光纖的材料與制造光纖的分類光纜

光纖的材料與制造光纖的分類光纜第1頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2

光纖的分類

進人20世紀以后，光纖種類的演變與發(fā)展始終是伴隨著科學技術與通信等產(chǎn)業(yè)的需求而發(fā)展的。從20世紀50年代美國的物理學家和研究人員首先提出光纖“包層”的概念（1951年）和制造出第一根玻璃包層的光纖開始，多組分玻璃光纖首先在制造傳光束、傳像束與光纖面板等器件，實現(xiàn)光傳輸照明以及傳輸圖像等應用領域得到了發(fā)展，并很快實用化；60年代末自聚焦光纖在日本研制成功；1970年美國康寧公司解決了降低光纖傳輸損耗的關鍵技術，研制成功傳輸損耗為20dB/km的石英系光纖，從而打開了通信用低損耗光纖的發(fā)展道路，并與激光器相結(jié)合，促成了70年代以后30多年間光纖通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。第2頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

其歷程包括：光纖類型從石英系的階躍多模光纖發(fā)展到漸變折射率多模光纖，進而發(fā)展到石英階躍單模光纖。

而且，隨著通信對色散帶寬、損耗要求的不斷提高，又不斷研制派生出多種新型的單模光纖。與此同時，通信與非通信應用領域的各種不同應用需求的特種光纖也陸續(xù)研發(fā)出來，從而形成了應用于通信、傳感、傳像、傳光照明、高能傳輸與信號控制等多領域的多種類型與規(guī)格的數(shù)十種光纖。第3頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

從不同的角度可對光纖進行不同的分類。例如，按制造材料可將光纖區(qū)分為：石英系光纖(silica-basedopticalfiber)、多組分玻璃光纖(multi-componentglassopticalfiber)、塑料光纖(plasticopticalfiber)、鹵素化合物光纖（如氟化物光纖）等；按光纖傳輸模式可將其分為：多模光纖(multimodefiber)、單模光纖(single-modefiber)；按光纖剖面折射率分布可將其分為：階躍折射率型(step-Index)光纖、漸變折射率型(graded-index)光纖。折射率分布結(jié)構除此兩種基本類型外，單模光纖根據(jù)對其色散與損耗要求的不同，還有多種不同的折射率分布剖面結(jié)構（如W形光纖等）按應用領域和用途可將光纖區(qū)分為，通信光纖，非通信光纖。第4頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

其中，非通信光纖中包括：傳光照明光纖，傳像光纖，大芯徑石英光纖（強激光光纖），以及應用于其他特殊目的的特種光纖（如紅外光纖、紫外光纖、保偏光纖、液芯光纖等）。此外，還有按照制造方法、機械性能強度等對光纖加以分類的。

本節(jié)將以光纖的用途和應用領域為主要著眼點，依次介紹傳光與傳像光纖、作為最廣泛大量應用的各種類型的通信光纖以及各種特殊用途的特種光纖。第5頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.1傳光與傳像光纖1.多組分玻璃傳光與傳像光纖

應用于傳光照明與傳像的光纖即制造傳光束與傳像束的單元光纖，其纖芯材料一般均為折射率較高的多組分光學玻璃，而包層則為折射率較低的多組分光學玻璃。其剖面折射率分布結(jié)構與模式為階躍多模光纖。如前所述，這類光纖是用雙坩堝法或捧管法拉制而成。另外，其數(shù)值孔徑較大，一般NA≥0.55?0.64，其集光能力全接收角2amax>66°?80°，因而與光源的耦合效率高。光纖的受光范圍如圖5.13所示。這類光纖的損耗較大，一般為0.5?1dB/m量級（即每米的透過率約為>50%)，主要原因是多組分玻璃中雜質(zhì)的吸收損耗很大。其光譜透過率曲線如圖5.14所示，在可見光波長范圍內(nèi)傳輸效率較高。第6頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

一般制造照明用傳光束的光纖直徑在40?70mm范圍；而用于制造傳像束的光纖直徑一般在15?30mm范圍，傳像光纖的包層通常很薄，以提高傳光效率，其包層厚度約為纖芯直徑的1/10。若取纖芯與包層折射率的配比為n1/n2=1.626/1.510，則其數(shù)值孔徑約為0.60，相應的集光角度2amax約為74°。第7頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.大芯徑石英光纖

大芯徑石英光纖一般為階躍折射率多模光纖，主要應用于高功率激光傳輸、激光醫(yī)療、激光焊接、傳感與照明等。這種光纖一般采用純石英材料作纖芯；而包層則采用具有更低折射率的摻雜石英、硬塑料或軟塑料，具有多種結(jié)構形式。這種大芯徑石英光纖的制造工藝相對簡單。其纖芯的直徑一般在100?1000mm數(shù)量級，包層相對于纖芯一般較薄，外面是具有保護性的50?100mm厚的塑料涂覆層。第8頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

大芯徑階躍折射率石英光纖由于芯徑較大，易于耦合，且具有優(yōu)良的光學性能，寬廣的光譜范圍，良好的機械與撓曲性能，適合于大的光功率傳輸，可以承受相當高的光功率，是傳輸He-Ne、Ar+離子、YAG等大功率激光的理想介質(zhì)；但其彎曲性能稍差。例如，一類石英包層的光纖，當纖芯直徑為200mm時，其額定的傳輸連續(xù)功率為0.2kW，但當纖芯直徑為550mm時，則傳輸?shù)墓夤β士稍黾拥?.5kW；同時額定的最小彎曲半徑也增加了2.5倍。第9頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5.15給出了部分不同包層的大芯徑石英光纖衰減隨波長變化的衰減譜。

