常用通信光纤及其特点分析

按照基础的传输模式分类，常用通信光纤可以分为单模光纤和多模光纤。最早（1970年）研制的可用于通信的衰减小于20dB／km的光纤即为多模光纤。

多模光纤由于衰减大，带宽小，一般用于短距离传输，以及带宽小于几百Mb／s的局域网和设备内部。近年，由于多模光纤在接续、光源和使用能耗方面具有明显的成本优势，在局域网，特别是数据中心等短距离传输方面得到了重视。在原有的A1a（OM1）和A1b（OM2）基础上，研制出了多种新型多模光纤，如OM3，OM4，OM5以及更新型的弯曲不敏感多模光纤，可适用于100G和400G网络通信。

与多模光纤相比，单模光纤的衰减非常小，并且基本上解决了带宽受制于模间色散的问题。科学家们根据技术的发展和传输性能的需要，从早期的并已使用多年的G.652光纤逐步研发出色散位移光纤（G.653）、截止波长位移光纤（G.654）、非零色散位移光纤（G.655）和低斜率非零色散位移光纤（G.656）等。为满足光纤用户对性能的要求，又开发了弯曲衰减不敏感光纤（G.657）。光纤家族成员逐步增加，但在通信网络中担纲主力的仍然是G.652光纤。

常用的石英光纤种类，见表1.2.1。

表1.2.1　光纤的种类

下面就分别对常用的一些光纤进行介绍。

1.2.1.1　单模光纤

1）G.652光纤

在光纤技术发展过程中，由于光纤部分性能的优化和提高，G.652光纤被细分为四小类，即G.652A，G.652B，G.652C，G.652D。G.652A／B称为常规单模光纤，G.652C／D光纤称为低水峰光纤或全波光纤。这四小类光纤之间的主要差异是宏弯损耗、衰减系数和未成缆光纤链路最大偏振模散系数（PMDQ）有关，见表1.2.2。

表1.2.2　G.652光纤四个子类的主要差异

注：1383±3nm波长衰减最大值为按照IEC60793－2－50中规定的氢老化试验方法，对C／D光纤抽检的样品经过氢气老化实验后的衰减平均值，应不大于1310～1625nm规定的衰减系数最大值

G.652光纤零色散波长为1310nm，而在1550nm处衰减最小，但有较大的正色散（约＋18ps／nm·km），如图1.2.1所示。工作波长既可选用1310nm，也可选用1550nm，它是目前应用最为广泛的单模光纤。

图1.2.1　几种光纤的色散曲线

G.652A和G.652B光纤由于存在1380nm附近的吸收峰（图1.1.28），现在已经很少使用。20世纪90年代通信系统以10Gbit／s为主的线路，这两种光纤占主力。

G.652C光纤是对G.652A光纤的改进，消除了水峰，使系统可以工作在1360～1530nm波段。G.652D光纤的属性与G.652B基本相同，而衰减系数与G.652C光纤相同，并打通了1300～1600nm窗口，可使系统工作在1360～1600nm波段。G.652D光纤结构上与普通G.652光纤没有区别，也是所有G.652光纤中整体指标最优的。

2）G.653光纤

G.653光纤又称为色散位移光纤（Dispersion Shifted Fiber，DSF），其最小零色散点从1310nm位移到1550nm处，使低损耗与零色散在同一工作波长上（图1.2.1），该措施主要是为了降低光纤在C波段的色散以减少色散补偿的代价。但是零色散不利于多信道波分复用（WDM）传输，因为当复用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生四波混频（FWM）的非线性光学效应，导致信道间发生串扰，同时也阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用。针对这一现象，人们研制了一种新型光纤，即非零色散位移光纤（NZ－DSF），也就是G.655光纤。G.653光纤早已经停止使用，取而代之的是G.655光纤。

3）G.654光纤

G.654光纤又称截止波长位移光纤或1550nm波长最低衰减光纤，但现在很少称截止波长位移光纤，特别是G.654E推出的适合长距离低衰减传输应用后，人们基本上忽略了截止波长位移的概念。它以在G.652基础上将截止波长向长波长方向位移，并努力降低光纤的衰减。零色散点仍然在1310nm波长区，以适应G.652光纤在1550nm窗口的应用（图1.2.1）。此光纤在1550nm附近的损耗最小，通常低于0.185dB／km，但在此区域色散比较大，为17～20ps／（nm·km），而在1300nm波长区域色散为零。

