單模光纖

單模光纖

單模光纖(SingleModeFiber):中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10μm),只能傳一種模式的光纖。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。這樣,1.31μm波長區就成了光纖通信的一個很理想的工作視窗,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。

單模光纖相比於多模光纖可支持更長傳輸距離,在100Mbps的乙太網以至1G千兆網,單模光纖都可支持超過5000m的傳輸距離。

從成本角度考慮,由於光端機非常昂貴,故採用單模光纖的成本會比多模光纖光纜的成本高。

折射率分布和突變型光纖相似,纖芯直徑只有8~10 μm,光線以直線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播。因為這種光纖只能傳輸一個模式(兩個偏振態簡併),所以稱為單模光纖,其信號畸變很小。

基本介紹

  • 中文名:單模光纖
  • 外文名:SingleModeFiber
  • 分類:網路傳輸設備
  • 定義:只傳單一基模的光纖
簡介,分類,主要區別,參數對比,研製歷程,特性參數,光纖波長,套用情況,

簡介

"單模光纖" 在學術文獻中的解釋:一般v小於2.405時,光纖中就只有一個波峰通過,故稱為單模光纖,它的芯子很細,約為8一10微米,模式色散很小.影響光纖傳輸頻寬度的主要因素是各種色散,而以模式色散最為重要,單模光纖的色散小,故能把光以很寬的頻帶傳輸很長距離。

單模光纖具備10 micron的芯直徑,可容許單模光束傳輸,可減除頻寬及振模色散(Modal dispersion)的限制,但由於單模光纖芯徑太小,較難控制光束傳輸,故需要極為昂貴的雷射作為光源體,而單模光纜的主要限制在於材料色散(Material dispersion),單模光纜主要利用雷射才能獲得高頻寬,而由於LED會發放大量不同頻寬的光源,所以材料色散要求非常重要。
圖1  單模光纖圖1 單模光纖
單模光纖相比於多模光纖可支持更長傳輸距離,在100Mbps的乙太網以至1G千兆網,單模光纖都可支持超過5000m的傳輸距離。
從成本角度考慮,由於光端機非常昂貴,故採用單模光纖的成本會比多模光纖電纜的成本高。
單模光纖(SingleModeFiber, SMF)
單模光纖與多模光纖相比較,芯徑細很多,僅為8~10μm。因只傳一個模式,無模間色散,總色散小,頻寬寬。單模光纖使用在1.3~1.6μm的波長區域,通過對光纖折射率分布的適當設計,並選用純度很高的材料製備比纖芯大7倍的包層,可在此波段同時實現最低損耗與最小色散。
單模光纖用於長距離、大容量光纖通信系統,光纖局部區域網和各種光纖感測器中。

分類

652單模光纖
滿足ITU-T.G.652要求的單模光纖,常稱為非色散位移光纖,其零色散位於1.3um視窗低損耗區,工作波長為1310nm(損耗為0.36dB/km)。我國已敷設的光纖光纜絕大多數是這類光纖。隨著光纖光纜工業和半導體雷射技術的成功推進,光纖線路的工作波長可轉移到更低損耗(0.22dB/km)的1550nm光纖視窗。
單模光纖和多模光纖單模光纖和多模光纖
653單模光纖
滿足ITU-T.G.653要求的單模光纖,常稱色散位移光纖(DSF=Dispersion Shifled Fiber),其零色散波長移位到損耗極低的1550nm處。這種光纖在有些國家,特別在日本被推廣使用,我國京九幹線上也有所採納。美國AT&T早期發現DSF的嚴重不足,在1550nm附近低色散區存在有害的四波混頻等光纖非線性效應,阻礙光纖放大器在1550nm視窗的套用。但在日本,將色散補償技術*用於G.653單模光纖線路,仍可解決問題,而且未見有日本的G.655光纖,似屬個謎。
655單模光纖
滿足ITU-T.G.655要求的單模光纖,常稱非零色散位移光纖或NZDSF(=NonZero Dispersion Shifted Fiber)。屬於色散位移光纖,不過在1550nm處色散不是零值(按ITU-T.G.655規定,在波長1530-1565nm範圍對應的色散值為0.1-6.0ps/nm*km),用以平衡四波混頻等非線性效應。商品光纖有如AT&T的TrueWave光纖,Corning的SMF-LS光纖(其零色散波長典型值為1567.5nm,零色散典型值為0.07ps/nm2*km)以及Corning的LEAF光纖。我國的"大寶實"光纖等。
單模光纖單模光纖

