传输光纤中，除已经基本停止生产的G.654单模光纤光纤外，目前商用化的用于光纤传输用主要有三种：

G.652光纤、G.653光纤、以及G.655光纤，G.655光纤的出现是为了解决在G.653光纤中无法开波分复用系统的问题。

下面我们将分别介绍这几种光纤。

二、几种单模光纤

1.G.652光纤

G.652光纤即常规单模光纤，又称色散未移位光纤，是80年代初期就已成熟并已实用化了的一种光纤。

它设计简单、生产工艺成熟、成本低，是目前使用最广泛的一种光纤。

除极少量早期使用的多模光纤外，我国长途干线网几乎百分之百地采用了这种光纤。

G.652是1310nm波长性能最佳的单模光纤，它同时具有1550nm和1310nm两个窗口。

零色散点位于1310nm窗口，而最小衰减窗口位于1550nm窗口。

多数国际商用光纤在这两个窗口的典型数值为：

1310nm窗口的衰减为0.3～0.4dB/km，色散系数为0～3.5ps/（nm·km）；1550nm窗口的衰减为0.19～0.25dB/km，色散系数为15～20ps/（nm·km）。

过去我们在G.652光纤上开通的PDH系统（以140Mbit/s为主，现在依然正常运行），利用的都是1310nm零色散窗口。

而近几年新上的SDH系统，无论是STM－4的622Mbit/s或STM－16的2.5Gbit/s系统，都开始转向1550nm最小衰减窗口，从发展来看，由于1550nm窗口掺铒光纤放大器（EDFA）的实用化，未来的高速SDH光纤线路系统将会工作在1550nm窗口，如何解决1550nm窗口色散受限是将来使用G.652光纤的主要问题。

G.652具有低损耗、大色散分布、大有效面积、色散受限距离短。

一般来说，在G.652光纤上2.5Gb/s系统色散受限距离约300km，而10Gb/s系统色散受限距离约20km左右。

大多数已安装的光纤，已经成功地应用于30/40信道的DWDM系统，实用的光纤跨距段达到120公里，更长距离传输中的色度色散是一个值得考虑的问题。

所以在G.652光纤上不适合由于高速的WDM系统。

对原有的G.652线路的WDM改造和升级可采用G.652+色散补偿光纤（DCF）方案升级扩容，但成本较高。

2.G.653光纤

G.653光纤即色散位移光纤，又称1550nm窗口最佳光纤。

它通过设计光纤折射率剖面，改变光纤的波导色散，使零色散点移到1550nm窗口，从而与光纤的最小衰减窗口获得匹配，使1550nm窗口同时具有最小色散和最小衰减，它在1550nm窗口的典型参数为：

衰减系数为0.19～0.25dB/km，零色散点处于1525～1575nm波长区，且在此区间色散系数小于3.5ps/（nm.km）。

这种光纤在1550nm窗口具有的良好特性使之成为单波长、大容量、超长距离传输的最佳选择。

G.653光纤在国外已有了一定范围的应用，其中日本大量敷设这种光纤，我国在已敷设的京—九—广光缆干线的48芯中采用了6芯G.653光纤。

在G.653光纤上，可以很方便地扩容到10Gbit/s甚至20Gbit/s系统，与EDFA相结合时可以做到长距离地全光无光电转换传输，制造工艺也已比较成熟，是单波道传输的极好媒介。

随着波分复用研究的深入，发现色散位移光纤有一致命弱点，即工作区内的零色散点是导致非线性四波混频效应的源泉。

因此色散位移光纤在密集波分复用系统中应用较少。

G.653光纤具有低损耗、零色散、小有效面积它适合长距离、单信道超高速EDFA系统，适合光孤子通信。

零色散的特点使其具有较严重的四波混频（FWM）效应，小有效面积使其非线性效应（SPM效应）显著，不利于采用DWDM技术。

当然可以采用有限的信道数或不相等的信道间隔来实现其WDM传输。

这种光纤的敷设量较小，在我国建设WDM系统时可以不予考虑。

当然也不适用于新建大容量光缆干线。

3.G.655光纤

G.655即非零色散光纤，也叫无零色散光纤，是一种新型光纤。

WDM系统中，一般是利用光纤放大器尽可能增加输出功率，以延长传输中继距离。

大的光功率注入，会产生非线性效应。

特别是四波混频，严重地影响WDM系统的性能。

当光纤色散为零时，光波相互作用的相位相同，四波混频现象最严重。

四波混频产生的新信号的波长常常与传输波长相同，这就干扰了这一波长信号，降低了系统性能，并限制了WDM系统的传输容量。

为了解决G.653光纤中严重的四波混频效应，对G.653光纤的零色散点进行了移动，稍高的色散有利于增加波分复用的波道数量，进行密集波分复用。

但为了保证超高速传输，色散要控制在一个较低的范围内，要使10Gb/s信号单信道无再生中继传输300km不受色散限制，一般来说，在1530nm～1560nm范围内，色散为1～4ps/（nm·km），避开了零色散区，维持了一个起码的色散值。

