03光纤的分类及光缆的型号.docx
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03光纤的分类及光缆的型号
附件3
光纤的分类及光缆的型号
一光纤的分类
1光纤的基本概念
光纤是一种由多层透明介质构成的纤维状光波导,实心纤芯的折射率略高于包层,包层的折射率为常数。
光纤是传导光波的玻璃纤维。
有两种,一种是多模光纤,它容许几百个模式在光纤中传输。
多模光纤若以光纤剖面上的折射率分布形状来分,一种叫渐变型,一种叫突变型。
另外一种是单模光纤,它只容许一个模式(基模
)在光纤中传输。
图1中给出了两种多模光纤的折射率分布形状。
图中的
为纤芯半径,
为芯区中的最大折射率,
为包层折射率。
定义相对折射率差
为:
(当
时)
(1)
相对折射率差△及折射率剖面分布
是光纤设计和制造时的重要参数。
一般情况下,多模光纤的△≈1%,单模光纤的△≈0.02~0.5%。
2光纤的折射率分布
1)基本原理
光纤折射率分布描述的是从至包层的折射率随半径的变化,如图2所示。
(2)
光纤中模的传播依赖于折射率分布的形状。
在实际应用中光纤折射率分布曲线也可用半径的折射率分布指数函数来描述:
对于芯:
<
(3)
对于包层:
常数
≥
式中:
——光纤芯折射率;
——芯/包相对折射率差;
——离开光纤芯轴的距离;
——纤芯半径(μm);
——折射率分布指数;
——包层折射率。
只有在阶跃分布时,芯折射率为常数[n(r)=]。
对于所有其他分布时,折射率都是由包层折射率n2逐渐增大至纤芯折射率。
归一化频率V值是描述光纤特性的一个重要参数。
它与芯半径a、纤芯的数值孔径NA和波长λ或光波数R有关。
(4)
对于折射率分布指数为g的任意幂指数率的折射率分布,芯中传导的模数量N与V值有关,其关系可近似地表示为:
(5)
阶跃折射率分布(g→∞)光纤的芯中传导模数量近似为:
(6)
梯度折射率分布(g=2)光纤的芯中传导模数量近似为:
(7)
三角折射率分布(g=1)光纤的芯中传导模数量近似为:
(8)
由以上三式可知,当光纤的V值相同时,梯度折射率分布光纤芯中传导模数量只有阶跃折射率分布光纤的一半,三角折射率分布光纤芯中传导模数量只有阶跃折射率分布的三分之一。
光纤芯中传导模数量越少,光纤的带宽就越宽。
通常,将能同时传输几个模的光纤称为多模光纤。
如果要减少模数(即V值),则必须减小芯直径2a或数值孔径NA,或者增大光波长。
阶跃折射率分布(g→∞)的光纤,V值比常数Vc∞=2.405更小,仅有一个模,即基模LP01能在纤芯中传播。
这种只传播一个模的光纤称为单模光纤。
是阶跃折射率分布(g→∞)的光纤的极限值。
角注c表示极限的概念,对具有任意折射率分布指数g的幂指数率分布,极限值可近似地表示为:
例如对于梯度多模光纤,极限值可近似地表示为:
Vc=2.405√2=3.4
波长λ>λc的光纤才是单模光纤。
2)设计原则
光纤的折射率分布与光纤的性能密切相关,例如,多模光纤的折射率分布对其带宽具有决定性的影响,单模光纤的折射率分布只决定其截止波长、模场直径和色散。
因此,要制造出令人满意的光纤,必须根据光纤的类型进行合理的剖面设计。
尽管不同类型光纤要求的具体技术指标有异,但是一个优秀的光纤折射率剖面设计都必须遵循下述设计原则:
a)高带宽和低色散
多模光纤应力求其折射率分别最佳,以达到带宽最高之目的。
单模光纤的折射率分布应使其波长具有低色散和小的色散斜率。
b)衰减系数小
从剖面结构设计、掺杂剂、材料选择、制造工艺技术等设法保证所制得的光纤衰减系数最小。
c)剖面结合合理
