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光纤的主要特性及分类(3)

时间:2009-07-31 11:30来源:未知 作者:admin 点击:
三 光纤结构及主要附件 为了使大家对光纤结构有个初步了解,本节介绍一些常见类型的光纤结构,实际上光纤类型相当复杂,各种不同类型的光纤结构也

  三 光纤结构及主要附件

  为了使大家对光纤结构有个初步了解,本节介绍一些常见类型的光纤结构,实际上光纤类型相当复杂,各种不同类型的光纤结构也是多种多样的。

  如图4中的左、右图所示的分别为单芯光纤和多芯光纤截面结构示意图。在光纤结构中我们还要了解的一点就是光纤的接口类型。我们经常见到诸如 ST-ST光纤、ST-SC光纤,或者ST和SC光纤。这里的ST,SC是什么意思呢?原来ST和SC是指光纤连接器的两种接口类型。对于10Base- F以太网标准连接,连接器通常是ST类型的;而对于100Base-FX以太网标准,连接器大部分情况下为SC类型的。ST连接器的芯外露,SC连接器的 芯在接头里面。如图5中的左、右图所示的分别是做好的一段ST-ST和ST-SC光纤;而在图6中,从左到右依次为ST连接器、SC连接器、ST适配器和 SC适配器。注意,不同品牌的这些附件产品的外观可能有较大区别。

 

  图4  单/多芯光纤结构


 

  图5  带ST-ST/ST-SC连接器的光纤

  图6  ST/SC连接器和适配器

  光纤中的接口类型比较多,常见的有ST、SC、FC和LC等。ST连接插头呈圆形,用于10Base-F网络中,此时光缆中只有单根光导纤维(而非多股的带状结构),并且光缆以交叉连接或互连的方式连至光电设备上。在所有的单工终端应用中,综合布线均使用ST光纤连接器。

  SC接头是标准方型接头,用于100Base-FX网络中,是目前应用比较广的光纤接口类型。传输设备侧光接口一般用SC接头。它采用工程塑料,具有耐高温,不容易氧化等优点。LC接头与SC接头形状相似,较SC接头小一些。FC接头是金属接头,紧固方式为螺丝扣。

  四 三种常见光纤的色散和非线性

  光纤是光信号的物理传输媒质,其特性直接影响光纤传输系统的带宽和传输距离,目前已开发出不同特性的光纤以适应不同的应用。常用的光纤种类有常规单模光纤G.652、色散位移光纤G.653和非零色散位移光纤G.655这3种。

  这3类光纤的低损耗区都在1 310~1 600 nm波长范围内。色散位移光纤G.653主要是为1 550 nm频段的单一波长高速率传输研制的。非零色散位移光纤G.655包括大有效面积光纤(LEAF)、色散平坦光纤(DFF)和全波光纤(Allwave) 等。影响光纤传输距离和传输性能的关键性因素之一是色散,它会影响传输系统,尤其是DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing,密集波分复用)系统指标的重要因素是光纤的非线性,它们对于不同类型光纤的传输性能有决定性的影响,特别是 WDM(Wavelength Division Multiplexing,波分复用)系统的传输性能。

  1.色散对光纤传输的影响

  所谓色散是指入射到光纤的光脉冲经光纤传输以后,出射端光脉冲将发生时间展宽的这种现象。光纤色散按产生原因的不同,大致可分为3种,即模式色散、材料色散和波导色散。下面就此进行简略说明。

  (1)模式色散

  在多模光纤中由于各传输模式的传输路径不同,各模式到达出射端的时间不同,从而引起光脉冲展宽,由此产生的色散称为模式色散。

  (2)材料色散

  光纤材料石英玻璃的折射率对不同的传输光波长有不同的值,包含有许多波长的太阳光通过棱镜以后可分成7种不同颜色就是一个证明。由于上述原因,材料折射率随光波长而变化从而引起脉冲展宽的现象称为材料色散。

