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光纤与光缆的截止波长
一、概述
单模光纤,顾名思义,应当只能传输一种模式(基模LP01)的光,以便尽可能的为通信系统提供最大带宽。但这种行为取决于窗口的工作波长以及光纤的性能参数,如光纤的芯径以及芯、包层间的折射率的差值Δ。
截止波长指的是,单模光纤通常存在某一波长,当所传输的光波长超过该波长时,光纤只能传播一种模式(基模)的光,而在该波长之下,光纤可传播多种模式(包含高阶模)的光。
理论分析表明,光纤中能够传播的模式数是有限的,只有满足全反射和相位一致条件的模式才能在光纤中传播,而其它模式则被截止。
实现单模传输条件是：归一化频率V小于其归一化截止频率Vc(V≤Vc)。
α- 折射率分布指数
对阶跃型多模光纤:α→∞,Vc =2.405
抛物型光纤:α=2,Vc =3.533
三角形折射率分布:α=1,Vc =4.379
对应的截止波长λc为：
n1- 芯折射率指数
a - 芯径
Δ-相对折射率
理论截止波长对通信网络的设计,用途不大,因而国际标准化组织ITU、IEC和EIA都定义了实际截止波长的测定方法,给出了光纤截止波长λc与光缆截止波长λcc的国际标准。
光纤截止波长一般由光纤制造商测定。光缆截止波长与光纤截止波长有很强的关联性,另外还与光纤及光缆的类型,长度以及附加环有关。光缆截止波长实质上要比光纤截止波长低,对系统设计者而言,光缆截止波长更为有用。为避免模式噪音问题,光缆截止波长应低1250nm,这也是多数系统的最小工作波长。
二、截止波长的国际标准
根据ITU的推荐G.650, 截止波长可定义为：
当光波长大于该波长时,高阶模全功率PLP11与基模全功率PLP01间的比率将降至0.1 dB以下。
在此定义中,第一高阶模LP11,在截止波长处将衰耗掉19.3dB。
依据此定义,还分别给出了光纤截止波长λc与光缆截止波长λcc的测试样品的采集标准光纤截止波长λc 的测试样品：
一段2米长,未成缆光纤,中间绕一半径为140 mm的圆环。
光缆截止波长λcc的测试样品：
A)取一段长22米的光缆,其中两端各包1米长的未成缆光纤,为了模拟接头盒的效果,两端各绕制一个半径为40 mm的圆环。
由于一般的光纤生产厂没有成缆的光纤,因而ITU,IEC和EIA提出另一种,可供光纤生产厂的测试样品的采集标准：
B)一段长22米的未成缆光纤,将中间20米绕制成半径≥140 mm的若干个圆环,两端仍然各含一个半径为40mm的圆环。
Bellcore文件GR-20提出了一种简便的测试样品的采集标准:
C)一段两米长的光纤,其中绕制两个半径40 mm的圆环。
但是,这种测试方法仅对MCSM单模光纤,才能给出等值的结果。
三、测试结果的比较
文献中对两种未成缆MCSM光纤的光缆截止波长的测试方法进行了比较[测试样品的采集标准(B)和(C)]。测试样品选择了一些截止波长超过标准的光纤,以便发现最佳的映射图形。图1,给出了两个测试标准所得到的光纤与光缆截止波长的对应结果。
由两种未成缆光纤测试标准给出的结果所拟合的曲线非常吻合(22米未成缆光纤及Bellcore 2米未成缆光纤)。这说明光纤样品的长度对光缆截止波长的测量结果,没有多大影响,至少对MCSM光纤是这样的。
即使光纤的截止λc达到1330nm,但光缆截止波长仍然低于1250nm。在这些测试标准中,截止波长大约漂移100nm；大多数漂移是由于两种测试方法所定义的不同的弯曲所引起的(光纤是一个半径140mm的圆环,光缆的是二个40mm的圆环)。
我们对市场上G.655光纤的进行取样测试,也可发现同样的的变化趋势,光纤在成缆前后其截止波长有较大幅度的降低,只是G.655光纤,在成缆前后其截止波长降低幅度要大于G.652光纤,一般其漂移量都达到150nm以上,这就是说对G.655光纤而言,其光纤的截止波长达到1600nm,其光缆截止波长也可满足要求。
由于长飞公司是中国最大的光纤与光缆的生产企业,具有齐全的光纤与光缆的检测手段；故光纤的截止波长是采用ITU推荐的G.650标准进行测试的,光缆的截止波长的测试是采用方法A。
四、截止波长的工艺控制