光纤折射率分布合理,剖面结构重复性好,便于生产,且成本低。
为满足光纤的折射率分布设计原则的要求,人们根据各种光纤的性能特点设计出很多实用型光纤的折射率剖面结构,如下节所述。
3)剖面类型
a)多模光纤
(1)阶跃型多模光纤
(2)梯度型多模光纤
b)单模光纤
(1)非色散位移单模光纤(G.652、B1.1)
这种光纤被称为标准单模光纤或常规单模光纤,其最广为采用的折射率剖面结构为匹配包层型和下凹内包层型,如下图所示。
匹配包层型光纤性能稍差。
一般采用掺杂Ge来提高纤芯折射率,掺杂过多会因材料色散损耗增加光纤的衰减,因此相对折射率差Δ偏低(≈0.3%),光纤抗弯特性稍差。
下凹内包层型光纤性能较好。
一般它的内包层采用掺杂F产生下凹折射率Δ-,这样只要在纤芯中掺杂少量的Ge就能获得较大的总相对折射率Δ=Δ++Δ-。
高的Δ就能大大改善光纤的抗弯性、损耗。
同时这种结构有四个设计自由度(匹配包层仅为两个),那么通过适当选择Δ+、Δ-和2a(芯直径)、2b(包层直径),能使截止波长、零色散波长、模场直径等最佳化。
(2)色散位移单模光纤(G.653、B2)
这种光纤折射率剖面结构,如下图所示。
采用分段芯和双台阶芯型,不仅成功地实现了在1550nm波长处的低衰减和零色散,而且具有抗弯特性好、连接损耗低等特点。
特别是多芯结构的设计自由度多,通过调整各部分的折射率差和几何尺寸,很容易控制波导色散,实现零色散波长的移动。
(3)截止波长位移单模光纤(G.654、B1.2)
这种光纤折射率剖面结构与常规单模光纤相同,仍是采用的匹配包层型和下凹内包层型,如图所示。
它们不同的是选用纯SiO2芯来降低光纤的衰减,靠包层掺杂F使折射率下降而获得所要的折射率差。
这种光纤的最大优点是,其在1550nm波长处的最低衰减为0.15dB/km
(4)非零色散位移单模光纤(G.655、B4)
这种光纤的折射率剖面结构,如下图所示。
三角形和双环芯中的第一个环具有可移动零色散波长的作用。
这两种剖面结构的外环对实现大有效面积和微弯曲损耗都起着关键作用,其可将光从中心尖峰来增加有效面积,并且通过防止光泄漏到包层而改善微弯性能。
两种结构的区别在于,三角芯具有略低的衰减,双环芯则具有稍大的有效面积。
(5)色散补偿单模光纤
这种光纤的折射率剖面结构,如下图所示。
因为材料色散变化范围小,所以色散补偿光纤的色散特性主要由其波导色散决定。
光纤的波导结构由折射率分别及其相应的结构参数决定。
色散补偿光纤的剖面结构设计首先需要解决的是确定适当的折射率剖面和最佳的结构参数,使这种光纤具有大的负色散:
-50~-150ps/(nm·km)
(6)色散平坦单模光纤(B3)
这种光纤的折射率剖面结构,如下图所示。
为了能够在较宽的波段内得到平坦的小色散特性,人们采用的方法是改变折射率分布。
最初色散平坦光纤折射率剖面结构为双包层型。
该结构能使光纤二个零色散点分别在1310nm和1550nm处。
且光纤在1310nm~1550nm波长范围内色散呈平坦分布,数值较小。
双包层型光纤有内外两个包层,内包层比外包层折射率要小,从而形成了一个折射率下凹的深沟限制了色散的扩展,但缺点是弯曲损耗大。
三包层和四包层型是在双包层型基础上发展起来的,它的结构特点是在双包层型的内外包层中加入一凸起的折射率环,其色散特性和抗弯曲能力优于双包层型。
但是它们结构复杂、制造困难。
3光纤的分类
1)光纤的分类
多模光纤是根据最佳拟合的折射率分布指数g进行分类的,单模光纤是根据零色散波长和工作波长进行分类的。
根据GB/T15972.1(1998)《光纤总规范第1部分:
总则》,多模光纤和单模光纤的分类列于表1和表2。
