10.21 關於光纖，看完了，就懂了

光纖是一種纖細的、柔軟的固態玻璃物質，它由纖芯、包層、塗覆層三部分組成，可作為光傳導工具。

光纖的纖芯主要採用高純度的二氧化硅(SiO2)，並摻有少量的摻雜劑，提高纖芯的光折射率n1；包層也是高純度的二氧化(SiO2)，也摻有一些的摻雜劑，以降低包層的光折射率n2， n1＞n2，發生全反射；塗覆層採用丙烯酸酯、硅橡膠、尼龍，增加機械強度和可彎曲性。

光纖傳輸原理

全反射原理：因光在不同物質中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質射向另一種物質時，在兩種物質的交界面處會產生折射和反射。而且，折射光的角度會隨入射光的角度變化而變化。

當入射光的角度達到或超過某一角度時，折射光會消失，入射光全部被反射回來，這就是光的全反射。

不同的物質對相同波長光的折射角度是不同的（即不同的物質有不同的光折射率），相同的物質對不同波長光的折射角度也是不同。光纖通訊就是基於以上原理而形成的。

按照幾何光學全反射原理，射線在纖芯和包層的交界面產生全反射，並形成把光閉鎖在光纖芯內部向前傳播的必要條件，即使經過彎曲的路由光線也不射出光纖之外。

光纖技術的起源與發展

1966年，美籍華人高錕和霍克哈姆發表論文，光纖的概念由此產生。1970年，美國康寧公司首次研製成功損耗為20dB/km的光纖，光纖通信時代由此開始。

1977年美國在芝加哥首次用多模光纖成功地進行了光纖通信試驗。當時8.5微米波段的多模光波為第一代光纖通信系統。隨即在1981年、1984年以及19世紀80年代中後期，光纖通信系統迅速發展到第四代。第五代光纖通信系統達到了應用的標準，實現了光波的長距離傳輸。

光纖通信的發展階段

第一階段：1966-1976年，是從基礎研究到商業應用的開發時期。在這一階段，實現了短波長0.85μm低速率45或34Mb/s多模光纖通信系統，無中繼傳輸距離約10km。

第二階段：1976-1986年，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標和大力推廣應用的大發展時期。在這個時期，光纖從多模發展到單模，工作波長從短波長0.85μm發展到長波長1.31μm和1.55μm，實現了工作波長為1.31μm、傳輸速率為140565Mb/s的單模光纖通信系統，無中繼傳輸距離為10050km。

第三階段：1986-1996年，這是以超大容量超長距離為目標、全面深入開展新技術研究的時期。在這個時期，實現了1.55μm色散移位單模光纖通信系統。採用外調制技術，傳輸速率可達2.510Gb/s，無中繼傳輸距離可達150100km。實驗室可以達到更高水平。

光纖的種類

光纖的種類很多，分類方法也是各種各樣的。

按照製造光纖所用的材料分：石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物光纖。

塑料光纖是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）製成的。它的特點是製造成本低廉，相對來說芯徑較大，與光源的耦合效率高，耦合進光纖的光功率大，使用方便。但由於損耗較大，帶寬較小，這種光纖只適用於短距離低速率通信，如短距離計算機網鏈路、船舶內通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纖。

按光在光纖中的傳輸模式分：單模光纖和多模光纖。

單模光纖：中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10μm)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用於遠程通訊，但還存在著材料色散和波導色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩定性要好。後來又發現在1.31μm波長處，單模光纖的材料色散和波導色散一為正、一為負，大小也正好相等。

這就是說在1.31μm波長處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來看，1.31μm處正好是光纖的一個低損耗窗口。這樣，1.31μm波長區就成了光纖通信的一個很理想的工作窗口，也是現在實用光纖通信系統的主要工作波段。1.31μm常規單模光纖的主要參數是由國際電信聯盟ITU－T在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G652光纖。

多模光纖：中心玻璃芯較粗(50或62.5μm)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸的距離就比較近，一般只有幾公里。

