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DWDM原理2
访问数:1090      发布时间:03-27   

2.1 光纤的结构

通信中使用的光纤,其核心部分是由圆柱形玻璃纤芯和玻璃包层构成,最外层是一种弹性耐磨的塑料护套,整根光纤呈圆柱形。 光纤的典型结构如图 2.1 所示。

图 2.1 光纤的典型结构

图 2.2 三种典型光纤

纤芯的粗细、材料和包层材料的折射率,对光纤的特性起着决定性的影响。图 2.2 所示为三种典型光纤的情况。从图中可看出,纤芯和包层横截面上,折射率剖面有两种典型的分布。一种是纤芯和包层折射率沿光纤径向分布都是均匀的,而在纤芯和包层的交界面上,折射率呈阶梯形突变,这种光纤称为阶跃折射率光纤。另一种是,纤芯的折射率不是均匀常数,而是随纤芯径向坐标增加而逐渐减少,一直渐变到等于包层折射率值,因而将这种光纤称为渐变折射率光纤。这两种光纤剖面的共同特点是:纤芯的折射率 n1 大于包层折射率 n2 ,这也是光信号在光纤中传输的必要条件。对阶跃折射率光纤而言,它可以使光波在纤芯和包层的交界面形成全反射,引导光波沿纤芯向前传播;对于渐变折射率光纤而言,它可以使光波在纤芯中产生连续折射,形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线,引导光波沿纤芯向前传播,两种光射线轨迹如图 2.2 所示。阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤,随着纤芯直径的粗细不同,光纤中传输模式的数量多少也不同。因此,阶跃折射率光纤或渐变折射率光纤又都可以按照传输模式的数量多少,分为单模光纤和多模光纤,这又是一种光纤的分类方法。单模光纤的纤芯直径极细,直径一般小于 10 μ m ;多模光纤的纤芯直径较粗,通常直径等于 50 μ m 左右。但从光纤的外观上来看,两种光纤区别不大,包括塑料护套的光纤直径都小于 1mm 。

2.2 光纤的种类

由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点,国际上已一致认同 DWDM 系统将只使用单模光纤作为传输媒质。目前, ITU-T 已经在 G.652 、 G.653 、 G.654 和 G.655 建议中分别定义了 4 种不同设计的单模光纤。

其中 G.652 光纤是目前已广泛使用的单模光纤,称为 1310nm 性能最佳的单模光纤,又称为色散未移位的光纤。按纤芯折射率剖面,又可分为匹配包层光纤和下陷包层光纤两类,两者的性能十分相近,前者制造简单,但在 1550nm 波长区的宏弯损耗和微弯损耗稍大;而后者连接损耗稍大。

G.653 光纤称为色散移位光纤或 1550nm 性能最佳光纤。这种光纤通过设计光纤折射率的剖面,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,使超高速超长距离光纤传输成为可能。

G.654 光纤是截止波长移位的单模光纤。这类光纤的设计重点是降低 1550nm 的衰减,其零色散点仍然在 1310nm 附近,因而 1550nm 的色散较高,可达 18ps/(nm.km) ,必须配用单纵模激光器才能消除色散的影响。 G.654 光纤主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。

G.655 光纤是非零色散移位单模光纤,与 G.653 光纤相近,从而使 1550nm 附近保持了一定的色散值,避免在 DWDM 传输时发生四波混频现象,适合于 DWDM 系统应用。

除上述所讲的四种已正式标准化的光纤外,还有一种适合于更大容量和更长传输距离的大有效面积光纤也已经问世。其零色散点在 1510mm 左右,但有效面积增大到 72 平方 mm 以上,因而可以更有效地克服非线性影响,最适合以 10Gbit/s 为基础的 DWDM 系统应用。

2.3 光纤的基本特性

2.3.1 几何尺寸(模场直径)

单模光纤的纤径直径为 8~9mm ,与工作波长 1.3~1.6mm 处于同一数量级,由于光衍射效应,不易测出纤芯直径的精确值。此外,由于基模 LP01 场强的分布不只局限于纤芯之内,因而单模光纤纤芯直径的概念在物理上已没有什么意义,应改用模场直径的概念。模场直径是光纤内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 8.6~9.5mm 范围,偏差小于 10% ; G.655 光纤在 1550nm 波长区的模场直径标称值应在 8~11mm 范围,偏差小于 10% 。

上述两种单模光纤的包层径均为 125mm 。

2.3.2 模场同心度误差

模场同心度误差指互相连接的光纤模场中心与包层之间的距离。光纤的接头损耗大致与模场同心度误差的平方成正比,因此减少模场同心度误差是减低光纤连接损耗的关键因素之一,在工艺上应严格控制。 G.652 和 G.655 两种单模光纤的模场同心度误差均不应大于 1 ,一般应小于 0.5 。

2.3.3弯曲损耗

光纤的弯曲会引起辐射损耗。实际中,光纤可能出现两种情况的弯曲:一种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲。(例如,在敷设光缆时可能出现这种弯曲);一种是微弯曲,产生微弯曲的原因很多,光纤和光缆的生产过程中,限于工艺条件,都可能产生微弯曲。不同曲率半