从光纤折射率设计方面考虑，普通的光纤纤芯掺锗，而G.654光纤则多是纯SiO2纤芯，并采取包层折射率下陷的方式。制造下陷包层是通过石英材料中掺氟材料，用于防止由于光纤模场直径（MFD）增大带来的弯曲性能的恶化。下陷包层的掺杂浓度和宽度对弯曲性能的改进有明显的效果，一般来说，在光纤的折射率剖面上，下陷包层的体积越大，光纤的抗弯曲性能越好。在大模场直径的光纤剖面设计里也有引入下陷包层的结构设计以阻止其弯曲性能的恶化。

以前这种光纤在国内实际使用量非常少，主要应用于海缆或地面长距离传输，比如400km无转发器的线路，但现在很多的电信运营商将其作为长途干线光缆使用（表1.2.3）。

表1.2.3　2016版ITU－T大有效面积G.654光纤各子类光纤参数

4）G.655光纤

G.655光纤，常称为非零色散位移光纤（Non Zero Dispersion Shifted Fiber，NZDSF），其零色散不在EDFA波长窗口1530～1565nm，而是在1525nm或1585nm处，在1530～1565nm内对应的色散值为0.1～6.0ps／（nm·km），如图1.2.1所示。非零色散位移光纤实质上是一种改进的色散位移光纤，削减了色散效应和四波混频效应，而G.652标准光纤和G.653色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种。G.655非零色散位移光纤实现了色散不为零，损耗小，适合密集波分复用（DWDM）。其特定的最小色散保证该色散足以抑制FWM非线性，特定的最大色散，又允许单信道速率为2.5Gbit／s的信号传输距离大于1000km和以10Gbit／s速率传输信号的距离大于300km而无须进行色散补偿。G.655光纤并没有解决色散问题，高速长距离的传输中仍然需要色散补偿。

根据色散特性的不同，G.655类光纤可分为A，B，C，D，E五个子类。其中比较有代表性的是A类和B类。A类和B类区别在于G.655.A类光纤用于单通道放大系统和通道间隔不小于200GHz（≈1.6nm）的波分复用系统，G.655.B类光纤用于通道间隔不大于100GHz（≈0.8nm）的密集波分复用系统。

5）G.656光纤

满足ITU－T.G.656要求的单模光纤，常称为宽带光传送的非零色散位移光纤（Wideband Non Zero Dispersion Shifted Fiber），其零色散波长位于1320～1380nm区域（图1.2.1）。G.656光纤本质上仍属于非零色散位移光纤。其与G.655光纤的不同点在于：

（1）G.656光纤具有更宽的工作带宽。G.655光纤工作在1530～1625nm（C＋L波段），而G.656光纤工作在1460～1624nm（S＋C＋L波段），将来还可以拓宽，甚至超出1460～1624nm，可以充分发挥石英玻璃的巨大带宽潜力。

（2）色散斜率更小，能够显著降低DWDM系统色散补偿成本。G.656光纤是色散斜率平坦，工作波长覆盖S＋C＋L波段的宽带光传输的非零的正色散位移光纤，能有效抑制密集波分复用系统的非线性效应。

（3）G.656光纤的PMDQ为0.1ps／km1／2，使得G.656光纤在N×10Gbit／s系统传输4000km以上，或者支持N×40Gbit／s系统传输400km以上的应用。G.656光纤特别适合作为通道间隔为100GHz，传输速率为40Gbit／s，传输距离为400km的DWDM系统或CWDM系统的光传输介质。

它与G.652光纤比较，能支持更小的色散系数；与G.655光纤比较，能支持更宽的工作波长。三者的主要差别在于它们的色散特性，图1.2.2为G.652，G.655，G.656三种光纤的色散特性比较。

6）G.657光纤

G.657光纤也称为弯曲不敏感光纤。在光纤向最终用户端延伸过程中，由于环境复杂，线路弯折较多，原有的一些光纤抗弯曲性能较差，制约了光纤优势的发挥。为促进抗弯曲单模光纤的发展，2006年首次通过了ITU－T G.657“接入网用弯曲损耗不敏感单模光纤和光缆特性”建议，规范了用于接入网的新型光纤性能指标，其弯曲半径最小可达5～10mm。G.657.A与G.652完全兼容，B类与G.652不兼容。G.657光纤主要参数见表1.2.4。