主要區別

這些都是ITU給光纖規定的標準種類:
G.651是多模光纖。
G.652是常規單模光纖,零色散點在1300nm,此點色散最小;同時根據PMD又分為G. 652A、B、C、D四種。
G. 653是色散位移光纖(DSF),以1550nm為零色散點,原理是通過波導色散進行色散平移,使低損耗與零色散在同一工作波長上。但同時零色散不利於多信道WDM傳輸,因為當復用的信道數較多時,信道間距較小,這時就會產生一種稱為四波混頻(FWM)的非線性光學效應,這種效應使兩個或三個傳輸波長混合,產生新的、有害的頻率分量,導致信道間發生串擾。如果光纖線路的色散為零,FWM的干擾就會十分嚴重;如果有微量色散,FWM干擾反而會減小,針對這一現像,科學家們研製了一種新型光纖,NZ-DSF。
G. 654光纖是超低損耗光纖,主要用於跨洋光纜,其纖芯是純二氧化矽,而普通的光纖纖芯要摻鍺。在1550nm附近的損耗最小,僅為0.185dB/km,但在此區域色散比較大,約17~20 ps/〔nm*km〕,在1300nm波長區域色散則為零。
G. 655光纖是非零色散位移光纖(NZ-DSF),分655A、B、C,主要特點是1550nm的色散接近零,但不是零。是一種改進的色散位移光纖,以抑制四波混頻。
G. 656光纖是未來導向光纖,G656的工作波長明顯增大,包括S,C和L波段(1460到1625nm)。
G.657光纖,國際電信聯盟ITU-T於2006年12月發布了《接入網用彎曲損耗不敏感單模光纖和光纜的特性》的標準建議,即G.657光纖標準。G.657光纖劃分成了A大類和B大類光纖,同時按照最小可彎曲半徑的原則,將彎曲等級分為1,2,3三個等級,其中1對應10mm最小彎曲半徑,2對應7.5mm最小彎曲半徑,3對應5mm最小彎曲半徑。結合這兩個原則,將G.657光纖分為了四個子類,G.657.A1、G.657.A2、G.657.B2和G.657.B3。
區別
1、 單模傳輸距離遠
2、 多模傳輸頻寬大
3、 單模不會發生色散,質量可靠
4、 單模通常使用雷射作為光源,貴,而多模通常用便宜的LED
5、 單模價格比較高
6、 多模價格便宜,近距離傳輸可以

