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光纤的技术特性类型与概念

浏览:9221  来源:通信人在线  日期:2023-03-09

光导纤维(Optical Fiber)简称光纤,光纤是一种用来传送光波(以光波为载波)的传输介质。由于光纤具有许多独特优点,故其在通信传输网络中得到广泛的应用。依据光纤通信的特点,光纤的技术特性有以下表现,并以此来衡量光纤的性能参数指标:

1、光纤的结构特性

光纤的结构是指光纤的呈现构造,通常为纤芯和包层所构成的双层或多层的同心圆柱体,为轴对称结构。纤芯用来传导光信号,包层用以对裸纤的保护,同时保证光信号在纤芯捏传输。有时,为了提高光纤的机械应力,需要增加涂覆层(有紧套或松套)。对于我们日常使用的光纤,多模光纤纤芯与包层所使用的材料有玻璃(也称石英)和塑料;单模光纤的纤芯与包层所使用的材料往往均为玻璃(玻璃的光折射率一般在1.5左右)。特别是多模光纤,根据其纤芯与包层的材料不同和纤芯与包层的直径不同可分为不同分类类别的光纤(如A1类或A4类等)

光纤结构的参数主要有光纤的几何参数、折射率分布、数值孔径(NA)、截止波长和模场参数等。这些参数仅与光纤横截面的物理构成相关,与光纤的长度及传输状态无关。但光纤的不同结构参数对光纤的性能会产生不同影响。

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2、光纤的衰减特性

衰减表明了光纤对光能的传输损耗。通常衰减用衰减系数(α)衡量其大小,定义为单位长度光纤引起的光功率衰减。当长度为L时,衰减系数α与波长λ的函数关系如下:

αλ)=(10 / Llg [P (0) / P (L) ]     dB/km

常用的石英玻璃系列单模光纤的衰减系数(α)在1310nm波长出约为0.35dB/km,在1550nm波长出约为0.20dB/km

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3、光纤的色散特性

在光纤数字通信系统中,由于光纤中的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的,这些不同的频率成分和不同的模式成分的传输速率不同,从而引起色散(chromatic dispersion)。光纤色散主要有模间色散、材料色散、波导色散和偏振模色散等。色散指光源光谱中不同波长分量在光纤中的群速率不同所引起的光脉冲展宽现象。在ITU-T G.650.1中给出了色散方面的几个参数概念定义:色散、色散系数、色散斜率、群时延、色散的纵向均匀性、零色散斜率、零色散波长,具体详见下表3

3ITU-T G.650.1中定义的色散特性的几个参数概念

色散是高速光纤通信系统的主要传输损伤。需要指出,光放大器本身并不会改变系统的色散特性。尽管掺铒光纤放大器(Erbium Doped Optical Fiber AmplifierEDFA)内部有一小段掺铒光纤作为有源增益媒质,但其长度仅为几米至十几米,与长达几十至几百公里的光传输链路相比,其附加的少量色散不会对总色散产生有实质性的影响。通常,光放大器并不会改变由于色散所导致的传输限制。然而,由于光放大器极大地延长了无中继光传输距离,因而整个传输链路的总色散及其相应色散代价将可能变得很大而必须认真对付。研究光纤的色散特性的目的是弄清色散的原因、种类及相互作用,以便设计和制造出优质的、合适的色散光纤,从而满足光纤通信系统高速率、大容量和远距离传输的需求。

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4、光纤的非线性效应

光纤的非线性可分为两类:受激散射和折射率扰动。受激散射发生的非线性现象又包括受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)。折射率扰动引起的四种非线性效应包括光的克尔效应、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(CPM)和四波混频(FWM)。

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5、光纤的机械特性

ITU-T G.650.1中给出了机械特性的两个参数概念:

1验证测试水平(proof test level:验证测试水平是指纤维在规定的短时间内所承受的拉伸应力或应变的指定值。

2应力腐蚀参数(stress corrosion parameter):应力腐蚀(感受性)参数n是一个无量纲系数,与裂纹扩展对应力场的依赖性有关。它取决于环境温度、湿度和其他环境条件。这个参数包括静态值和动态值。静态值ns是静态疲劳曲线的负斜率,即失效时间与应力场的关系。动态值为nd,其中1/(nd + 1)是失效应力与应力场速率的动态疲劳对数坐标曲线的斜率(n不一定是整数)。

要使光纤在实际的通信线路上使用,它必须具有足够的机械强度以便成缆和敷设,且要具有较强的抗疲劳能力,以延长其使用寿命。按照石英玻璃原子间的结合力推算,光纤的理论计算抗拉力可达30kg。但由于光纤表面甚至光纤内部不可避免地存在一定的缺陷,实际上光纤的强度只能达到理论值的1/4左右。即便如此,光纤的强度比同直径的钢丝抗拉强度还要大一倍,这主要是光纤涂覆层的作用。因此,涂覆材料、涂覆层厚度、同心度以及光纤控制工艺、环境清洁度对光纤的最终强度都有影响。目前,用来表征具有预涂覆层或缓冲层光纤的机械强度、操作性能、物理缺陷、涂覆层可剥离性和挠曲性能优劣等,其实验测量方法有:筛选试验、光纤抗拉强度试验、磨损试验、目视静态和动态疲劳试验等。而对使用用户重要的筛选应力(筛选试验即是将整个光纤制造长度上的强度低于或等于筛选应力的点除去,保证剩下光纤的机械可靠性),国标中规定其应超过0.96Gpa

6、光纤的温度特性

光纤的温度特性是指光纤的使用温度范围。光纤在生产时,为了保证光纤表面,在光纤刚拉出时应立即涂上一层保护的涂覆层。为了便于成缆时抵抗外表的侧压力,涂覆层外还要套塑。由于光纤整体结构中的各种材料膨胀系数不一致(石英玻璃的膨胀系数约为3.4×10-7/℃,涂覆层和塑料的膨胀系数约为10-3/℃,石英和塑料涂覆层的长度变化量相差约1000倍),因而,当温度变化时,涂覆和套塑后的光纤温度特性比裸光纤要差。当温度降低时,由于涂覆盖层收缩比石英纤芯大,因而会使光纤受到很大的轴向压力而产生微弯曲,使光纤的损耗增大。当把光纤制成光缆时,由于加强了光缆中构件的支撑作用,阻碍了光纤套管在低温时的收缩,使得光纤的温度特性得到较大改善。ITU-T对光纤的温度(损耗)特性也做了规定,具体见下表6

6ITU-T对多模、单模光纤规定的温度(损耗)特性

另外,对于光纤还有如宏弯特性(弯曲敏感度特性)、偏振模色散特性、偏振态保持特性等等。在光纤的性能特性要求的相关标准中,通常归类提出的是光纤的尺寸要求、光学特性要求、传输特性要求、机械特性要求和环境特性要求。这些技术特性要求,在我国,多模光纤通常是由国家标准GB/T 12357.x系列标准所规范;单模光纤通常是由国家标准GB/T 9771..x系列标准所规范。

欲进一步了解光纤特性技术特性要求的请进入GB/T 12357.xGB/T 9771..x

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