按折射率分佈情況分：階躍型和漸變型光纖。

階躍型：光纖的纖芯折射率高於包層折射率，使得輸入的光能在纖芯一包層交界面上不斷產生全反射而前進。這種光纖纖芯的折射率是均勻的，包層的折射率稍低一些。光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的，只有一個臺階，所以稱為階躍型折射率多模光纖，簡稱階躍光纖，也稱突變光纖。

這種光纖的傳輸模式很多，各種模式的傳輸路徑不一樣，經傳輸後到達終點的時間也不相同，因而產生時延差，使光脈衝受到展寬。所以這種光纖的模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率不能太高，用於通信不夠理想，只適用於短途低速通訊，比如：工控。但單模光纖由於模間色散很小，所以單模光纖都採用突變型。這是研究開發較早的一種光纖，現在已逐漸被淘汰了。

漸變型光纖：為了解決階躍光纖存在的弊端，人們又研製、開發了漸變折射率多模光纖，簡稱漸變光纖。光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現在的多模光纖多為漸變型光纖。

漸變光纖的包層折射率分佈與階躍光纖一樣，為均勻的。漸變光纖的纖芯折射率中心最大，沿纖芯半徑方向逐漸減小。由於高次模和低次模的光線分別在不同的折射率層界面上按折射定律產生折射，進入低折射率層中去，因此，光的行進方向與光纖軸方向所形成的角度將逐漸變小。

同樣的過程不斷髮生，直至光在某一折射率層產生全反射，使光改變方向，朝中心較高的折射率層行進。這時，光的行進方向與光纖軸方向所構成的角度，在各折射率層中每折射一次，其值就增大一次，最後達到中心折射率最大的地方。

在這以後、和上述完全相同的過程不斷重複進行，由此實現了光波的傳輸。可以看出，光在漸變光纖中會自覺地進行調整，從而最終到達目的地，這叫做自聚焦。

按光纖的工作波長分：短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。

短波長光纖是指0.8～0.9μm的光纖；長波長光纖是指1.0～1.7μm的光纖；而超長波長光纖則是指2μm以上的光纖。

目前，國際上單模光纖的標準主要是ITU－T的系列：G.650“單模光纖相關參數的定義和試驗方法”、G.652“ 單模光纖和光纜特性”、G.653“色散位移單模光纖和光纜特性”、G.654“截止波長位移型單模光纖和光纜特性 ”、G.655“非零色散位移單模光纖和光纜特性”及G.656“用於寬帶傳輸的非零色散位移光纖和光纜特性”。ITU －T對多模光纖的標準是G.651“50／125μm多模漸變折射率光纖和光纜特性”。

單模光纖

• 普通單模光纖

普通單模光纖是指零色散波長在1 310 nm窗口的單模光纖，又稱色散未移位光纖或普通光纖，國際電信聯盟 （ITU－T）把這種光纖規範為G.652光纖。

G.652屬於第一代單模光纖，是1310 nm波長性能最佳的單模光纖。當工作波長在1310 nm時，光纖色散很小，色 散係數D在0～3.5 ps/nm·km，但損耗較大，約為0.3～0.4 dB/km。此時，系統的傳輸距離主要受光纖衰減限制。

在1 550 nm波段的損耗較小，約為0.19～0.25 dB/km，但色散較大，約為20 ps／nm·km。傳統上在G.652上開通 的PDH系統多是採用1310nm零色散窗口。但近幾年開通的SDH系統則採用1550nm的最小衰減窗口。

另外，由於摻鉺 光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）的實用化，密集波分複用（DWDM）也工作於1550nm窗口， 使得1550nm窗口己經成為G.652光纖的主要工作窗口。

對於基於2.5 Gb/s及其以下速率的DWDM系統，G.652光纖是一種最佳的選擇。但由於在1550nm波段的色散較大， 若傳輸10 Gb/s的信號，一般在傳輸距離超過50km時，需要使用價格昂貴的色散補償模塊，這會使系統的總成本增 大。色散補償模塊會引入較大的衰減。因此常將色散補償模塊與EDFA一起工作，置於EDFA兩級放大之間，以免佔用鏈路的功率餘度。