常用的梯度型多模光纤A1类又具体分为4种,见表3。
表1多模光纤类型
类型
材料
折射率分布
g的限定范围
A1
玻璃纤芯/玻璃包层
渐变型
1≤g<3
A2.1
玻璃纤芯/玻璃包层
准突变型
3≤g<10
A2.2
玻璃纤芯/玻璃包层
突变型
10≤g<∞
A3
玻璃纤芯/塑料包层
突变型
10≤g<∞
A4
塑料光纤
表2单模光纤类型
类型
名称
标称零色散波长
(nm)
标称工作波长
(nm)
IEC
ITU-T
B1.1
G.652A和G.652B
非色散位移单模光纤
1310
1310和1550
B1.2
G.654
截止波长位移单模光纤
1310
1550
B1.3
G.652C
波长段扩展非色散位移光纤
1300~1324
1310、1360~1530、1550
B2
G.653
色散位移单模光纤
1550
1550
B3
G.6xx
色散平坦单模光纤
1310和1550
1310和1550
B4
G.655
非零色散位移单模光纤
<1530,>1565
1530~1565
表3四种梯度型多模光纤的性能
光纤类型
芯/包直径
(m)
工作波长
(m)
带宽
(MHz)
数值孔径
衰减系数
(dB/km)
A1a
50/125
0.85,1.30
200~1500
0.20~0.24
0.8~1.5
A1b
62.5/125
0.85,1.30
300~1000
0.26~0.29
0.8~2.0
A1c
85/125
0.85,1.30
100~1000
0.26~0.30
2.0
A1d
100/125
0.85,1.30
100~500
0.26~0.29
3.0~4.0
表1所列多模光纤的通常使用场合如下:
A1类多模光纤,用于接入网中室内引入线及大楼通信综合布线的主干子系统和水平子系统;
A2类多模光纤的应用距离不大于2km;
A3类多模光纤的应用距离不大于1km;
A4类多模光纤的应用距离不大于100m。
表2所列的单模光纤的通常使用场合如下:
B1.1类单模光纤,用于1310nm和1550nm区域的STM-16(2.5Gbit/s)或STM-16的DWDM传输系统,最佳工作波长为1310nm区域;
B1.2类单模光纤,即截止波长相对于B1.1类光纤向长波长方向移动,在1550nm区光纤衰减进一步降低,抗弯曲和抗微弯性能进一步改善的单模光纤,用于1550nm区域的STM-16传输系统,最佳工作波长区为1500nm~1600nm,因其1550nm的色散系数绝对值较大,目前已不再使用;
B1.3类单模光纤,工作波长扩展到1360nm~1530nm区域,用于1310nm和1550nm区域的STM-16的WDM传输系统,最佳工作波长为1310nm区域;
B2类单模光纤,零色散波长在1550nm附近,用于1550nm区域的STM-64(10Gbit/s)传输系统,最佳工作波长区为1550nm~1600nm,因其在DWDM中FWM(四波混频)效应严重,目前很少使用;
B4类光纤,又称Truewave(真波光纤)单模光纤,在1550nm区域有一非零的小色散值,用于1550nm区域的STM-64的DWDM传输系统,最佳工作波长区为1500nm~1600nm。
在1550nm区有很大负色散系数的色散补偿单模光纤(DCF),目前国际电联也尚未给出标准建议名称。
上述这几种主要单模光纤的主要特点如下表所示。
特性
纤型
G.652
G.653
G.654
G.6xx
G.655
DCF
1310nm处衰减系数(dB/km)
≤0.36
≤0.45
≤0.45
≤0.50
≤0.50
1550nm处衰减系数(dB/km)
≤0.22
≤0.25
≤0.20