參數對比

技術參數
G.655
G.652
工作波長(nm)
1530-1565
1310
1550
衰減(dB/km)
≤0.22
≤0.36
≤0.22
零色散波長(nm)
1300-1324
零色散斜率(ps/nm2*km)
0.045-0.1
0.093
色散(ps/nm*
km)
1≤|D|≤6
3.5
18
色散範圍(nm)
1530-1565
1288-1339
1550
偏振模色散(ps/√km)
單盤:≤0.125 鏈路(≥20盤光纜):≤0.10
單盤:≤0.20 鏈路(≥20盤光纜):≤0.15
光有效面積(m2)
55-85
80
模場直徑(m)
8.0 ~ 11.0
8.8 ~ 9.5
10.5
彎曲特性(dB)
1.0
0.5
0.5
從表中參數可以看出,兩種光纖的衰減係數並沒有太大差異,G.652 光纖的色散係數在1550nm 波長為18ps/nm*km,當傳輸10Gb/s 的TDM 和WDM 系統時,為了增加中繼距離,需要介入具有負色散係數的光纖進行色散補償。G.655 光纖1530-1560nm 波長區色散通常為1.0-6ps/nm*km,傳輸相同的10Gb/s 系統時,因色散很低,勿需採取色散補償措施;但G.655 光纖因在1550nm 處色散較小,其非線性效應比G.652 光纖大;G.652與G.655 光纖的PMD 建議指標相同,實際測試時,G.655 光纖 PMD 指標小於G.652光纖。目前G.655 光纖的價格較高,其市場價格約為G.652光纖的1 倍。兩種光纖的工程套用列於下表。
採用光纖類型
傳輸2.5Gb/s TDM 和WDM 系統
傳輸10Gb/s TDM 和WDM 系統
G.652
滿足
滿足, 但需採取色散補償措施
G.655
滿足
滿足
表中比較表明,對於傳輸2.5Gb/s 的TDM 和WDM 系統,兩種光纖均能滿足。對於傳輸10Gb/s 的TDM 和WDM 系統時,G.652 光纖需採取色散補償措施,並需要對已敷設的光纜進行PMD 測試,在滿足要求的前提下,才可開通基於10Gb/s 的傳輸系統。G.655 光纖不需頻繁採取色散補償措施,但光纖價格偏高。

研製歷程

1980年,國際上,包括中國學者都在討論單模光纖與多模光纖到底哪種更好時,上海科技大學黃宏嘉院士認識到長波長單模光纖具有損耗低、色散小等優點,是遠距離大容量通信系統的理想介質。以黃宏嘉院士為首的研究小組於1979年提出開展單模光纖研究的建議。該建議得到了上海市科委的支持,並將“單模光纖研究”列為上海市重點科研項目。 至1982年5月進行了研究工作的第二階段。以上海科大與上海石英玻璃廠協作,得到了電子23所的支持和合作。於1982年5月由上海市科委主持了由中國9個單位24名專家參加的鑑定工作。鑑定委員會認為,“此次單模光纖科研工作是基礎性和開拓性的,不僅填補了中國在這個重要研究領域的空白,而且是以較快的速度趕上國際水平。”
單模光纖單模光纖

特性參數

①衰耗係數a:其規定與物理含義與多模光纖完全相同,在此不多敘述。 ②色散係數D(λ):我們已經知道,光纖的色散可以分為三大部分即模式色散、材料色散與波導色散。而對於單模光纖而言,由於實現了單模傳輸所以不存在模式色散的問題,故其色散主要表現為材料色散波導色散(統稱模內色散)。綜合考慮單模光纖的材料色散與波導色散,統稱色散係數。色散係數可以這樣理解:每公里的光纖由於單位譜寬所引起的脈衝展寬值。因此,L公里光纖由色散引起的脈衝展寬值為:σ=δλ·D(λ)·L(2.17)其中:δλ為光源譜寬σ為根均方展寬值色散係數越小越好。光纖的色散係數越小,就意味著其頻寬係數越大即傳輸容量越大。例如CCITT建議在波長1.31微米處單模光纖的色散係數應小於3.5ps/km.nm。經過計算,其頻寬係數在25000MHz·km以上,是多模光纖的60多倍(多模光纖的頻寬係數一般在1000MHz·km以下)。
③模場直徑d:模場直徑表征單模光纖集中光能量的程度。由於單模光纖中只有基模在進行傳輸,因此粗略地講,模場直徑就是在單模光纖的接收端面上基模光斑的直徑(實際上基模光
斑並沒有明顯的邊界)。可以極其粗略地認為(很不嚴格的說法),模場直徑d和單模光纖的纖芯直徑相近。 ④截止波長λc:我們知道,當光纖的歸一化頻率V小於其歸一化截止頻率Vc時,才能實現單模傳輸,即在光纖中僅有基模在傳輸,其餘的高次模全部截止。也就是說,除了光纖的參量如纖芯半徑,數值孔徑必須滿足一定條件外,要實現單模傳輸還必須使光波波長大於某個數值,即λ≥λc,這個數值就叫做單模光纖的截止波長。因此,截止波長λc的含義是,能使光纖實現單模傳輸的最小工作光波波長。也就是說,儘管其它條件皆滿足,但如果光波波長不大於單模光纖的截止波長,仍不可能實現單模傳輸。
單模光纖單模光纖
5、回損---ReturnLoss:反射損耗又稱為回波損耗,它是指出光端,後向反射光相對輸入光的比率的分貝數,回波損耗愈大愈好,以減少反射光對光源和系統的影響。
單模傳輸設備所採用的光器件是LD,通常按波長可分為1310nm和1550nm兩個波長,按輸出功率可分為普通LD、高功率LD、DFB-LD(分布反饋光器件)。單模光纖傳輸所用的光纖最普遍的是G.652,其線徑為9微米。