  (3)波导色散

  由于光纤的纤芯与包层的折射率差别很小,因而在界面产生全反射现象时,有一部分光进入到包层之内。由于出现在包层内的这部分光,大小与光波长有 关,这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。具有一定波谱线宽的光源所发出的光脉冲射入到光纤后,由于不同波长的光其传输路程不完全相同,所以到 达光纤出射端的时间也不相同,从而使脉冲展宽。具体说入射光的波长越长,进入到包层的光强比例就越大,传输路径距离越长。由上述原因所形成的脉冲展宽现象 叫做波导色散。

  材料色散和波导色散都与光波长有关,所以又统称为波长色散。模式色散仅在多模光纤中存在,在单模光纤中不产生模式色散,而只有材料色散和波导色 散。通常各种色散的大小顺序是模式色散>材料色散>波导色散,因此多模光纤的传输带宽几乎仅由模式色散所制约。在单模光纤中由于没有模式色 散,所以它具有非常宽的带宽。色散的单位是指单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽(延时差)。

  无论是核心网还是接入网,目前主要应用的还是G.652单模光纤,不过在核心网新建线路中已开始采用G.655光纤。光纤的选型是波分复用系统 设计中很重要的一个问题,过去由于技术的限制光纤只有少数的几种,同时我国已埋设的光纤几乎都是常规单模光纤,选型问题显得不是很重要。现在新型光纤种类 越来越多,在设计波分复用系统和进行传输网建设时,光纤的选型就十分重要。

  G.652单模光纤在C波段1 530~1 565nm和L波段1 565~1 625nm范围内的色散较大,一般为17~22ps/(nm·km)。当系统速率达到2.2Gbps以上时,需要进行色散补偿,在10Gbps时系统色散 补偿成本较大。G.652单模光纤是目前传输网中敷设最为普遍的一种光纤。

  G.653色散位移光纤在C波段和L波段的色散一般为1~3.3 ps/(nm·km),在1 550 nm波段时是零色散,系统速率可达到20 Gbps,甚至40 Gbps,是单波长超长距离传输的最佳光纤。但是,由于其零色散的特性,在采用DWDM扩容时,会出现非线性效应,导致信号串扰,产生四波混频 (FWM),因此不适合采用DWDM。

  G.655非零色散位移光纤在C波段的色散为1~6 ps/(nm·km),在L波段的色散一般为6~10 ps/(nm·km),色散较小,避开了零色散区,既抑制了FWM,可采用DWDM扩容,也可以开通高速系统。Lucent公司和康宁公司的G.655光 纤,分别叫做真波光纤(TrueWave)和SMF-LSTM光纤。真波光纤的零色散点在1 530 nm以下短波长区,在1 549~1 561 nm的色散系数为2.0~3.0 ps/(nm·km);SMF-LSTM光纤的零色散点在长波长区1 570 nm附近,系统工作在色散负区,在1 545 nm的色散值为1.5 ps/(nm·km)。新型的G.655光纤可以使有效面积扩大到一般光纤的1.5~2倍,大有效面积可以降低功率密度,减小光纤的非线性效应。

  2.光纤非线性对传输的影响

  非线性效应会造成一些额外损耗和干扰,恶化系统的性能。WDM系统光功率较大并且沿光纤传输很长距离,因此产生非线性失真。非线性失真有"受激 散射"和"非线性折射"两种。其中受激散射又分"拉曼散射(SRS)"和"布里渊散射(SBS)"。以上两种散射使入射光能量降低,造成损耗。在光纤功率 较小时可忽略。同样,在光纤功率较小时,光的折射率与光功率无关,但功率较高时,需考虑非线性折射。非线性折射有以下几种:四波混频(FWM)、交叉相位 调制(XPM)和自身相位调制(SPM)。其中四波混频、交叉相位调制对系统影响最严重。

  因非线性效应是非常复杂的一个问题,在此不赘述。

  五 G.652与G.655光纤的应用

  目前用于传输网建设的主要光纤只有3种,即G.652常规单模光纤、G.653色散位移单模光纤和G.655非零色散位移光纤。而其中的 G.653光纤除了在日本等国家的干线网上有应用之外,因其在开通WDM系统时会引起FWM等非线性效应,要开通WDM系统只有采取不等距波长间隔、减小 入纤光功率等以牺牲系统性能为代价的解决方案,在我国的干线网上几乎没有应用。