≤0.40
≤0.24
≤1.00
1310nm处色散系数(ps/nm.km)
~0
~-18
~0
~0
~-20
1550nm处色散系数(ps/nm.km)
~+18
~0
~+18
~0
1≤│D│≤4★
-80~-150
截止波长λcc(nm)
≤1260
≤1270
≤1530
≤1270
≤1480
≤1260
在波长(nm)
模场直径(μm)
1310
~9
1550
~8.3
1550
~10.5
1310,1550
~8,11
1550
8~11
1550
~6
★指1540~1565nm范围,ITU-T正在研究中
2)多模光纤的另外讨论
早在1999年,当绝大多数人正在热衷于讨论1Gbps以太网的时候,考虑到未来不断增长的网络应用对带宽的渴求,IEEE已经开始着手制定10Gbps以太网的标准(IEEE802.3ae)。
随着千兆以太网标准(IEEE802.3ab和IEEE802.3z)正式颁布,万兆以太网标准正式浮出水面,目前,一些主要网络设备厂商如Cisco,Avaya等已经开始提供基于广域单模系统的设备接口,预计在2005年以前,万兆以太网(10GbpsEthernet)的正式标准将全部颁布。
众所周知,光缆系统在传输光信号时,离不开光收发器和光纤。
光收发器的种类主要有两大类:
发光二极管(LED)和激光发光器(Laser)。
虽然在性能上,激光发光器远远优于发光二极管,但是由于制造成本的问题,使绝大多数局域网用户一直难以负担激光发光器的高昂价格。
直到最近,一种新型发光器件垂直腔表面发光器VCSELs(Verticalcavitysurfaceemittinglasers)的出现,才解决了这个问题。
VCSELs吸收了激光发光器件的性能优势如响应速度高,传输光谱窄,和发光二极管的优势如藕合效率高及成本低廉。
因此,采用低成本高性能的VCSELs发光器件,配合多模光缆的方式可以传输高达10Gb/s的信号。
LED
VCSEL
DFB/FPLaser
成本
低
适中
高
用途
多模光纤
多模光纤
单模光纤
最高支持应用
1Gb/s
12.5Gb/s
40Gb/s
实际标准最高用途
622Mb/s
10Gb/s
40Gb/s
但是,另一个问题又出现在用户面前,即传输距离。
使用光缆的用户除了传输速率外,还对传输距离有要求。
实验证明,传统多模光缆,不论是50um还是62.5um,虽然可以支持10Gb/s的网络传输,但其支持距离都在100米以内,这对网络主干的应用是根本无法满足的。
由于LED发光器件本身的性能局限,在1Gbps以上的高速应用中,发光器件主要采用激光发光器件,而传统多模光纤从标准上和设计上均以LED方式为基础,因此,由于两种发光器件传输方式的不同,必须对光纤本身进行改造,以适应光源的变化。
因此,ISO/IEC11801着手制定了新的多模光纤标准等级,即OM3类别,并在2002年9月正式颁布。
而Avaya公司的SYSTIMAXSCS结构化布线系统中,已经先于国际标准推出了OM3型多模光纤—LazerSPEED解决方案,针对目前潜在的10Gb/s网络应用。
Minimummodalbandwidth(MHz·km)
Fibretype
OverfilledLaunch
LaserBandwidth
850nm
1300nm
850nm
1300nm
OM1
200
500
OM2
500
500
OM3
1500
500
2000
上表为ISO标准中对多模光纤的重新分类,OM1指目前传统62.5um多模光纤,OM2指目前传统50um多模光纤,OM3是新增的万兆光纤。