還應指出的是，盡管大部分大芯徑石英光纖為階躍型光纖；旦也有一部分傳送高功率激光的大芯徑石英光纖具有漸變折射率纖芯，外面有薄的石英包層，且一般采用塑料涂覆層，再外部還帶有緩沖層。第10頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.15各種大芯徑石英光纖的衰減譜第11頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

表5.7給出了由南京春輝科技公司生產(chǎn)的大芯徑硬包層石英光纖(HCS)的部分性能與結(jié)構參數(shù)的參考數(shù)據(jù)。表5.7大芯徑石英光纖的部分性能與結(jié)構參數(shù)石英纖維芯徑/mm0.10.20.30.40.50.60.650.80.9有機硅包層直徑/mm0.20.30.40.60.70.80.91.20.12最小彎曲半徑/mm2345810二次套塑外徑/mm1.2～2.0數(shù)值孔徑(NA)0.21～0.24第12頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月表5.7大芯徑石英光纖的部分性能與結(jié)構參數(shù)（續(xù)表）每米透過率%紫外光(波長0.25?0.4mm)85～98可見光(波長0.4～0.7mm)97～99近紅外(波長0.76?1.6mm)90～99He-Ne(波長0.6328mm)99YAG(波長1.06mm)98Ar+(波長0.5145mm)98傳輸功率/(W/cm2)≤800(D=0.5mm)(連續(xù)Nd:YAG激光）第13頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2通信光纖

光纖應用中最廣泛大量的品種，始終是通信用石英光纖。20世紀70年代光纖通信開始起步，所使用的通信光纖為階躍多模石英光纖，1974年光纖在0.85mm波段的傳輸損耗巳下降到1.2dB/km左右；隨著對帶寬需求的增加，為解決階躍多模光纖中的多模色散問題，20世紀70年代中期研制成功漸變（梯度）折射率多模光纖，1976年第一條速率為44.7Mb/s的光纖通信系統(tǒng)在美國亞特蘭大建成，應用于市話中繼，采用0.85mm短波長窗口。第14頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

20世紀80年代初期漸變折射率多模光纖曾廣泛應用于電信（電話等）領域，當時WDM（波分復用）技術尚未問世，傳輸速率較低，大芯徑（62.5/150)的漸變多模石英光纖曾是當時的最佳選擇；20世紀80年代是光纖通信大發(fā)展的年代，為了進一步提高傳輸速率與擴展帶寬，必須克服漸變折射率多模光纖的殘余色散與模噪聲的制約，并使傳輸損耗降到更低的值。

為此，單模光纖應運而生，1983年單模光纖正式進人商用光纖網(wǎng)，光纖通信的技術體制出現(xiàn)了從0.85mm波段轉(zhuǎn)向1.3mm波段和從多模光纖轉(zhuǎn)向單模光纖技術體制的重大發(fā)展變化。第15頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

而且，由于石英光纖在1.31mm波段色度色散為零，因而促進了1.3mm波段單模光纖通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展。在常規(guī)單模光纖推出后的20多年中，為克服常規(guī)單模光纖的局限性，又不斷推出了一系列單模光纖的新品種。主要原因是，常規(guī)單模光纖的最小色散值在1.31mm波長處，而最小損耗值卻在1.55mm波長處，兩者并不重合，因而影響單模光纖的傳輸性能。

另外，隨著20世紀90年代初摻鉺光纖放大器（EDFA，工作波段1525~1620nm)的研制成功以及波分復用與密集波分復用(DWDM)技術的快速發(fā)展，從90年代起，光纖產(chǎn)品（系統(tǒng)）的設計再次轉(zhuǎn)人重點考慮色散特性影響與調(diào)整的新階段，即利用改變纖芯-包層界面的設計結(jié)構，達到調(diào)整光纖的波導色散，使零色散點移動到設計所要求的波長處，從而實現(xiàn)研制出各種新型優(yōu)化光纖的目的。第16頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

由此繼常規(guī)單模光纖之后，又派生出了多種性能各異的新型單模光纖。如今，石英單模光纖已占有90%以上的光纖產(chǎn)品市場，成為通信光纖的主流產(chǎn)品。

縱觀整個通信光纖30多年的發(fā)展歷程，其最本質(zhì)、最有代表性的三類光纖依次是：階躍折射率多模石英光纖，漸變折射率多模石英光纖和單模石英光纖。圖5.16給出了階躍多模石英光纖的基本構造示意圖；圖5.17則給出了階躍折射率多模光纖、漸變折射率多模光纖、階躍折射率單模光纖的折射率分布與結(jié)構示意圖。第17頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.16階躍多模石英光纖的標準結(jié)構第18頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

以下將逐次介紹上述三類通信光纖，其中重點介紹單模光纖演變的各種類型。1.階躍折射率多模光纖

20世紀70年代階躍折射率多模光纖首先應用于通信中，其標準結(jié)構如圖5.16所示，其芯徑(2a)與包層直徑(2b)的典型值為2a/2b=50mm/125mm（美國的典型數(shù)據(jù)為100mm/140mm）。階躍折射率多模光纖芯包最大相對折射率差值D<0.01，其數(shù)值孔徑一般在0.2?0.3以上。由于階躍折射率多模光纖存在嚴重的模間色散，成為脈沖展寬的主要部分，嚴重影響其傳輸速率，因而它主要應用在短距離的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。第19頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.漸變折射率多模光纖