  这样,真正可以用于骨干网乃至城域网等应用的光纤只有G.652和G.655光纤两种,但目前对于这两种光纤在未来传输网中的应用存在着许多不同看法。

  通常G.652单模光纤在C波段1 530~1 565 nm和L波段1 565~1 625 nm的色散较大,一般为17~22 ps/(nm·km)。在开通高速率系统,如10Gbps和40Gbps及基于单通路高速率的WDM系统时,可采用色散补偿光纤来进行色散补偿。色散补偿 光纤(DCF)具有负色散斜率,可补偿长距离传输引起的色散,使整个线路上1 550 nm处的色散大大减小,使G.652光纤既可满足单通道10 Gbps、40 Gbps的TDM信号,又可满足DWDM的传输要求。但DCF同时引入较大的衰减,因此它常与光放大器一起工作,置于EDFA(掺铒放大器)两级放大之 间,这样才不会占用线路上的功率余度。DWDM波长范围越宽,补偿困难越大。当位于频段中心的波长补偿好时,频段低端的波长过补偿,高端的波长则欠补偿。 目前一些设备厂商正在研制色散斜率补偿,这种补偿方式就会使得一定波长范围内的光信号都得到均匀的补偿,对于多通路的WDM系统有很大好处。

  G.655光纤的基本设计思想是在1 550 nm窗口工作波长区具有合理的较低的色散,足以支持10 Gbps的长距离传输而无须色散补偿,从而节省了色散补偿器及其附加光放大器的成本。同时,其色散值又保持非零特性,具有一起码的最小数值,足以抑制非线 性影响,适宜开通具有足够多波长的WDM系统。初步研究结果表明,对于以10 Gbps为基础的WDM系统,尽管G.655光缆的初始成本是G.652光缆的1.5~2倍,但由于色散补偿成本远低于G.652光纤,因而采用 G.655光缆的系统总成本大约可以比采用G.652光缆的系统总成本低30%~50%。第二代的G.655光纤-大有效面积的光纤和小色散斜率光纤也已 经大规模应用,前者具有较大的有效面积,可以更有效地克服光纤非线性的影响;后者具有更合理的色散规范值,简化了色散补偿,更适合于L波段的应用。两者均 适合于以10 Gbps为基础的高密集波分复用系统。从技术实现的角度来看,G.652光纤和G.655光纤对于单通路速率为2.5 Gbps、10 Gbps的WDM系统都适用,根据设备制造商的系统设计不同,均可达到较好的性能。对于通路非常密集的WDM系统,G.652光纤对于非线性效应的抑制情 况较好,而G.655光纤对于FWM等非线性效应的抑制较差,此时仅从性能角度来看,G.652光纤具有较大的优势。综合这两种光纤应用的成本来看,采用 G.652光纤开通基于2.5 Gbps的WDM系统是最经济的选择,对于基于10 Gbps的WDM系统需要进行色散补偿,常用的方法是使用色散补偿光纤,这不可避免地要增加系统成本,而G.655光纤开通基于10 Gbps的WDM系统时也需要进行少量的色散补偿,但色散补偿成本相对较低。对于新一代光纤的选型,需进一步考虑技术优势、光纤成本及色散补偿成本等方面 的综合因素,以便根据不同的应用选用最佳的光纤种类。

  综上所述,我们可以得出以下的结论。

   基于2.5 Gbps及其以下速率的WDM系统,G.652光纤是一种最佳选择。

   基于10 Gbps及更高速率的WDM系统,G.652和G.655光纤均能支持。

   通路非常密集的WDM系统,G.652光纤承载的系统在技术上有较大的优势,在考虑光纤选型时应综合性能及成本等多方面因素。

   在城域网中的光纤选型中,新一代的无水峰光纤因扩大了可用光谱,显示出很强的优势。

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