G.652光纖的一些光學特性參數和凡何特性參數。

G.652類光纖進一步分為A、B、C、D四個子類：

G.652A光纖主要適用於ITU－T G.951規定的SDH傳輸系統和G.691 規定的帶光放大的單通道直到STM－16的SDH傳輸系統，只能支持2.5Gb／s及其以下速率的系統。

G.652B光纖主要 適用於ITU－T G.957規定的SDH傳輸系統和G.691規定的帶光放大的單通道SDH傳輸系統直到STM－64的ITU－T G.692帶光放大的波分複用傳輸系統，可以支持對PMD有參數要求的10 Gb/s速率的系統。

G.652C光纖的適用範圍同 B類相似，這類光纖允許G.951傳輸系統使用在1 360～1 530 nm之間的擴展波段，增加了可用波長數。

G.652D光纖 為無水峰光纖，其屬性與G.652B光纖基本相同，而衰減係數與G.652C光纖相同，可以工作在1360～1530nm全波段 。

• 色散位移光纖

G.653色散位移光纖，是在G.652光纖的基礎上，將零色散點從1 310 nm窗口移動到1 550 nm窗口，解決了1 550 nm波長的色散對單波長高速系統的限制問題。但是由於EDFA在DWDM中的使用，進入光纖的光功率有很大的提高， 光纖非線性效應導致的四波混頻在G.653光纖上對DWDM系統的影響嚴重，G.653並沒有得到廣泛推廣。主要原因是 在1 550 nm窗口，G.653的色散非常小，比較容易產生各種光學非線性效應網。

• 非零色散位移光纖

G.655非零色散位移光纖是在1 550 nm窗口有合理的、較低的色散，能夠降低四波混頻和交叉相位調製等非線性 影響，同時能夠支持長距離傳輸，而儘量減少色散補償網。

G.655光纖在1 550 nm波長區的色散值約為2 ps/nm·km。在1 550 nm處具有正色散的G.655光纖可以利用色散補 償其一階和二階色散。具有負色散的G.655光纖不存在調製不穩定性問題，對交叉相位調製不敏感。

第二代G.655光纖包括低色散斜率光纖和大有效面積光纖。所謂色散斜率指光纖色散隨波長變化的速率，又稱高階色散。DWDM系統中，由於色散斜率的作用，各通路波長的色散積累量是不同的，其中 位於兩側的邊緣通路間的色散積累量差別最大。

當傳輸距離超過一定值後，具有較大色散積累量通路的色散值超 標，從而限制了整個WDM系統的傳輸距離。低色散斜率光纖具有更合理的色散規範值，簡化了色散補償。

低色散斜率G.655光纖的色散值在0.05 ps/nm·km以下，在1 530～1 565 nm波長範圍的色散值為2.6～6.0 ps/nm·km，在1 565～1 625 nm波長範圍的色散值為4.0～8.6 ps/nm·恤。

其色散隨波長的變化幅度比其他非零 色散光纖要小35％～55％，從而使光纖在低波段的色散有所增加，可以較好地壓制四波混頻和交叉相位調製影響 ，而另一方面又可以使高波段的色散不致過大，仍然可以使10 Gb/s信號傳輸足夠遠的距離而無須色散補償。

大有效面積光纖具有較大的有效面積，可承受較高的光功率，因而可以更有效地克服光纖的非線性影響。超高 速系統的主要性能限制是色散和非線性。

通常，線性色散可以用色散補償的方法來消除，而非線性的影響卻不能 用簡單的線性補償的方法來消除。提高光纖纖芯的有效面積，降低纖芯內的光功率密度，是解決非線性問題的方法之一。

大有效面積光纖的有效面積達72μ㎡以上，零色散點處於1 510 nm左右，其色散係數在1 530～1 565 nm 窗口內處於2～6 ps/nm km之內，而在1 565～1 625 nm窗口內處於4.5～11.2 ps/nm·km之內，從而可以進一步減小四波混頻的影響。