為減小階躍多模光纖模間色散對光纖傳輸容量的不利影響，從既要基本消除直徑達數(shù)十微米的模間色散，又要能保證有足夠的光能量耦合至光纖中的考慮出發(fā)，20世紀70年代中期漸變折射率多模光纖研制成功，它成為階躍多模光纖與20世紀80年代初期問世的單模光纖之間的一種過渡性選擇。

1998年2月由ITU-T建議的G.651規(guī)范，給出漸變折射率多模光纖的兩種標準芯徑分別為50mm和62.5mm，其包層直徑均為125mm。漸變多模光纖的剖面折射率分布已如前述。ITU-T對G.651光纖的主要參數(shù)（芯徑、包層直徑、同心度誤差等）作了嚴格規(guī)定。第20頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月表5.8Ala與Alb漸變光纖在兩窗口傳輸?shù)淖畲笏p與最小帶寬數(shù)據(jù)

類型性能光參數(shù)源AlaAlb850nm1310nm850nm1310nm最大衰減/(dB·km-1)2.4~3.50.75~1.52.8~3.50.7~1.5最小帶寬/(MHz·km)200~800200~1200100~800200~1000

這兩類漸變多模光纖分別稱為Ala(50mm/125mm)和Alb(62.5mm/125mm)類多模光纖。兩類光纖在850nm和1310nm兩個窗口傳輸?shù)淖畲笏p與最小帶寬的參考數(shù)據(jù)(據(jù)2001年數(shù)據(jù))參見表5.8。第21頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

20世紀80年代中期，漸變折射率多模光纖在國際上曾廣泛地應用于電信領域，但以后在電話系統(tǒng)中逐漸被性能更優(yōu)良的單模光纖取代；但數(shù)據(jù)通信局域網(wǎng)LAN（即將一定地域范圍內(nèi)的計算機與通信設備互聯(lián)起來的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，可以充分實現(xiàn)資源共享與信息交換）則正大量地用漸變多模光纖取代銅纜，并獲得迅速發(fā)展；另外，接人網(wǎng)的引入光纜和室內(nèi)軟光纜，也為其帶來較大的市場。漸變多模光纖具有易于連接耦合、可以使用低成本光源、在1?2km的短距離通信范圍能提供足夠的帶寬(1?10Gb/s)等優(yōu)點。第22頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

因此，它在局域網(wǎng)等方面仍有很大的市場應用潛力，近10年來全球的年增長率在20%以上，越來越多的LAN選用漸變多模光纖取代銅線，新一代漸變多模光纖將納入10Gbit以太網(wǎng)標準。我國在20世紀80年代采用Ala類漸變多模光纖較多，在90年代則采用Alb類光纖較多，爾后采用Ala類光纖勢頭又有上升。

應該指出的是，盡管漸變多模光纖在短距離通信的局域網(wǎng)及接入網(wǎng)等方面尚有較大的應用潛力與市場空間，但它自身存在的一些嚴重制約因素，使其不能在長距離、高性能的通信系統(tǒng)中得到應用。第23頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

主要問題是兩方面：首先，除基本消除模色散外，材料色散、波導色散等其他影響因素所造成的剩余色散以及模噪聲仍限制漸變折射率多模光纖的性能；另外，理想的折射率梯度分布實際上很難實現(xiàn)，整個制造工藝流程必須精確控制，成本昂貴是一般單模光纖單價的數(shù)倍。因而漸變折射率多模光纖的應用范圍還是受到很大局限。還應指出的是，現(xiàn)今所說的多模光纖一般皆指漸變折射率多模光纖。第24頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月3.單模光纖

20世紀80年代單模光纖與單模激光器同時問世，爾后被廣泛應用到光纖通信中，并占有通信光纖90%以上的市場，其主要原因就是，單模光纖避免了模色散、模噪聲和多模傳輸附帶的其他效應，提高了脈沖開關的速度，因而單模光纖傳輸信號的速度遠遠高于多模光纖，能實現(xiàn)高速率大容量的信息傳輸，是絕大部分電信系統(tǒng)的最佳選擇。而且，近20多年來，隨著現(xiàn)代信息社會對光纖傳輸距離與通信容量進一步提高的要求，單模光纖也從常規(guī)單模光纖發(fā)展到進一步減小色散的各種新型單模光纖結(jié)構。以下具體介紹單模光纖的各種類型及演變。第25頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）常規(guī)單模光纖（G.652光纖）

具有階躍折射率分布的最簡單的單模光纖，即為常規(guī)單模光纖或稱之為標準單模光纖，ITU-T定義其為G.652光纖，其縮略表示為SMF。

常規(guī)單模光纖為階躍型折射率分布，其相對折射率差值(D)一般為0.36%，低于其他標準類型的1%。由于其材料固有色散與波導結(jié)構色散符號相反，在1310nm附近恰好抵消，即其零色散波長在1310nm附近，因而稱之為1310nm波長性能最佳的單模光纖，又稱為色散未移位單模光纖；但由于其最低損耗在1550nm附近，而在該波長處有一較高的正色散值約為17ps/nm?km。因此，它是一種可供雙窗口工作的單模光纖。第26頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