从而可以比较方便地开通多波长WDM系统。

非零色散位移光纤也是一种色散位移光纤，只不过它的零色散波长移到了光纤放大器的工作波段之外，在1530nm～1565nm工作波段内没有零色散点，如图4.1所示。

非零色散光纤的零色散点可以位于低于1550nm的短波长区（相对而言），也可位于高于1550nm的长波长区。

这两种情况都能满足光纤对色散值的要求。

G.655光纤除了对零色散点进行了搬移外，其他各项参数与G.653都相同。

在1550nm窗口，具有最小衰减系数和色散系数。

虽然它的色散系数值稍大于G.653光纤，但相对于G.652光纤，已大大缓解了色散受限距离。

这种光纤现在的价格还比较贵，大约是普通G.652光纤的1.5～2倍，成缆后仍然是常规光缆的1.2～1.4倍，但随着G.655光纤更大规模地应用，以及国产G.655光纤的商用化，估计其价格也会随之降低。

图4.1几种光纤的色散要求

非零色散位移光纤的零色散点可在1530nm以内，也可在1565nm以外，分别对应工作区内为正色散（+NZDSF）或负色散（-NZDSF）。

这两种NZDSF各有不同的特点，亦用于不同的场合。

据Lucent提供的资料：

即使单波长传输10Gbit/s的TDM系统，其色散受限距离仍可达300km左右。

在Lucent的应用中，使用的是色散“正区”，在这一区域，自相位调制效应（SPM）可以压缩脉冲宽度，从而有利于减轻色散的压力。

但是它会带来调制不稳定性（MI—ModulationInstability），MI效应随光功率的提高和系统距离的延长而增长。

关于MI效应有不同的看法：

一种认为可以用滤波器滤出产生的干扰信号，另一种则认为它是不可克服的缺陷。

但是到现在为止，正色散非零色散位移光纤的陆地WDM系统的应用似乎并没出现很大的问题。

所以一般来说，+NZDSF适用于陆上长途通信系统，-NZDSF适用于超长距离的海缆系统。

目前有几种G.655光纤类型的光纤可以使用如TruewaveTM、LSTM、LEAFTM、大保实光纤等。

G.655光纤适用于新建大容量WDM光缆干线。

三、其它几种光纤

✓色散补偿光纤

现在大量敷设和实用的仍然是G.652光纤。

随着通信容量的扩大，G.652光纤组成的传输系统也不断扩容。

如果N×2.5Gb/sWDM系统还不能满足容量的需要，就要增加单波道的容量，采用N×10Gb/s系统。

这种情况下，损耗可用光纤放大器来补偿，但是1550nm区的较大色散却限制了速率的提高。

为此要对G.652光纤的1550nm窗口进行色散补偿，克服色散限制。

图4.2四波混频效应的实验频谱图

色散补偿的方法有很多，利用色散补偿光纤（DCF）是一种较好方案。

色散补偿光纤在1550nm区有很大的负色散。

在原来G.652光纤线路中加入一段色散补偿光纤，用色散补偿光纤的长度来控制补偿量的大小，用于抵消原来G.652光纤在1550nm处的正色散，使整个线路在1550nm处的总色散为零，这样既可满足单信道超高速传输，又可传输密集波分复用信号。

一般来说，25mDCF就可补偿1kmG.652光纤的色散。

当采用非零色散位移光纤进行长距离密集波分复用传输时，如单信道速率为10Gb/s，距离超过300km而不设再生中继站的情况下，由于非零色散位移光纤的色散积累，可能限制系统的性能。

这时也应该采用对待G.652光纤的类似方法，适当进行色散补偿。

✓低偏振模色散光纤

在光纤中的基模场是由两个正交的偏振模组成。

在这两个偏振模之间存在相对延迟就产生偏振模色散（PMD）。

这种相对的时延有内在的，即纤芯的椭圆度和掺杂浓度的不均匀造成的，也有外部的，即光纤受到外来的应力。

一般来情况说，这两个正交模之间存在一定藕合。

这种藕合也可以是内在的，即光纤内部的耦合点，也可以是外来的，即由于光纤的弯曲、扭转或挤压造成的。

所以PMD一般是随机的，它与光纤的平方根成正比。

在低速（<2.5Gbit/s）、短距离（<100Km）的光纤通信系统中一般可以忽略。

在出现OFA，解决了光纤衰耗，采用DCF等色度色散管理技术而减小色散下光纤通信系统的传输距离和工作速度得到提高，使得光纤的PMD变得不能忽视尤其是80年代中后期铺设的光纤。

