光纤光缆基础知识

光纤 类型 Ala Alb Alc Ald
表 2 四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合
芯/包直径 (μm)
工作波长 (μm)
带宽 (MHz)
数值孔径
衰减系数 (dB/km)
50/125
0.85,1.30 200～1500 0.20～0.24 0.8～1.5
62.5/125 85/125 100/125
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
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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。
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
245±10
245±10
245±10
包层直径（着色） (μ 100±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。
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 50 μm，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。
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
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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 A2c
A3a A3b A3c
A4a A4b A4c
芯/包直径(μm)
100/140
200/300
980/1000
200/240
200/380
730/750
200/280
200/230
480/500
工作波长(μm)
0.85
0.85
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)
(8.6～9.5)±0.7
包层直径
(μm)
125±1
1310nm 芯同心度误差 (μm)
≤0.8
包层不圆度
(％)
≤2
涂覆层直径(未着色) (μm)
245±10
涂覆层直径(着色) (μm)
250±15
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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。
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。
250±15
包层/涂覆层同心度误差(μm)
≤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。
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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 125 μm。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。
0.65
带宽(MHz)
≥10
≥5
≥10
数值孔径
0.23～0.26
0.40
0.50
衰减系数(dB/km)
≤10
≤10
≤40dB/0.1km
典型选用长度(m)
2000
1000
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 4 梯度型多模光纤结构
图 5 阶跃型多模光纤结构
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表 1 Al 类多模光纤的结构尺寸参数
光纤结构
Ala
Alb
Alc
纤芯直径
(μm)
50±3
62.5±3
85±3
包层直径
(μm)
125±2
125±3
125±3
芯/包同心度
(μm)
≤3
≤3
≤6
芯不圆度
(％)
≤6
≤6
≤6
包层不圆度
(％)
≤2
≤2
≤2
包层直径（未着色）(μm)
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。