光纖波長

1310nm波長的光在G.652光纖上傳輸時,決定其傳輸距離限制的是衰減因數;因為在1310nm波長下,光纖的材料色散與結構色散相互抵消總的色散為0,在1310nm波長上有微小振幅的光信號能夠實現寬頻帶傳輸。
1550nm波長的光在G.652光纖上傳輸時衰減因數很小,單純從衰減因數考慮,1550nm波長的光在相同的光功率下傳輸的距離大於1310nm波長的光下的傳輸的距離,但是實際情況並非如此,單模光纖頻寬B與色散因數D的關係為:B=132.5/(Dl*D*L)GHz
其中L為光纖的長度,Dl為譜線寬度,對於1550nm波長的光,其色散因數如表3為20ps/(nm.km),假設其光譜寬度等於1nm,傳輸距離為L=50公里,則有:B=132.5/(D*L)GHz=132.5MHz

套用情況

簡介
由於現在的光纖多採用塑膠做纖芯。成本已經很低了。例如市場上出售的四芯單模光纖就只有2~3元/米
而單模/多模光纖收發器的價格也在300~500之間。所以它的套用成本很低。,
過去我們在建設網路時的傳統觀念是區域網路只用雙絞線,只有高速連線網際網路時才用到光纖,有些企業或是廠礦區域網路的範圍很大,而且對網路穩定性要求更高,在這裡我們就建議使用光纖了,使用光纖的成本不比使用達標的超五類雙絞線高多少。而且不必擔心雷擊,不用考慮區域網路的有效距離,大家可以在以後的工作中參考使用。
相關閱讀:《光纖連網離你不遠,實例講解光纖區域網路套用》
產品選用指南
單模光纖的芯線標稱直徑規格為(8~10)μm/125μm。規格(芯數)有2、4、6、8、12、16、20、24、36、48、60、72、84、96芯等。線纜外護層材料有普通型;普通阻燃性;低煙無鹵型;低煙無鹵阻燃型。
當用戶對系統有保密要求,不允許信號往外發射時,或系統發射指標不能滿足規定時,應採用禁止銅芯對絞電纜和禁止配線設備,或採用光纜系統。
施工、安裝要點
由於光纖的纖芯是石英玻璃的,極易弄斷,因此在施工彎曲時,決不允許超過最小的彎曲半徑。其次,光纖的抗拉強度比電纜小,因此在操作光纜時,不允許超過各種類型光纜抗拉強度。在光纜敷設好以後,在設備間和樓層配線間將光纜捆接在一起,然後才進行光纖連線。可以利用光纖端接裝置(OUT)、光纖耦合器、光纖連線器面板來建立模組化的連線。當敷設光纜工作完成,以及在應有的位置上建立互連模組以後,就可以將光纖連線器加到光纖末端上,並建立光纖連線。
其他參見《建築與建築群綜合布線系統工程驗收規範》GB/T 50312-2000和《建築及建築群綜合布線系統工程施工及驗收規範》CECS 89:97中要求。

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