✓保偏光纤

保偏光纤是具有保持偏振态能力的光纤。

它可分为两类：

高双折射光纤和单偏振单模光纤。

（1）高双折射光纤

在制造光纤时，有意引进高双折射率，使两正交的线偏振基模的相位常数x和y有很大的差别。

在这种情况下，由于相位常数的不匹配，两正交线偏振基模之间的耦合很弱、从而使光纤具有很强的保偏能力。

图4.3几种典型的高双折射光纤的折射指数分布

图4.3是几种典型的高双折射光纤的折射指数分布剖面图，它们顺次是：

椭圆包层光纤，熊猫光纤和蝶结光纤。

这几种光纤都是靠各向异性的应力产生双折射的。

图4.3（a）所示为椭圆包层光纤，纤芯掺锗，包层掺硼。

由于掺杂不同，使芯于和包层有不同的热膨胀系数。

在光纤拉制时，光纤材料从熔融温度Tg入降到室温Ta。

在这一过程中，由于纤芯和包层收缩不同而产生内应力。

又由于椭圆包层这一几何形状的不对称因素，所产生的内应力是各向异性的，因而通过光弹效应引起双折射。

（2）单偏振单模光纤

在单偏振单模光纤中只有一个线偏振模传输，另一个截止或损耗很大。

在圆对称的光纤中，基模LP01（或HE11）是无截止现象的，而在特殊结构的光纤中，基模也有截止波长，且LP01x和Lp01y模的截止波长不同。

图4.4给出了这类光纤的两个正交偏振模的—V曲线。

其LP01x，Lp01y的归一化截止频率分别为Vcx和Vcy，二者之差为

Vc=Vcx-Vcy

图4.4单偏振单模光纤的—V曲线

如果V值取在这个范围之内，则只有一个线偏振模传输，从而成为真正的单偏振单模光纤。

关于单偏振单模光纤中LP01模的截止，可做如下解释。

设在光纤芯层周围有一折射指数低于包层的“谷”，如图4.4所示。

它有一定的深度和宽度。

如折射指数满足下列关系

则说明中间的平均折射指数小于包层折射指数n2，于是LP01模截止。

折射指数谷不是轴对称的，则对LP01x和LP01y的平均折射指数不同，因而两模式的归一化截止频率不同，VcxVcy，在Vcx和Vcy之间即单模工作区域。

单偏振单模光纤的典型示例是鞍槽形光纤和鞍通道光纤。

这两种光纤都靠指数的非对称性来得到所需的特性。

由于结构上的不对称，LP01y模的截止波长比LP01x模的长，因而Vcx>Vcy。

保证单偏振工作的相对带宽定义为

四、不同光纤在各种条件下的应用

WDM技术的发展，对光纤也有一些不同的要求。

光纤放大器可以补偿光纤的线路损耗。

对于长距离密集波分复用系统来说，主要考虑的是色散和非线性效应限制。

色散位移光纤对单信道超高速传输是很理想的，但如用来传输密集波分复用信号，则由于工作区内的零色散点，而产生非线性的四波混频效应，影响了系统性能。

因此，色散位移光纤不适用于长距离超大容量密集波分复用信号传输，现在的长途干线一般也不敷设这种光纤。

非零色散位移光纤在整个光纤放大器的工作范围内色散极小，又可避免四波混频，既可工作在单信道10Gb/s系统，又可用N×10Gb/s波分复用升级，实现多信道超高速传输，是当前最理想的长距离超高速信号的传输媒界。