但由于其在1310nm附近色散最低，因而更適合于在1310nm窗口應用，故其工作波長定為1310nm。其主要參數(shù)的典型數(shù)據(jù)為：零色散波長在1300?1324nm，零色散斜率為S0≤0.093ps/(nm2?km)，最大色散系數(shù)D(l)<3.5ps/(nm?km)，兩窗口的損耗分別為0.3?0.4dB/km和0.15?0.25dB/km。其折射率剖面結(jié)構如前所述有匹配包層型和下凹內(nèi)包層型。

從1983年起，單模光纖正式進人商用光纖網(wǎng)，同時制訂出G.652單模光纖的標準。20世紀80年代中、后期，無論是國外還是國內(nèi)，G.652光纖均得到大量應用和敷設。初期的G.652單模光纖由于制造工藝水平的局限，殘存較大的偏振模色散PMD值。第27頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

為滿足高速率系統(tǒng)的要求，2000年10月修訂G.652光纖標準（G.652-2000版本），將G.652光纖細分為G.652A、G.652B、G.652C三種類型（其中G.652C為波長段擴展的新型非色散位移單模光纖），分別支持不同速率高速系統(tǒng)的要求；2003年1月再次修改的G.652光纖標準，希望全面反映單模光纖的技術進步，提高G.652光纖的特性，使各類光纖至少都應支持10Gb/s的長途應用。調(diào)整后的三類G.652光纖的傳輸特性如下：

①G.652A型光纖支持10Gb/s系統(tǒng)傳輸距離可達400km,支持10Gb/s以太網(wǎng)的傳輸距離達40km，支持40Gb/s系統(tǒng)的傳輸距離為2km；第28頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

②G.652B型光纖應支持10Gb/s系統(tǒng)的傳輸距離達3000km以上，支持40Gb/s系統(tǒng)的傳輸距離為80km;

③G.652C型光纖的基本屬性與G.652A相同，但在1550nm波長處的衰減系數(shù)更低。非常重要的是，通過改進脫水工藝，C類光纖盡可能地消除了OH離子在1380nm附近比較嚴重的“水吸收峰”，使光纖的損耗完全由玻璃的本征損耗決定，在該吸收峰處的損耗亦能低于0.4dB/km，從而使系統(tǒng)可以工作在1360?1530nm波段。1998年美國朗訊公司首先推出了這種新型的單模光纖。這種光纖由于大大拓展了單模光纖的工作波長范圍，使光纖的全部可用波長范圍從大約200nm增加到300nm，可用波長范圍增加了100nm，實現(xiàn)了光纖從1260nm到1625nm的完整波段傳輸。第29頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

為此，稱其為“全波光纖”(All-WaveFiber)，也稱作“低水峰光纖”(LWPF)或“零水峰光纖”(ZWPF)。它是近年來最先進的城域網(wǎng)用非色散位移光纖。

與此同時，在定義G.652上述三類光纖的基礎上，為使消除水吸收峰的光纖也能支持G.652B型光纖所支持的應用范圍，必須對消除水吸收峰光纖的PMDQ值提出更嚴格的要求。為此，ITU-T于2003年1月在G.652系列中又增加定義了一種新的低水峰光纖類型，即G.652D型光纖。這種光纖的特性與G.652B光纖基本相同，而衰減系數(shù)與G.652C光纖相同，系統(tǒng)可以工作在1360?1530nm波段。第30頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如，由江蘇普天法爾勝光通信公司生產(chǎn)的G.652D低水峰非色散位移單模光纖，即消除了常規(guī)單模光纖在1383nm波長附近由于氫氧根離子引起的吸收水峰，將工作窗口擴大到E波段(1380?1480nm)從而適用于1260?1625nm的全波段的傳輸系統(tǒng)，使光纖在全波段上的色散和衰減得到優(yōu)化，滿足在單根光纖上多信道、高速率傳輸?shù)囊蟆?/p>

綜上所述，常規(guī)單模光纖G.652經(jīng)過了近20年的發(fā)展，從前期的非色散位移單模光纖G.652A、G.652B，發(fā)展到了20世紀末以后性能更優(yōu)良的、波長段擴展的、非色散位移單模光纖G.652C和G.652D。第31頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

全波光纖的出現(xiàn)使多種光通信業(yè)務有了更大的靈活性，也大大提高了G.652光纖的市場競爭力。從我國光纖通信業(yè)務已往發(fā)展的具體情況看，實際已應用較多的是G.652B光纖。（2）色散位移光纖（G.653光纖）

為解決標準階躍折射率單模光纖其零色散波長在1310nm附近而其最低損耗波長在1550nm附近兩者不重合的矛盾。研發(fā)了使光纖-包層界面的結(jié)構復雜化，以調(diào)整波導色散，使零色散點移動到1550nm附近，從而使光纖的零色散窗口與最低損耗窗口兩者均統(tǒng)一在1550nm波長上的光纖。第32頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