G.656光纖是為了進一步擴展DWDM系統的可用波長範圍，在S（1460～1530 nm）、C（1 530～1 565 nm）和L（1 565～1 625 nm）波段均保持非零色散的一種新型光纖。

多模光纖

儘管單模光纖的品種不斷出現，功能被不斷地豐富和增強著，但多模光纖並沒有被單模光纖所取代，而是仍然保持了穩定的市場份額，並且得到了不斷的發展。

在傳輸距離較短、節點多、接頭多、彎路多、連接器和耦合器 用量大、規模小、單位光纖長度使用光源個數多的網絡中，使用單模光纖無源器件比多模光纖要貴，而且相對精 密、容差小，操作不如多模器件方便可靠。

多模光纖的芯徑較粗，數值孔徑大，、能從光源中耦合更多的光功率 ，適應了網絡中彎路多、節點多、光功率分路頻繁、需要有較大光功率的特點。多模光纖的特性正好滿足了這種網絡用光纖的要求。

單模光纖只能使用激光器（LD）作光源，其成本比多模光纖使用的發光二極管（LED）高很多。垂直腔面發射激 光器（VCSEL）的出現，更增強了多模光纖在網絡中的應用。VCSEL具有圓柱形的光束斷面和高的調製速率，與光 纖的耦合更容易，而價格則與LED接近。

因此雖然僅從光纖的角度看，單模光纖性能比多模光纖好，但是從整個網絡用光纖的角度看，多模光纖則佔有 更大的優勢。多模光纖一直是網絡傳輸介質的主體，隨著網絡傳輸速率的不斷提高和VCSEL的使用，多模光纖得到 了更多的應用，並且促進了新一代多模光纖的發展。

ISO/IEC 11801所頒佈的新的多模光纖標準等級中，將多模光纖分為OM1，OM2，OM3三類。其中OM1是指傳統的62.5/125μm多模光纖，OM2是指傳統的50/125μm多模光纖，0M3是指新型的萬兆位多模光纖。

• 62.5/125μm漸變折射率多模光纖（OM1）

常用的62.5/125μm漸變折射率多模光纖是指IEC－60793－2光纖產品規範中的Alb類型。它的誕生晚於50/125μm漸變折射率多模光纖。

由於62.5/125μm光纖的芯徑和數值孔徑較大，具有較強的集光能力和抗彎曲特性，特別是在20世紀90年代中期以前，局域網的速率較低，對光纖帶寬的要求不高，因而使這種光纖獲得了最廣泛的應用，成為20世紀80年代中期至90年代中期的十年間在大多數國家中數據通信光纖市場中的主流產品。

62.5/125μm漸變折射率多模光纖是最先被美國採用為多家行業標準的一種多模光纖，如AT＆T的室內配線系統標準；美國電子工業協會（ETA）的局域網標準；美國國家標準研究所（ANSI）的100 Mb/s令牌網標準；IBM的令牌環標準等。

通常62.5／125μm漸變折射率多模光纖的帶寬為200～400 MHz·km，在1 Gb/s的速率下，850 nm波長可傳輸300 m，1 300 nm波長可傳輸550m。

62.5/125μm漸變折射率多模光纖的典型光學特性參數

• 50/125μm漸變折射率多模光纖（OM2）

普通的50/125μm漸變折射率多模光纖是指IEC－60793－2光纖產品規範中的Ala類型。歷史上，為了儘可能地降低局域網的系統成本，普遍採用價格低廉的LED作光源，而不用價格昂貴的LD。

由於LED輸出功率低，發散角比LD大很多，連接器損耗大，而50/125μm多模光纖的芯徑和數值孔徑都比較小，不利於與LED的高效耦合，不如芯徑和數值孔徑大的62.5/125μm（Alb類）光纖能使較多的光功率耦合到光纖鏈路中去，因此，50/125μm漸變折射率多模光纖在20世紀90年代中期以前沒有被得到廣泛的應用，而是主要在日本和德國被作為數據通信標準使用。