图1.2.2　G.652，G.655，G.656光纤的色散特性曲线

表1.2.4　ITU－T G.657光纤主要参数(www.xing528.com)

面对以上如此众多的单模光纤，而且大多在正常使用，用户选择光纤，参考以下建议。

（1）G.652光纤，作为标准单模光纤，也是最常用的光纤，它有四小类（A，B，C，D）。A和B类型光纤有水峰，C和D型光纤消除了水峰。因为G.652.A和G.652.B光纤在1310nm附近存在零色散波长，因此它们在1310nm的波段可实现最优化操作。当然它们也可以在1550nm的波段运作，但由于该波段会发生高度色散，所以它们在1550nm的波段不能实现最优化操作。ITU－T G.652光纤通常用于局域网、城域网和接入网系统。后来的G.652.C和G.652.D有较低的水峰，可以用于1310nm至1550nm的波段，支持粗波分复用（CWDM）传输系统。但是，随着技术的进步，G.652.D光纤性能进一步完善，G.652.A和G.652.C已基本退出了市场。

（2）G.653光纤零色散波长位移到1550nm波段处，与光纤中的最低损耗一致。G.653纤芯相对较小，非常适用于基于掺铒光纤放大器（EDFA）的远程单模传输系统。但是，其纤芯发射的大功率激光束相对集中，光强度高，这会造成非线性效应。其中最令人困扰的莫过于在零色散的密集波分复用（DWDM）系统中的四波混频（FWM），容易导致信道间的串扰和干扰。G.653因在波分复用（WDM）中的应用存在缺陷，目前已被G.655取代。然而，在单信道、长距离高速光纤通信系统直接开通20Gbit／s，可不需要采取任何色散补偿措施。

（3）G.654光纤纤芯较大，在1550nm波段进行低损耗的远距离数据传送。在1550nm波段会产生较大色散；但在1310nm波段，该光纤不能运作；在1500nm到1600nm波段，可以传输更大功率的激光束，用于长距离传输，如海底远程数据的传送。

（4）G.655光纤在光放大器运行最佳的C波段（1530～1565nm）会产生少量且可控的色散。该光纤解决了四波混频（FWM）的问题，同时也避免了将零色散波长移动至1550nm操作窗口之外的波段时所产生的其他非线性效应。

（5）G.656光纤用于本地接入以及远程传输，在1460nm和1625nm都能运作良好。该光纤在特定波长范围内可支持基于粗波分复用（CWDM）和密集波分复用（DWDM）系统的远程数据传送。

（6）G.657光纤与G.652光纤性能接近。G.657.A光纤的模场直径与标准G.652光纤一致，可以与G.652光纤通用，并拥有低的连接损耗（熔接损耗和插损）。G.657光纤拥有更优的抗弯曲能力，还非常适用于光纤到户。

1.2.1.2　多模光纤

在单模光纤研发之前，康宁公司在1976年首先开发出50／125μm渐变折射率多模光纤，直到1983年，贝尔实验室开发了62.5／125μm渐变折射率多模光纤，它们也是目前使用量比较大的两种多模光纤。这两种光纤的纤芯直径不同，传输特性也很不相同。为便于区分，美国通信工业协会TIA引用ISO／IEC11801命名，将多模光纤分为OM1，OM2，OM3三类标准等级。OM是多模光纤（Optical Multi－Mode）的简称。其中OM1是指传统的62.5／125μm多模光纤；OM2是指传统的50／125μm多模光纤，IEC命名为A1a.1；OM3则是在OM2基础上发展起来的一种新型万兆位多模光纤，芯径为50／125μm，型号为A1a.2。随着光纤宽带技术的发展和多模光纤技术研发的进步，2009年8月TIA定义了新一代OM4多模光纤，型号为A1a.3，2017年又确定了OM5多模光纤，命名为A1a.4。

下面简单介绍这几类多模光纤。

（1）62.5／125μm渐变折射率多模光纤（OM1）

常用的62.5／125μm渐变折射率多模光纤是指IEC60793－2光纤产品规范中的A1b类型，它比50／125μm渐变折射率多模光纤诞生晚。由于62.5／125μm光纤的芯径和数值孔径较大，具有较强的集光能力和抗弯曲特性，早期网络速率较低，对光纤带宽的要求不高，因而使这种光纤获得了最广泛的应用，也成为大多数国家中数据通信光纤市场中的主流产品。OM1／OM2多模光纤具体尺寸参数见表1.2.5。