注意光纤带宽指标的两种模式,OverfilledLaunchBandwidth是针对LED发光器件的匹配指标,而LaserBandwidth是针对新型激光发光器件的匹配指标。
OM3光缆同时在两种模式下都进行了优化。
另外一个需要注意的是传送波长的选择,850nm还是1300nm。
虽然波长越长,性能会越好,但是发光器件的造价会成倍的增长,因此,用户如果可能,尽量选择短波长应用系统以降低成本。
例如,新型VCSELs发光器件就是以短波长为应用环境,而标准Laser发光器件主要用于长波长环境。
4光纤的测试方法
4.1多模光纤测试
多模渐变折射率光纤测试方法见表4。
表4多模渐变折射率光纤测试方法
参数
测试方法
RTM
ATM
几何参数
芯径,m
折射近场法
四圆容差区法
近场法
包层直径,m
同心度误差,m
芯不圆度,%
包层表面不圆度,%
光学特性
折射率分布
折射近场法
近场法
数值孔径
远场光分布法
折射近场法
传输特性
衰减常数,dB/km
剪断法
介入损耗法
后向散射法
模式畸变带宽,MHzkm
频域法
时域法
总色散系数,ps/(nmkm)
相移法
干涉试验法
脉冲延迟法
4.2单模光纤测试
单模光纤测试方法见表5
表5单模光纤测试方法
参数
测试方法
RTM
ATM
几何参数
模场直径,m
远场扫描法
可变孔径法
近场域法
包层直径,m
传输近场法
折射近场法
侧视法
传输近场象法
模场同心度误差,m
包层不圆度,%
光学特性
截止波长,nm
传输功率法
对剖心轴法
折射率分布
折射近场法
传输特性
衰减常数,dB/km
剪断法
后向散射法
介入损耗法
色散
,nm
相移法
干涉试验法
脉冲延迟法
,ps/(nm2km)
二光缆的型号命名
1光缆的型号命名
根据中华人民共和国通信行业标准YD/T908-2000《光缆型号命名方法》的规定,光缆的型号有型式和规格两大部分组成,型号组成的格式示于图2,型式的构成示于图3,规格的构成示于图4。
图3中,加强构件(Ⅱ)指护套以内或嵌入护套中用于增强光缆抗拉力的构件;结构特征(Ⅲ)指缆芯结构和光缆派生结构的特征,应表示出缆芯的主要类型和光缆的派生结构,当光缆型式有几个结构特征需要注明时可用组合代号表示,其组合代号按表7所列的代号自上而下的顺序排列。
光缆型式中Ⅰ~Ⅳ的各代号含义示于表6。
表6光缆型式中Ⅰ~Ⅳ各代号的含义
部分
代号
含义
分类
GY
通信用室(野)外光缆
GM
通信用移动式光缆
GJ
通信用室(局)内光缆
GS
通信用设备内光缆
GH
通信用海底光缆
GT
通信用特殊光缆
加强构件
(无符号)
金属加强构件
F
非金属加强构件
结构特征
D
光纤带结构
(无符号)
光纤松套被覆结构
J
光纤紧套被覆结构
(无符号)
层绞结构
G
骨架槽结构
X
缆中心管(被覆)结构
T
油膏填充式结构
(无符号)
干式阻水结构
R
充气式结构
C
自承式结构
B
扁平形状
E
椭圆形状
Z
阻燃
护套
Y
聚乙烯护套
V
聚氯乙烯护套
U
聚氨酯护套
A
铝—聚乙烯粘结护套
S
钢—聚乙烯粘结护套
W
夹带平行钢丝的钢—聚乙烯护套
L
铝护套
G
钢护套
Q
铅护套
当光缆有外护层时,它可包括垫层、铠装层和外被层的某些部分或全部,其代号(图3中的Ⅴ)用两组数字表示,垫层无需表示,两组数字的含义示于表7。
表7光缆型式中外护层各数字代号的含义
第一组(铠装层)
第二组(外被层或外套)
代号
含义
代号
含义
0
无铠装层
1
纤维外被
2
绕包双钢丝
2
聚氯乙烯套
3
单细圆钢丝
3
聚乙烯套
33
双细圆钢丝
4
聚乙烯套加覆尼龙套
4
单粗圆钢丝
5
聚乙烯保护管
44
双粗圆钢丝
5
皱纹钢带