稱這種光纖為色散位移光纖(Dispersion-ShiftedFiber,DSF)，它也是1550nm波長性能最佳的單模光纖，ITU-T定義其為G.653光纖。

G.653光纖色散位移平衡原理如圖5.18所示；圖5.19則是可能實現(xiàn)色散位移的剖面折射率分布的部分設計結(jié)構。G.653光纖的工作波長定為1550nm，其部分主要參數(shù)的典型數(shù)據(jù)為：零色散波長范圍為1500?1600nm，色散斜率S0≤0.085ps/(nm2?km)，在1525?1575nm范圍內(nèi)最大色散系數(shù)D(l)<3.5ps/(nm?km)。第33頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.18色散位移的色散平衡第34頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.19色散位移單模光纖的折射指數(shù)分布形式第35頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于G.653光纖在1550窗口具有良好的特性，且與摻鉺光纖放大器(EDFA)及外調(diào)制器等技術相結(jié)合可實現(xiàn)長距離的全光通信。因而G.653光纖曾一度用于1550nm工作波長的超長海底光纜和陸纜。例如，美國AT&T實現(xiàn)了10Gb/s系統(tǒng)在級聯(lián)274個EDFA的線路上9000km無誤碼傳輸。另外，G.653光纖在日本也獲得大量應用。但是進一步的研究表明，雖然G.653光纖在單波長（信道）、長距離通信中具有很大的優(yōu)越性，本應成為人們的首選光纖。但因20世紀90年代以后，隨著大容量、超長距離傳輸需求的迅速增長，采用EDFA與密集波分復用(DWDM)相結(jié)合的技術體制，已經(jīng)成為現(xiàn)實。第36頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

即在1550nm波長附近(1530?1560nm)，選用密集的多路光載波，使其各自受到不同信號的調(diào)制，然后再匯集在一根光纖上，通過EDFA實現(xiàn)大容量、超長距離的傳輸。由于光纖中傳播的光功率密度大大增加，若將G.653光纖用于DWDM系統(tǒng)時，因其在零色散波長區(qū)色散值很小將引起嚴重的非線性效應，即產(chǎn)生“四波混頻”，從而使傳輸信號惡化，對系統(tǒng)危害很大。因此，零色散位移光纖G.653不適用于密集波分復用系統(tǒng)。這也就是G.653光纖在爾后未獲得大量推廣的根本原因。第37頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）截止波長位移光纖（G.654光纖）

這種光纖是指1550nm波長損耗最小的光纖，其設計思想是重點解決降低1550nm波長處的衰減，其零色散點仍位于1310nm波長處。這種光纖又稱為截止波長位移光纖(CSF)，其工作波長定為1550nm，ITU-T定義其為G.654光纖。這種光纖曾主要應用于需要很長再生段距離的海底光纖通信，但是也未獲得大量推廣。以上討論了G.652、G.653和G.654三類單模光纖，表5.9給出了ITU-T關于三類單模光纖的主要參數(shù)規(guī)范。第38頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月表5.9ITU-T關于三類光纖主要參數(shù)的規(guī)范＜3.5—＜3.5最大色散系數(shù)（1288～1339nm)/[ps?(nm?km)-1]—≤0.085≤0.093零色散斜率/[ps?(nm2?km)-1]—1500?16001300?1324零色散波長/nm——＜1240跳線光纜中光纖截止波長/nm＜1530＜1270＜1270或126022m光纜截止波長/nm1350?1600—1100?12802m光纖截止波長/nm＜1＜1＜1模場同心度誤差/mm10.5mm變化不超過±10%7?8.3mm變化不超過±10%9?10mm變化不超過±10%模場直徑(標稱值）G.654光纖G.653光纖G.652光纖

參數(shù)光纖種值類主要參數(shù)第39頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月表5.9ITU-T關于三類光纖主要參數(shù)的規(guī)范（續(xù)表）155015501310和1550適用工作窗口/nm—＜0.5＜11550nm的宏彎損耗/dB0.15?0.190.19?0.250.15?0.25典型衰減系數(shù)（1550nm)/(dB?km-1)——0.3?0.4典型衰減系數(shù)（1310nm)/(dB?km-1)125±2125±2125±2包層直徑/mm＜20＜3.5＜20最大色散系數(shù)（1525～1575nm)/[ps?(nm?km)-1]G.654光纖G.653光纖G.652光纖

參數(shù)光纖種值類主要參數(shù)第40頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）非零色散位移光纖NZDF（G.655光纖）20世紀90年代以后，為解決1550nm波長采用EDFA以后出現(xiàn)的大容量實現(xiàn)問題，提出了采用密集波分復用技術。對于色散位移光纖G.653，其零色散波長為1550nm，而EDFA的適宜工作波長也為1550nm,因而在這一波長下工作，其色散為零。然而對DWDM的信號來說，相互作用的各光波若具有相同的傳播相位，則將使“四波混頻”效應更為嚴重，它所派生的新波長往往與某一傳輸波長相同，這將顯著降低多波長DWDM系統(tǒng)的信號傳輸質(zhì)量。第41頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

為有效遏制四波混頻效應，使在光纖上容許傳播較大功率和多路波長，1993年為適應EDFA與DWDM應用的系統(tǒng)而專門設計的新型非零色散位移光纖(NonZeroDispersionFiber,NZDF)問世。其設計思想是，采用特殊的纖芯結(jié)構來調(diào)整波導色散大小，以使零色散波長移到摻鉺光纖放大器的工作波段之外。具體實現(xiàn)是，將零色散點設置在1550nm以下或以上的較短波長范圍內(nèi)（如1520nm或1570nm），使1530?1565nm波長范圍內(nèi)的色散值保持在0.1?6.0ps/nm?km，1550nm波長處光纖的色散值接近于零但并不為零。第42頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