新建国家干线和越洋海底干线应采用非零色散位移光纤。

G.652常规单模光纤工艺成熟，价格低廉，仍然适用于中短距离通信，仍然是用量最大的光纤。

常规单模光纤传输N×2.5Gb/s信号，当前实用系统的最高速率可达80Gb/s，完全可满足一般省内干线和本地网的需要。

常规单模光纤用于接入网，近期可用1310nm和1550nm实现光纤到路边或光纤到家庭，将来可用波分复用无源光纤网（WDM-PON）实现超宽带信号直接到用户家庭。

对于已敷设常规单模光纤线路的扩容，可直接用N×2.5Gb/s波分复用系统，将容量扩大到20～80Gb/s，满足近期的需要。

如要进一步扩容，也可继续利用已敷设光纤，用色散补偿光纤来补偿常规光纤在1550nm区的较大色散，用光纤放大器补偿线路的损耗，实现N×10Gb/s的升级。

利用密集波分复用技术对已建线路进行改造，是一种节省投资、见效快的好方案。

对于城域网一类的支持大量终端用户，要处理上百个波长信号的通信系统来说，全波光纤有独特的优点。

但是在半导体光放大器普遍商用之前，尚无合适的光放大器对全波光纤的所有信道都放大，因此传输距离仅限制在数十公里。

另外全波光纤的1550nm窗口色散较大，单波道速率也不能太高。

对单信道达到10Gb/s及其以上速率系的WDM系统，应考虑使用保偏光纤或低偏振模色散光纤。

4.2光纤的主要参数

一、光纤的主要参数

1.模场直径

单模光纤中只传输基模LP01模，所谓模场就是指基模场强随空间的分布。

单模光纤的基模场强分布不局限于纤芯中，而有相当部分的能量在包层中传输。

此外，单模光纤的纤芯直径为8~9m，与工作波长1.3~1.6m处于同一量级，由于光的衍射效应，不易测出纤芯直径的精确值。

因而单模光纤纤芯直径的概念已不再适用，而应用模场直径的概念来代替。

模场直径是表示基模场强空间强度分布集中程度的度量。

G.652光纤在1310nm波长区的模场直径标称值应在9~9.5m范围，偏差小于10%；G.653光纤在1550nm波长区的模场直径标称值应在7.0~8.3nm范围，偏差小于10%。

2.模场同心度误差

模场同心度误差指光纤模场中心与包层中心之间的距离。

该参数对光纤的接头损耗有很大影响，在工艺上应严格控制。

两种单模光纤的模场同心度误差不应大于1m，一般应小于0.5m。

3.弯曲损耗

G.652光纤在1550nm波长区的弯曲损耗应不大于1dB，G.653光纤在1550nm波长区的弯曲损耗应不大于0.5dB。

用户网应用环境下的光纤损耗要求应比上述数值严格，具体数值待定。

4.衰减

长度为L的光纤在波长处的衰减A（）定义为

A（）＝10lg[P1（）/P2（）]（dB）

式中P1（）和P2（）为光纤入端口和出端口的光功率。

对于均匀的光纤，单位长度的衰减，即衰减系数（）与长度无关，可以表示为

（）=A（）/L（dB/km）

单模光纤在1310nm和1550nm波长区的衰减系数应分别小于0.5dB/km和0.3dB/km。

5.色度色散

色度色散是指光源光谱中不同波长在光纤中的群延时差所引起的光脉冲展宽现象。

单模光纤只传输一个模式，无模间色散，其色散主要由材料色散、波导色散和剖面色散组成。

1）色度色散系数D（）

D（）指单位光源谱宽和单位长度光纤的色度色散，单位为ps/（nm·km）。

2）零色散波长0

当波导色散与材料色散在某个波长互相抵消，使总的色度色散为零时，该波长即为零色散波长。

3）零色散斜率S0

在零色散波长0处色散系数随波长变化曲线的斜率即为S0，单位为ps/（nm2·km）。

G.652光纤的零色散波长范围为1300~1324nm，最大零色散斜率为0.093ps/（nm2·km），在1288~1339nm范围的最大色散系数应不大于3.5ps/（nm·km）；G.653光纤的零色散波长范围为1500~1600nm，最大零色散斜率为0.085ps/（nm2·km），在1525~1575nm范围的最大色散系数应不大于3.5ps/（nm·km）。

G.655光纤的零色散波长范围不在1530~1565nm范围，在1530~1565nm范围内最大色散系数0.1～6ps/（nm·km），最大零色散斜率为≤0.092ps/（nm2·km）。

6.截止波长

光纤的有效截止波长（常简称截止波长）是指光纤中各阶模所携带的总功率和基模功率之比降到0.1dB时的波长。

目前，CCITT已经定义了两种截止波长：

1）2米长一次涂覆光纤的截止波长c（带有28cm直径的环）。

2）22米长成缆光纤的截止波长cc（带80mm直径的环和两端各一米的裸纤）。

为了避免模式噪声和色散代价，系统外场光缆设施中最短的光缆长度（往往是维修段光缆长度）的截止波长cc应该小于系统的最低工作波长s，即cc

这一条件可以保证在最短光缆长度上的单模传输。

这样，对更长的实际光缆段，单模传输条件更是不成问题的。

G.652光纤在2米长光纤上的有效截止波长为1100~1280nm，在22米长光缆上的有效截止波长小于1260nm,两种指标不必同时满足，只需选择一种即可，应以光缆截止波长为首选目标。