由截止波长的理论方程可知,光纤的截止波长与光纤的芯径的大小,相对折射率的高低及归一化频率有关,而归一化频率又与光纤的剖面结构有关。故光纤的截止波长的控制对不同类型的光纤具有不同的要求,对不同的制造工艺会采取不同的方法；具体而言,芯径越大,相对折射率越高则截止波长越高。对应力较大的预制棒而言,拉丝的张力对截止波长有显著的影响,即拉丝张力越大,则截止波长越高。对不同类型的光纤,其截止波长的控制也有很大的不同。比如,对G.652光纤而言,ITU给出的光纤截止波长的控制范围为1150 ~ 1330nm,基本可以保证光缆的截止波长应小于1250nm；而G.655光纤的截止波长则未作要求,但光缆的截止波长应小于1480nm。
为何成缆后光纤的截止波长会大副降低呢？其原因如下：当工作波长略小于截止波长时,在光纤系统中有LP01基模LP11高阶模同时出现,但此时,高阶模LP11接近截止区,LP11高阶模的光功率,绝大部分分布在包层中,光场的约束性极差。这样的模场分布其传输性能极不稳定,由于光纤在光缆结构中,光纤不可避免处于弯曲,微弯状态,加上光纤本身由于工艺造成的几何尺寸的偏差,均能使此类经过很短的距离(通常是几米)的传输后,转换为辐射模,而被截止。
而不同类型的光纤,其在成缆后的截止波长降低的幅度也不相同；具体而言,G.655光纤要比G.652的光纤降低的幅度大。这是因为,为了增强光纤的抗弯曲性能,现在商用的G.655在剖面设计时,都采用了W型结构。 外环的作用主要是可增大有效面积并降低弯曲损耗,同时,改变光纤的零色散点。外环将光从中心拉出来可使光具有较大的场分布,增大了有效面积,同时外环将约束光在包层的传播,而防止了光波在包层转变为泄漏模,改善了弯曲性能。由于在外环内传输的光为高阶模LP11,处于未成缆状态时,较稳定,光纤具有较高的截止波长；当成缆后,高阶模LP11不稳定,易被截止,故光缆截止波长降低幅度大。
多年来光纤传送系统的使用实践也表明,当光纤传输系统的工作波长适当小于光纤的截止波长,光纤仍然能工作在单模运行状态。
五、光纤截止波长与光纤的均匀性
光纤的截止波长是沿整个光纤而发生变化的；截止波长变化越小,说明光纤的均匀性越好。而光纤的均匀性,对光缆施工中的接续操作产生影响,由此产生的接头损耗和反射光的增加都会影响通信系统的运行效果。对整个光纤预制棒而言,当完成拉丝后,其光纤截止波长的分布可以反映出该预制棒的均匀性。
单模光纤,顾名思义,应当只能传输一种模式(基模LP01)的光,以便尽可能的为通信系统提供最大带宽。但这种行为取决于窗口的工作波长以及光纤的性能参数,如光纤的芯径以及芯、包层间的折射率的差值Δ。
截止波长指的是,单模光纤通常存在某一波长,当所传输的光波长超过该波长时,光纤只能传播一种模式(基模)的光,而在该波长之下,光纤可传播多种模式(包含高阶模)的光。
理论分析表明,光纤中能够传播的模式数是有限的,只有满足全反射和相位一致条件的模式才能在光纤中传播,而其它模式则被截止。
实现单模传输条件是：归一化频率V小于其归一化截止频率Vc(V≤Vc)。
α- 折射率分布指数
对阶跃型多模光纤:α→∞,Vc =2.405
抛物型光纤:α=2,Vc =3.533
三角形折射率分布:α=1,Vc =4.379
对应的截止波长λc为：
n1- 芯折射率指数
a - 芯径
Δ-相对折射率
理论截止波长对通信网络的设计,用途不大,因而国际标准化组织ITU、IEC和EIA都定义了实际截止波长的测定方法,给出了光纤截止波长λc与光缆截止波长λcc的国际标准。
光纤截止波长一般由光纤制造商测定。光缆截止波长与光纤截止波长有很强的关联性,另外还与光纤及光缆的类型,长度以及附加环有关。光缆截止波长实质上要比光纤截止波长低,对系统设计者而言,光缆截止波长更为有用。为避免模式噪音问题,光缆截止波长应低1250nm,这也是多数系统的最小工作波长。
二、截止波长的国际标准
根据ITU的推荐G.650, 截止波长可定义为：
当光波长大于该波长时,高阶模全功率PLP11与基模全功率PLP01间的比率将降至0.1 dB以下。
在此定义中,第一高阶模LP11,在截止波长处将衰耗掉19.3dB。
依据此定义,还分别给出了光纤截止波长λc与光缆截止波长λcc的测试样品的采集标准光纤截止波长λc 的测试样品：
一段2米长,未成缆光纤,中间绕一半径为140 mm的圆环。
光缆截止波长λcc的测试样品：
A)取一段长22米的光缆,其中两端各包1米长的未成缆光纤,为了模拟接头盒的效果,两端各绕制一个半径为40 mm的圆环。