既避開了零色散區(qū)，但又保持了較小的色散值。這種光纖由于將工作波段的色散值控制在所需范圍內(nèi)，因而可有效地抑制由于四波混頻效應所引起的非線性失真；同時，色散值又很小，可以保證色散不會成為系統(tǒng)容量的限制因素。ITU-T定義這種非零色散位移光纖為G.655光纖，又稱非零色散光纖。

采用NZDF的好處是，兼容了常規(guī)單模光纖(G.652)與色散位移光纖DSF(G.653)兩類光纖的優(yōu)點，同時又解決了常規(guī)單模光纖的色散受限和DSF難以實現(xiàn)DWDM的致命弱點。將G.655光纖與G.653光纖相比，除零色散點移動外，其余特性相同。第43頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

在1550nm波長處具有最小損耗與色散，雖然其色散系數(shù)不為零，但比G.652光纖已大大降低，緩解了因色散而使傳輸距離受限的矛盾；更重要的是，可以在此低色散與低損耗波段區(qū)，方便地開通多波長DWDM系統(tǒng)，而不會受到四波混頻效應的制約。總之，G.655光纖是實現(xiàn)高速率長距離傳輸?shù)妮^理想選擇。國外從1998年開始大量使用；我國從1998年開始使用，如國內(nèi)第一條G.655光纜線路（廣州——惠州）和G.655國家一級干線沈陽——大連線。2000年以后，國家一級干線大量使用，因此G.655在爾后的幾年得到了更大的發(fā)展。

圖5.20(a)、(b)給出了非零色散位移光纖的兩種剖面折射率結(jié)構設計方案。第44頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

鑒于各大公司生產(chǎn)的G.655光纖差異較大，2000年10月世界電信標準大會進一步規(guī)范了G.655光纖的標準。新標準將G.655光纖分為A、B兩類，且將要求提高。以后又補充規(guī)范了一種新的G.655C型光纖。三類G.655光纖所支持的應用條件分別為：

①G.655A類光纖。適用于帶光放大器的單通道SDH系統(tǒng)和高至10Gb/s(STM-64)、波道間隔≥200GHz（粗波分復用）的G.692帶光放大器的波分復用系統(tǒng)。即G.655A光纖支持200GHz及其以上間隔的DWDM系統(tǒng)在C波段(1530?1565nm)的應用，同時可以支持以10Gb/s為基礎的DWDM系統(tǒng)，這類光纖只能用于C波段，其色散值范圍為0.1?6.0ps/(nm?km)對PMD值不做要求。第45頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

②G.655B類光纖。適用于速率高到10Gb/s(STM-64)、波道間隔≤100GHz的G.692帶光放大器的密集波分復用系統(tǒng)，此種光纖可用于C、L(1530?1565nm)兩波段，其中在C波段的色散值范圍為0.1?10ps/nm?km。另外，為滿足密集波分復用，對鏈路的PMD值提出要求?？傊珿.655B光纖可以支持以10Gb/s為基礎的、100GHz及其以下間隔的DWDM系統(tǒng)在C和L波段的應用，并能支持10Gb/s速率系統(tǒng)傳輸400km以上的距離。