自20世紀末以來，局域網向lGb/s速率以上發展，以LED作光源的62.5/125μm多模光纖的帶寬己經不能滿足要求。與62.5/125μm多模光纖相比，50/125μm多模光纖數值孔徑和芯徑較小，帶寬比62.5/125μm多模光纖大，製作成本也降低1/3。

因此，50/125μm多模光纖重新得到了廣泛的 應用。IEEE802.3z千兆位以太網標準中規定50/125μm多模和62.5/125μm多模光纖都可以作為千兆位以太網的傳 輸介質使用。但對新建網絡，一般首選50/125μm多模光纖。

50/125μm漸變折射率多模光纖中傳輸模的數目大約是62.5/125μm多模光纖中傳輸模的1/2.5，有效地降低了多 模光纖的模色散，使得帶寬得到了顯著的增加。

50/125μm（Alb類）漸變折射率多模光纖的典型光學特性參數。

以上兩種光纖具有同樣的包層直徑和機械性能，但是二者的帶寬，以及與光源的耦合效率影響了其應用範圍。

較高的帶寬能夠傳送較高的速率或支持較長的距離。在850 nm波長，50/125μm多模光纖的帶寬（500 MHz·km）是 62.5/125μm多模光纖帶寬（200 MHz·km）的兩倍多。

然而50 gm較小的芯徑減小了基於LED光源的耦合輸入光功 率，從而減小了鏈路中允許的接頭數和減少了受功率限制支持的距離。對於850 nm波長千兆位以太網，62.5/125 μm多模光纖能支持的鏈路長度為220m，50/125μm多模光纖能支持的鏈路長度為550m。兩種光纖在300 m的長度內 都能提供足夠的帶寬。

隨著850 nm低價格VCSEL的出現和廣泛應用，850nm窗口重要性增加了。VCSEL能以比長波長激光器低的價格給用 戶提高網絡速率。50/125μm多模光纖在850nm窗口具有較高的帶寬，使用低價格VCSEL能支持較長距離的傳輸，適 合於千兆位以太網和高速率的協議，支持較長的距離。

• 新一代多模光纖（OM3）

傳統的OM1和OM2多模光纖從標準上和設計上均以LED方式為基礎，隨著網絡速率和規模的提高，調製速率達到 Gb/s的短波長VCSEL激光光源成為高速網絡的光源之一。

由於兩種發光器件的不同，必須對光纖本身進行改造，以適應光源的變化。為了滿足10 Gb/s傳輸速率的需要，國際標準化組織/國際電工委員會（ISO/IEC）和美國電信工 業聯盟（ITA－TR42）聯合起草了新一代多模光纖的標準。ISO/IEC在其所制定的新的多模光纖等級中將新一代多 模光纖劃為0M3類別。

LED的最大調製速率一般只有600 MHz，由於調製速率的限制，使其在1 Gb/s以上的光纖網絡中無法使用，故在1 Gb/s以上的高速網絡中，發光器件主要採用激光器作光源。但實驗中發現，簡單地使用激光器代替LED作光源，系統的帶寬不但沒有升高，反而降低。

原因是在預製棒製作工藝中，光纖的軸心容易產生折射率凹陷。在使用LED作光源時，這種光纖中心折射率的畸變對信號的傳輸影響不大。原因是LED光源將光纖中的所有模式都激勵，光功率被分配到每一個模式上，只有少數幾個傳播模的時延特性會受到光纖中心折射率畸變的影響。

而當使用激光器作光源時，由於激光器的光斑和發散角都很小，只有在光纖中心傳輸的很少幾個模式能被激勵，每一個模式都攜帶著很大一部分光功率，光纖中心折射率畸變會對這幾個被激勵的少數模式的時延特性產生很大的影響，從而造成光纖帶寬降低，如圖所示。