G.653光纤在22米长光缆上的有效截止波长小于1270nm。

二、光纤的参数规范

光纤的参数规范参见表4.2。

表4.2ITU关于光纤的主要规范

参数值光纤种类

主要参数

G.652光纤

G.653光纤

G.654光纤

G.655光纤

模场直径（标称值）

9~10m

变化不超过±10%

7~8.3m

变化不超过±10%

10.5m

变化不超过±10%

8-11m

变化不超过±10%

模场同心度误差

<1m

<1m

<1m

<1m

2m光纤截止波长

1100~1280nm

—

1350~1600nm

1470nm

22m光缆截止波长

<1270nm或1260nm

<1270nm

<1530nm

1480nm

跳线光缆中光纤截止波长

<1240nm

—

—

1480nm

零色散波长

1300~1324nm

1500~1600nm

—

1565nm<0

0<1530nm

零色散斜率

≤0.093ps/（nm2·km）

≤0.085ps/（nm2·km）

—

≤0.092ps/（nm2·km）

最大色散系数

（1288~1339nm）

<3.5ps/（nm·km）

—

<3.5ps/（nm·km）

—

最大色散系数（1525~1575nm）

<20ps/（nm·km）

<3.5ps/（nm·km）

<20ps/（nm·km）

0.1~6ps/（nm·km）

包层直径

125±2m

125±2m

125±2m

125±2m

典型衰减系数（1310nm）

0.3~0.4dB/km

—

—

—

典型衰减系数（1550nm）

0.15~0.25dB/km

0.19~0.25dB/km

0.15~0.19dB/km

≤0.25dB

1550nm的宏弯损耗

<1dB

<0.5dB

—

<0.5dB

适用工作窗口

1310nm和1550nm

1550nm

1550nm

1550nm

4.3新型光纤的发展

4.3.1大有效面积NZ-DSF光纤

光纤通信系统发展方向：

✓超高密集波分复用：

642.5Gb/s（50GHz间距）

✓超高速数据传输速率：

40Gb/s

✓高的光信号注入功率：

5-8dBm/波道

✓全光网络

以前由于进入光纤的功率不大，光信号在光纤中传输可以看作是线性关系。

影响光纤传输特性的因素主要是损耗和色散。

现在，光纤放大器能把100mW（+20dBm）的光功率耦合进一根光纤，密集的波分复用使一根光纤中可以有数十乃至一百多条波道，在没有光电再生中继的情况下，可实现上千公里的全光传输。

这样，光波就能以较高的能量聚集在很小的截面上，沿光纤传输很长的距离，从而产生了十分重要的非线性现象，如何降低非线性影响？

增大光纤的有效面积是一条有效途径。

图4.5光纤的有效面积

光纤的有效面积：

在指光纤某个区域内，假设的恒定强度将和实际的变化强度产生相同的非线性效应所对应的光场面积。

光纤的有效面积为：

如果I0是高斯分布，Aeff=02对色散位移和非零色散光纤而言Aeff55m2为了减小非线性的影响，可以通过加大光纤的有效面积。

大有效面积光纤的非线性相互作用与光纤中的光功率密度成正比，而功率密度又与纤芯有效面积成反比，因此加大模场直径，增加光纤的有效面积，是克服非线性效应的一种方法。

但为了保证光纤的单模结构，模场直径的增加有一定限度。

一般单模光纤的有效面积为55m2左右，大有效面积光纤可达65～75m2。

大有效面积光纤也是G.655光纤的一种。

1.大有效面积NZ-DSF光纤优点：

在固定链路长度下，增加比特率和有用波长通道数，减小通道间距，提高系统容量。

在比特率不变的前提下，增加链路总长度，降低系统成本及提高系统可靠性。

加大EDFA间距30%以上。

LEAF（LargerEffectiveAreaFiber）光纤是美国康宁公司率先开发的一种新型的大有效面积非零色散位移G.655光纤，是为了解决光纤中高功率引入的非线性问题，减小各种非线性效应的影响而开发的一种新型光纤。

与G.655光纤一样，为了解决光纤中的四波混频效应，它也对G.653光纤的零色散点进行了移动，使1540～1565nm区间的色散值保持在1.0～4.0ps/（nm·km），避开了零色散区，维持了一个起码的色散值。

另外LEAF光纤大大增加了光纤的模场直径，从而增加了光纤的有效面积，从G.655的50m2增加到70～80m2。

降低了光纤中传播的功率密度，减少了光纤非线性系数，同时也减小了光纤的非线性效应，可以允许更大的入纤功率。

而提高功率意味着可