③G.655C類光纖。這類光纖支持100GHz及其以下間隔的DWDM系統(tǒng)在C、L波段的應用，并能支持N?10Gb/s的系統(tǒng)傳輸3000km以上，或支持N?40Gb/s系統(tǒng)傳輸80km以上。其最大PMD值為0.20ps/km，其他特性與G.655B是一樣的。第46頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于非零色散位移光纖(G.655光纖)是近七八年間發(fā)展起來的新型光纖，因而其規(guī)格與性能仍在不斷改進發(fā)展之中。已出現(xiàn)的如下兩種有代表性的改進型光纖分別為：大有效面積光纖和色散不坦型光纖（小色散斜率光纖）。兩種光纖的折射率分布如圖5.21(a)、(b)所示。圖5.21非零色散位移光纖的改進型第47頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月大有效面積光纖。其設計思想是使模場直徑最大化。由康寧公司生產(chǎn)的大有效面積光纖(LargerEffectiveAreaFiber)，其模場分布的有效面積明顯大于普通的G.655光纖，其模場直徑從普通G.655光纖的8.4mm增大到LEAF光纖的9.6mm，相應有效面積從50mm2增加到75mm2，因而在注入相同光功率時，其光功率密度大大降低，從而有效抑制了非線性效應。使之更適合于DWDM系統(tǒng)的應用。色散不坦型光纖。為提高光纖的有效帶寬，希望實現(xiàn)在整個長波通信的波段(1300～1600nm)不僅具有低損耗，也應有低色散。色散不坦型單模光纖有兩個零色散波長，分別為1305nm和1620nm。在此二零色散點之間色散特性平坦，數(shù)值較小，且色散斜率也很?。▍⒁妶D5.22）。色散不坦型光纖剖面折射率分布結(jié)構復雜，其基本初始結(jié)構為W形光纖。第48頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.22色散平坦型光纖色散特性第49頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5.23綜合給出了幾種單模光纖的色散分布曲線，從中可以看出單模光纖各種類型設計思想的演變。圖5.23幾種單模光纖的色散分布線第50頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）G.656光纖為了進一步增大可利用的波長范圍，以增加波道數(shù)，2002年由日本NTT等公司提出了一種適用于DWDM系統(tǒng)S+C+L波段（其中S波段波長范圍為1460?1530nm）應用的新型光纖，即在S+C+L波段（1460?1625nm）為非零色散，但色散變化又維持在一個較小的范圍。ITU-T于2004年6月發(fā)布規(guī)范，命名這種新型光纖為G.656光纖。綜上所述，近十多年來隨著光纖通信技術的迅速發(fā)展，為適應不同用途的需要，各種新型的單模通信光纖品種不斷出現(xiàn)，近年來又出現(xiàn)了G.657和G.658光纖。第51頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如，普天法爾勝研發(fā)生產(chǎn)的彎曲不敏感B類光纖(G657.B2)，其性能即符合、優(yōu)于ITU-TG.657建議B類光纖的要求，光纖采用低水峰光纖制造工藝，在全波段(1260?1625nm)范圍內(nèi)，具有較低的損耗，但比普通常規(guī)單模光纖具有極強的抗彎曲能力。如在1550nm窗口處，7.5mm彎曲半徑的光纖附加損耗小于0.5dB，能夠滿足彎曲半徑較小的光纜和小尺寸光器件對彎曲性能的特殊要求。目前光纖通信產(chǎn)品的應用出現(xiàn)了明顯的細分化，對長途、城域和接入網(wǎng)等不同層次的網(wǎng)絡和不同的使用要求，均有相應的光纖品種去滿足。上述各種通信光纖、特別是各種類型單模光纖在我國不同層次的網(wǎng)絡建設中均有了大量應用。第52頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如，我國西部的長途通信干線、大部分城市的城域網(wǎng)建設、接入網(wǎng)的大部分多采用G.652A和G.652B類光纖；城域網(wǎng)一般采用4-16信道的粗波分復用系統(tǒng)，G.652A可用于10Gb/s速率的粗波分復用系統(tǒng)，G.652C和G.655類光纖可用于建設大城市的城域網(wǎng)骨干光纜；我國東部地區(qū)及連接西安、成都等樞紐城市的長途光纜多采用G.655B類光纖。我國從1989年起大量敷設單模光纖通信線路，且前期建成的通信線路基本上是以G.652單模光纖、特別是G.652B為主（僅京九光纜少量采用G.653光纖）；1999年開始則較多地采用G.655光纖，線路建設發(fā)展到以G.652和G.655光纖為主的階段。第53頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.3特種光纖

除了上節(jié)所介紹由ITU-T規(guī)范的大批量生產(chǎn)的通信用系列標準光纖，以及應用也相當廣泛的傳光與傳像光纖外，尚有一些具有特殊性能與應用的光纖，例如色散補償光纖、摻鉺光纖、多芯單模光纖、保偏光纖、紅外光纖以及光子晶體光纖等，我們稱之為“特種光纖”。1.色散補償光纖(DCF)

為解決長途光纖通信中的色散補償問題，特別是對已大量安裝的G.652光纖，解決常規(guī)單模光纖在1550nm波長窗口的色散補償問題，具有極大的迫切性。第54頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

色散補償，又可稱為光均衡，其基本原理是當光脈沖信號經(jīng)長距離光纖傳輸后，由于色散效應而產(chǎn)生的脈沖展寬或畸變，可用一段色散補償光纖來加以消除。例如：普通單模光纖的色散在1550nm波長工作區(qū)是正色散值[約為17ps/(nm?km)]，因此，可以設計一段特殊的光纖使之在該波長區(qū)具有負的色散系數(shù)，且其負色散系數(shù)還很大，因而用很短的一段負色散光纖即可補償幾十千米的普通單模光纖所產(chǎn)生的色散，使在1550nm窗口能實現(xiàn)無展寬的脈沖接收波形。這一段特殊光纖因其功能而稱之為色散補償光纖(Dispersion-CompensatedFiber)。第55頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月DCF的主要特點是：

①DCF的波導色散非常大，其色散補償量可以控制，且性能穩(wěn)定。

②DCF總色散的符號與標準光纖相反，并具有很大的負色散（在1550nm波長處），足可抵消G.652或其他單模光纖在1550nm處的較大正色散。從色散特性上看，它屬于一種色散位移光纖。若對原使用1310nm的G.652光纖系統(tǒng)予以升級和擴容（變至1550nm波長區(qū)），則只需少量的DCF和EDFA即可達到目的。

③DCF可放在光纖線路中的任何位置上（僅受到EDFA和光接收機靈敏度的限制）與常規(guī)的G.652光纖串聯(lián)，安裝靈活方便。第56頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

④DCF的纖芯與包層的折射率差一般很大，且有效面積很小。改善DCF的剖面結(jié)構和制造工藝，可實現(xiàn)較大范圍的色散補償，且得到較低衰減。

⑤DCF雖然引入了插入損耗（典型值為0. 5?1.0dB/km），但可通過EDFA予以彌補。

色散補償光纖已研制出單包層、W形、三包層及四包層等多種結(jié)構。其色散值在1550nm波長處一般為

-50~-200ps/(nm?km)，更高的色散補償系數(shù)例如可達

-548ps/(nm?km)。圖5.24給出了色散補償光纖的一種設計結(jié)構。色散補償光纖存在的最大問題是損耗較大。第57頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.24色散補償光纖的一種結(jié)構第58頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.摻鉺光纖(EDF)