常用的光纖名詞

• 衰減

光在光纖中傳輸時的能量損耗

• 色散

光脈衝沿著光纖行進一段距離後造成的頻寬變粗。它是限制傳輸速率的主要因素。

模間色散：只發生在多模光纖，因為不同模式的光沿著不同的路徑傳輸。

材料色散：不同波長的光行進速度不同。

波導色散：發生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時，會以稍有不同的速度行進。

在單模光纖中，通過改變光纖內部結構來改變光纖的色散非常重要。

• 散射

由於光線的基本結構不完美，引起的光能量損失，此時光的傳輸不再具有很好的方向性。

造成光纖衰減的原因

造成光纖衰減的主要因素有：本徵，彎曲，擠壓，雜質，不均勻和對接等。

本徵：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

彎曲：光纖彎曲時部分光纖內的光會因散射而損失掉，造成損耗。

擠壓：光纖受到擠壓時產生微小的彎曲而造成的損耗。

雜質：光纖內雜質吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。

不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。

對接：光纖對接時產生的損耗，如：不同軸(單模光纖同軸度要求小於0.8μm)，端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質量差等。

造成光纖損耗的原因

• 光纖的吸收損耗

這是由於光纖材料和雜質對光能的吸收而引起的，它們把光能以熱能的形式消耗於光纖中，是光纖損耗中重要的損耗，吸收損耗包括以下幾種：

1、物質本徵吸收損耗 這是由於物質固有的吸收引起的損耗。它有兩個頻帶，一個在近紅外的8～12μm區域裡，這個波段的本徵吸收是由於振動。另一個物質固有吸收帶在紫外波段，吸收很強時，它的尾巴會拖到0.7～1.1μm波段裡去。

2、摻雜劑和雜質離子引起的吸收損耗 光纖材料中含有躍遷金屬如鐵、銅、鉻等，它們有各自的吸收峰和吸收帶並隨它們價態不同而不同。

由躍遷金屬離子吸收引起的光纖損耗取決於它們的濃度。另外，OH－存在也產生吸收損耗，OH－的基本吸收極峰在2.7μm附近，吸收帶在0.5～1.0μm範圍。對於純石英光纖，雜質引起的損耗影響可以不考慮。

3、原子缺陷吸收損耗 光纖材料由於受熱或強烈的輻射，它會受激而產生原子的缺陷，造成對光的吸收，產生損耗，但一般情況下這種影響很小。

• 光纖的散射損耗

光纖內部的散射，會減小傳輸的功率，產生損耗。散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纖材料內部的密度和成份變化而引起的。

光纖材料在加熱過程中，由於熱騷動，使原子得到的壓縮性不均勻，使物質的密度不均勻，進而使折射率不均勻。這種不均勻在冷卻過程中被固定下來，它的尺寸比光波波長要小。

光在傳輸時遇到這些比光波波長小，帶有隨機起伏的不均勻物質時，改變了傳輸方向，產生散射，引起損耗。另外，光纖中含有的氧化物濃度不均勻以及摻雜不均勻也會引起散射，產生損耗。

• 波導散射損耗

這是由於交界面隨機的畸變或粗糙所產生的散射，實際上它是由表面畸變或粗糙所引起的模式轉換或模式耦合。一種模式由於交界面的起伏，會產生其他傳輸模式和輻射模式。

由於在光纖中傳輸的各種模式衰減不同，在長距離的模式變換過程中，衰減小的模式變成衰減大的模式，連續的變換和反變換後，雖然各模式的損失會平衡起來，但模式總體產生額外的損耗，即由於模式的轉換產生了附加損耗，這種附加的損耗就是波導散射損耗。要降低這種損耗，就要提高光纖製造工藝。對於拉得好或質量高的光纖，基本上可以忽略這種損耗。

• 光纖彎曲產生的輻射損耗

光纖是柔軟的，可以彎曲，可是彎曲到一定程度後，光纖雖然可以導光，但會使光的傳輸途徑改變。由傳輸模轉換為輻射模，使一部分光能滲透到包層中或穿過包層成為輻射模向外洩漏損失掉，從而產生損耗。當彎曲半徑大於5～10cm時，由彎曲造成的損耗可以忽略。