由于一般的光纤生产厂没有成缆的光纤,因而ITU,IEC和EIA提出另一种,可供光纤生产厂的测试样品的采集标准：
B)一段长22米的未成缆光纤,将中间20米绕制成半径≥140 mm的若干个圆环,两端仍然各含一个半径为40mm的圆环。
Bellcore文件GR-20提出了一种简便的测试样品的采集标准:
C)一段两米长的光纤,其中绕制两个半径40 mm的圆环。
但是,这种测试方法仅对MCSM单模光纤,才能给出等值的结果。
三、测试结果的比较
文献中对两种未成缆MCSM光纤的光缆截止波长的测试方法进行了比较[测试样品的采集标准(B)和(C)]。测试样品选择了一些截止波长超过标准的光纤,以便发现最佳的映射图形。图1,给出了两个测试标准所得到的光纤与光缆截止波长的对应结果。
由两种未成缆光纤测试标准给出的结果所拟合的曲线非常吻合(22米未成缆光纤及Bellcore 2米未成缆光纤)。这说明光纤样品的长度对光缆截止波长的测量结果,没有多大影响,至少对MCSM光纤是这样的。
即使光纤的截止λc达到1330nm,但光缆截止波长仍然低于1250nm。在这些测试标准中,截止波长大约漂移100nm；大多数漂移是由于两种测试方法所定义的不同的弯曲所引起的(光纤是一个半径140mm的圆环,光缆的是二个40mm的圆环)。
我们对市场上G.655光纤的进行取样测试,也可发现同样的的变化趋势,光纤在成缆前后其截止波长有较大幅度的降低,只是G.655光纤,在成缆前后其截止波长降低幅度要大于G.652光纤,一般其漂移量都达到150nm以上,这就是说对G.655光纤而言,其光纤的截止波长达到1600nm,其光缆截止波长也可满足要求。
由于长飞公司是中国最大的光纤与光缆的生产企业,具有齐全的光纤与光缆的检测手段；故光纤的截止波长是采用ITU推荐的G.650标准进行测试的,光缆的截止波长的测试是采用方法A。
四、截止波长的工艺控制
由截止波长的理论方程可知,光纤的截止波长与光纤的芯径的大小,相对折射率的高低及归一化频率有关,而归一化频率又与光纤的剖面结构有关。故光纤的截止波长的控制对不同类型的光纤具有不同的要求,对不同的制造工艺会采取不同的方法；具体而言,芯径越大,相对折射率越高则截止波长越高。对应力较大的预制棒而言,拉丝的张力对截止波长有显著的影响,即拉丝张力越大,则截止波长越高。对不同类型的光纤,其截止波长的控制也有很大的不同。比如,对G.652光纤而言,ITU给出的光纤截止波长的控制范围为1150 ~ 1330nm,基本可以保证光缆的截止波长应小于1250nm；而G.655光纤的截止波长则未作要求,但光缆的截止波长应小于1480nm。
为何成缆后光纤的截止波长会大副降低呢？其原因如下：当工作波长略小于截止波长时,在光纤系统中有LP01基模LP11高阶模同时出现,但此时,高阶模LP11接近截止区,LP11高阶模的光功率,绝大部分分布在包层中,光场的约束性极差。这样的模场分布其传输性能极不稳定,由于光纤在光缆结构中,光纤不可避免处于弯曲,微弯状态,加上光纤本身由于工艺造成的几何尺寸的偏差,均能使此类经过很短的距离(通常是几米)的传输后,转换为辐射模,而被截止。
而不同类型的光纤,其在成缆后的截止波长降低的幅度也不相同；具体而言,G.655光纤要比G.652的光纤降低的幅度大。这是因为,为了增强光纤的抗弯曲性能,现在商用的G.655在剖面设计时,都采用了W型结构。 外环的作用主要是可增大有效面积并降低弯曲损耗,同时,改变光纤的零色散点。外环将光从中心拉出来可使光具有较大的场分布,增大了有效面积,同时外环将约束光在包层的传播,而防止了光波在包层转变为泄漏模,改善了弯曲性能。由于在外环内传输的光为高阶模LP11,处于未成缆状态时,较稳定,光纤具有较高的截止波长；当成缆后,高阶模LP11不稳定,易被截止,故光缆截止波长降低幅度大。
多年来光纤传送系统的使用实践也表明,当光纤传输系统的工作波长适当小于光纤的截止波长,光纤仍然能工作在单模运行状态。
五、光纤截止波长与光纤的均匀性
光纤的截止波长是沿整个光纤而发生变化的；截止波长变化越小,说明光纤的均匀性越好。而光纤的均匀性,对光缆施工中的接续操作产生影响,由此产生的接头损耗和反射光的增加都会影响通信系统的运行效果。对整个光纤预制棒而言,当完成拉丝后,其光纤截止波长的分布可以反映出该预制棒的均匀性。