摻鉺光纖(Erbium-DopedFiber)是摻鉺光纖放大器EDFA(ErbiumDopedFiberAmplifier)的關鍵光纖器件，它是特種光纖的一種重要類型。摻鉺光纖是在以熔石英為主要成分的單模光纖中摻以稀土元素雜質(zhì)中的鉺元素（Er3+離子），即稱為摻鉺光纖EDF。有關摻鉺光纖的具體內(nèi)容參見爾后的6.8.1節(jié)中的“摻鉺光纖放大器”。第59頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月3.多芯單模光纖

多芯單模光纖(Multi-Coremono-modeFiber，MCF)，它是一個外包層內(nèi)含有多根纖芯，而每根纖芯都是各自有內(nèi)包層的單模光纖。例如，MCF-4即為阿爾卡特公司等研發(fā)的四芯單模光纖。

多芯單模光纖可以提高光纜的集成密度，并具有良好的技術經(jīng)濟優(yōu)勢，可全面降低光纖光纜的成本。其主要性能指標略優(yōu)于或相當于G.652常規(guī)單模光纖。第60頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.保偏光纖

保偏光纖是具有保持偏振態(tài)穩(wěn)定能力的光纖，具體包括高雙折射光纖與單偏振態(tài)單模光纖。詳細內(nèi)容已于4.1.3節(jié)中介紹過。由江蘇法爾勝光電科技公司研發(fā)生產(chǎn)的“熊貓型”與“一字型”保偏光纖均具有雙折射效應高、彎曲穩(wěn)定性好、保偏性能好、紫外固化雙涂覆層結(jié)構、一致性好、環(huán)境穩(wěn)定性和可靠性高、衰減低等優(yōu)良性能。其中，“一字型”保偏光纖吸取了領結(jié)型與橢圓茄克型保偏光纖的雙重優(yōu)點，創(chuàng)造了國內(nèi)領先的小應力區(qū)結(jié)構，其應力作用區(qū)面積僅為“熊貓型”的1/3?1/4，但卻可達到同等或更好的保偏效果。上述保偏光纖可廣泛應用于光纖陀螺、光纖偏振傳感器、熔錐型保偏耦合器等偏振相關器件領域；其中，“一字型”保偏光纖已成功應用于海、陸、空、天等各類平臺的導航、定位和姿態(tài)控制系統(tǒng)。第61頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.紅外光纖

利用非硅酸鹽玻璃制造的光纖能傳輸在石英光纖中不能通過的紅外波長，而傳輸紅外波長損耗極低的石英光纖已被證明是難以制造的。圖5.25給出了能傳輸紅外波長的幾種材料光纖的衰減譜。

氟化物光纖（通常簡稱為氟光纖）能傳輸0.4?5mm波長范圍的光波，其成分主要由四氟化鋯(ZrF4)和二氟化鋇（BaF2)組成，并摻入其他成分形成玻璃混合物。商品氟光纖的最低損耗在2.6mm處，約為25dB/km，實驗室研究已有損耗為1dB/km氟光纖的報道。第62頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

氟光纖易受潮氣影口向，因此應在低溫度條件下保存和使用；另外，由于氟光纖的折射率高于2，因此端面的菲涅耳反射損失較嚴重。但是，由于氟光纖有一些可取的光學特性，因而可將其應用于某些摻鉺光纖放大器中。鹵化銀（圖中為AgBrCl）制成的光纖能傳輸3?16mm的紅外波長。鹵化銀并非真正的玻璃，而是由許多小晶體構成的固體。人工水晶藍寶石(Al2O3)所拉制出的單晶光纖能傳輸0.5?3.1mm波長，其衰減比氟光纖高，但材料的耐久性更好。

紅外光纖主要應用于紅外光通信研究以及空間與軍事科學研究的需求。第63頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月6.光子晶體光纖（1）光子晶體光纖產(chǎn)生的背景與重要意義

隨著人類進入以原子物理、光量子物理來科學描述微觀世界的時代，用于描述這些微觀世界快速運動的時間單位與精度，也逐步發(fā)展到毫秒(10-3s)、微秒(10-6s)、納秒(10-9s)、皮秒(10-12s)乃至飛秒(10-15s)。用于研究反映物理、化學中電子快速運動過程的電子技術，已可產(chǎn)生毫秒、微秒、納秒和皮秒級的電脈沖，但無法產(chǎn)生飛秒脈沖。20世紀60年代出現(xiàn)的激光技術為產(chǎn)生皮秒和飛秒級的光脈沖提供了新的技術手段。第64頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

飛秒激光技術經(jīng)歷了1981年的染料激光（第一代）和1991年以摻鈦蘭寶石激光（第二代）為代表的發(fā)展階段，實現(xiàn)了超快的時間特性和超強的功率特性（峰值功率可提高至1015W），成為激光受控核聚變的快速點火、新一代加速器、精密微納加工等前沿科學技術的重要支撐技術，從而開創(chuàng)了飛秒激光技術應用的新時代。在這樣的前沿科技發(fā)展需求的背景下，1995年在德國研制出了第一根光子晶體光纖(PhotonicCrystalFiber,PCF)，到21世紀初已形成以光子晶體光纖激光為代表的新一代飛秒激光技術。第65頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

其主要特征是