径的微弯曲沿光纤随机分布。大曲率半径的弯曲光纤比直光纤中传输的模式数量要少,有一部分模式辐射到光纤外引起损耗;随机分布的光纤微弯曲,将使光纤中产生模式耦合,造成能量辐射损耗。光纤的弯曲损耗不可避免,因为不能保证光纤和光缆在生产过程中或是在使用过程中,不产生任何形式的弯曲。

弯曲损耗与模场直径有关。 G.652 光纤在 1550nm 波长区的弯曲损耗应不大于 1dB , G.655 光纤在 1550nm 波长区的弯曲损耗应不大于 0.5dB 。

2.3.4 衰减常数

光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗,弯曲损耗前面已经讲过,对光纤衰减常数的影响不大;决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗。

吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的,其中的过量金属杂质和氢氧根 OH- 离子对光的吸收而产生的损耗。

散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化,以及所含 SiO2 、 GeO2 和 P2O5 等成分的浓度不均匀,使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域,从而引起光的散射,将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗;或者在制造光纤的过程中,在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波,引起与波长无关的散射损耗,并且将整个光纤损耗谱曲线上移,但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多。

综合以上几个方面的损耗,单模光纤在 1310nm 和 1550nm 波长区的衰减常数一般分别为 0.3~0.4dB/km(1310nm) 和 0.17~0.25dB/km(1550nm) 。 ITU-T G.652 建议规定光纤在 1310nm 和 1550nm 的衰减常数应分别小于 0.5dB/km 和 0.4dB/km 。

2.3.5 色散系数

光纤的色散指光纤中携带信号能量的各种模式成分或信号自身的不同频率成分因群速度不同,在传播过程中互相散开,从而引起信号失真的物理现象。一般光纤存在三种色散:

1 )模式色散:光纤中携带同一个频率信号能量的各种模式成分,在传输过程中由于不同模式的时间延迟不同而产生。

2 )材料色散:由于光纤纤芯材料的折射率随频率变化,使得光纤中不同频率的信号分量具有不同的传播速度而引起的色散。

3 )波导色散:光纤中具有同一个模式但携带不同频率的信号,因为不同的传播群速度而引起的色散。

这三种色散统称为色度色散。 ITU-T G.652 建议规定零色散波长范围为: 1300nm~1324nm ,最大色散斜率为 0.093ps/ ( nm2.km ),在 1525~1575nm 波长范围内的色散系数约为 20ps/ ( nm.km )。 ITU-T G.653 建议规定零色散波长为: 1550nm ,在 1525~1575nm 区的色散斜率为 0.085ps/ ( nm2.km )。在 1525~1575nm 波长范围内的最大色散系数为 3.5ps/ ( nm.km )。 G.655 光纤在 1530~1565nm 范围内的色散系数在绝对值应处于 0.1~6.0 ps/ ( nm.km )。

 

2.3.6 截止波长

为避免模式噪声和色散代价,系统光缆中的最短光缆长度的截止波长应该小于系统的最低工作波长,截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输,并且可以抑制高阶模的产生或可以将产生的高阶模式噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步。目前 ITU-T 定义了三种截止波长:

1 )短于 2m 长跳线光缆中的一次涂覆光纤的截止波长。

2 ) 22m 长成缆光纤的截止波长。

3 ) 2~20m 长跳线光缆的截止波长。

G.652 光纤在 22 米长光缆上的截止波长≤ 1260nm ,在 2~20 米长的跳线光缆截止波长≤ 1260nm ,在短于 2 米长跳线光缆上的光纤的截止波长≤ 1250nm 。 G.655 光纤在 22 米长光缆上的截止波长≤ 1480nm ,在短于 2 米长光缆上的一次涂敷光纤上的截止波长小于等于 1470nm , 2~20 米长跳线光缆上的截止波长≤ 1480nm 。

2.4 光缆的种类及性能

2.4.1 光缆的种类

光缆以结构形式分,有松套层绞式、骨架式、中心束额定式和带状光缆等四种。

以敷设方式分,光缆有直埋、管道、架空、水底和局用光缆等。

依照应用场合、业务量需要和扩容需要,光缆芯数系列分为 4 、 6 、 8 、 10 、 12 、 14 、 16 、 18 、 20 、 22 、 24 、 26 、 28 、 30 、 32 、 34 、 36 芯,并可按需要依偶数递增。

2.4.2 光缆的性能

1. 机械性能:光缆的机械性能应能经受拉伸、压扁、冲击、反复弯曲、扭转、曲挠、钩挂、弯折、卷绕等项,并符合国家标准 GB.7425 对光缆机械性能试验的要求。

2. 防护性能:光缆应具备防潮、防水性能。此外,还应根据使用条件及安装环境的需要,具备防白蚁、鼠、昆虫咬,以及防腐蚀、防雷等项,并符合国家标准 GB.8405 对光缆环境性能试验的防护性能要求。

 



作者:ayp  来源:中国中铁电气化局集团第三工程有限公司第二工程段

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