光缆规格由光纤的规格和导电芯线规格组成,两者之间用“+”号隔开。
光纤的规格由光纤数和光纤类别组成,导电芯线规格的构成应符合YD/T322-1996《铜芯聚烯烃绝缘铝塑综合护套市内通信电缆》中第3.1.6条铜导电芯线规格构成的规定。
光纤规格中的光纤数代号用光缆中同类别光纤的实际有效数目的数字表示,光纤类别用光纤产品的分类代号表示,如表8所示。
表8光纤类别的代号
多模光纤
单模光纤
代号
名称
代号
名称
A1a
二氧化硅渐变折射率多模光纤
B1.1
二氧化硅非色散位移单模光纤
A1b
B1.2
二氧化硅截止波长位移单模光纤
A1c
B1.3
二氧化硅波长带扩展的非色散位移单模光纤
A2a~A2c
二氧化硅突变折射率多模光纤
B2
二氧化硅色散位移单模光纤
A3a~A3c
二氧化硅渐变折射率、塑料包层多模光纤
B3
二氧化硅色散平坦型单模光纤
A4a~A4c
突变折射率塑料光纤
B4
二氧化硅非零色散位移单模光纤
注:
1“A1a”可简化为“A1”。
2目前常用的是A1b类多模光纤。
3A1a类光纤即G.651光纤。
注:
1“B1.1”可简化为“B1”。
2目前常用的是B1和B4类单模光纤。
3B1.1类光纤即G.652.A、G.652.B光纤;B1.2类光纤即G.654光纤;B1.3类单模光纤即G.652.C光纤;B2类光纤即G.653光纤;B4类光纤即G.655光纤。
光缆型号的例子(ADSS除外):
金属加强构件、光纤带松套层绞填充式、铝-聚乙烯粘结护套、纵包皱纹钢带铠装、聚乙烯护套通信用室外光缆,包含144根二氧化硅非零色散位移单模光纤,该光缆产品的标记应为:
GYDTA53144B4
2室内光缆的型号命名
光缆型式由4个部分构成,如下所示,各部分均用代号表示。
分类的代号:
GJ—通信用室(局)内光缆
加强构件的代号:
(无符号)—金属加强构件;
F—非金属加强构件
结构特征的代号:
(无符号)松套光纤结构;
J—紧套光纤结构;
(无符号)—层绞结构;
X—中心束管式结构;
T—油膏填充式结构;
(无符号)—干式阻水结构;
B—扁平形状;
E—椭圆形状;
(无符号)—圆形状;
注:
当光缆型式有几个特征需要注明时,其组合代号为相应的各代号依上列顺序排列。
护套的代号:
ZY—阻燃聚乙烯护套;
V—聚氯乙烯护套;
U—聚氨酯护套。
规格:
光缆的规格是由光缆内的松套管数量和光纤的有关规格组成。
当光缆结构是中心束管式结构时,松套管数量可以不标识出来。
型号和标记:
型号:
光缆型号由光缆的型式和规格的代号组成。
标记:
加工订货时应标明光缆产品标记,它由光缆的型号、护套颜色和本部分编号组成。
例1:
非金属加强构件、紧套光纤、层绞式结构、阻燃式聚乙烯护套室(局)内光缆,包含6个松套管,每管含12根B1.1类单模光纤,护套黄色,则光缆产品标记应表示为:
GJFJZY-6×12B1黄YD/T1258.4-200x
例2:
非金属加强构件、紧套光纤、中心束管式结构、阻燃式聚乙烯护套室(局)内光缆,包含12根B1.1类单模光纤,护套黄色,则光缆产品标记应表示为:
GJFJXZY-12B1黄YD/T1258.4-200x
标记=光缆的型号+护套颜色+本标准编号
光缆的型号=光缆的型式+规格的代号
光缆的型式=分类的代号+加强构件的代号+结构特征的代号+护套的代号
所以:
标记=分类的代号+加强构件的代号+
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- 关 键 词:
- 03 光纤 分类 光缆 型号
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