通常62.5／125μm渐变折射率多模光纤的带宽为200～400MHz·km，在1Gbs的速率下，850nm波长可传输300m，在1300nm波长可传输550m。OM1／OM2多模光纤主要传输特性见表1.2.6。

（2）50／125μm渐变折射率多模光纤（OM2）

普通的50／125μm渐变折射率多模光纤是指IEC60793－2光纤产品规范中的Ala类型。与激光二极管（Laser Diode，LD）光源相比，发光二极管（Light Emitting Diode，LED）光源价格低廉，大大降低了局域网的系统成本，所以得到了普遍采用。但由于LED输出功率低，发散角比LD大很多，导致连接器损耗大，而50／125μm多模光纤的芯径和数值孔径比62.5／125μm光纤小，不利于与LED的高效耦合，因此50／125μm光纤在20世纪90年代以前没有得到广泛的应用，主要在日本和德国使用较多。但50／125μm光纤中传输模的数目大约是62.5／125μm光纤传输模的40%，制作成本比OM1降低了1／3，可有效降低多模光纤的模色散，使得带宽得以显著增加。

OM1和OM2两种光纤芯径不同，带宽与光源的耦合效率影响了其应用范围。较高的带宽能够传送较高的速率或支持较长的距离。在850nm波长，50／125μm多模光纤的带宽（50MHz·km）是62.5／125μm多模光纤带宽（200MHz·km）的两倍多。然而50μm芯径减小了基于LED光源的耦合输入光功率，从而减小了链路中允许的接头数和减少了受功率限制支持的距离。对于850nm波长千兆位以太网，62.5／125μm多模光纤能支持的链路长度为220m，50／125μm多模光纤能支持的链路长度为550m。两种光纤在300m的长度内都能提供足够的带宽。

随着砷化镓半导体材料的垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Lasers，VCSELs）的研发使用，50／125μm多模光纤在850nm窗口具有较高的带宽和较长距离的传输，适合于千兆位以太网和高速率的协议。

表1.2.5　IEC　63792－2－10：2015OM1／OM2　多模光纤几何尺寸要求

表1.2.6　OM1／OM2　多模光纤主要传输特性

（3）OM3

传统的OM1和OM2多模光纤在标准上和设计上均以LED方式为基础，随着网络速率和规模的提高，调制速率达到GB／s的短波长VCSELs激光光源成为高速网络的光源之一。为了满足10Gb／s传输速率的需要，设计出了新的OM3光纤。OM3多模光纤在850nm窗口的满注入带宽高于1500MHz·km，1300nm窗口的满注入带宽高于500 MHz·km，使用850nm VCSELs光源可适应10Gbps需求，最大链路值可达300m，同时在850nm及1300nm可全面支持1Gbps以太网，可承载视频信号、音频信号和数据多种业务。

（4）OM4光纤

2009年8月美国通信工业协会（TIA）确定的OM4实际是OM3的升级版，是一种激光优化型的50／125μm的多模光纤。目前的OM4标准与OM3光纤相比，只是在光纤带宽指标做了提升，即OM4标准在850nm波长的有效模式带宽（MB）和满注入带宽（OFL）相比OM3光纤做了提高。在850nm窗口满注入带宽高于3500MHz·km，850nm窗口有效带宽高于4700MHz·km，1300nm窗口的满注入带宽高于500MHz·km，最大链路可达550m。

（5）OM5光纤

OM5多模光纤在2017年被ISO和TIA列为标准光纤，支持波分复用（DWM），它与OM3和OM4光缆完全兼容并可互操作。OM5的设计旨在支持850～953nm内的至少四个波长，将平行光纤数量减少至少4倍，能使用仅仅2芯光纤（而不是8芯）来持续传输40Gb／s和10Gb／s，减少光纤数量，实现更高速度（表1.2.7）。

表1.2.7　多模光纤以太网应用的最小距离

注：FDDI——光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface）

（6）弯曲不敏感多模光纤（Bend Insensitive Multimode Fibre，BIMMF）

自2009年弯曲不敏感多模光纤进入光纤市场以来，受到了高性能企业局域网和数据中心的青睐，包括光纤到户。因为光纤安装时不得不面临光纤弯曲的问题，而且光纤弯曲在数据中心的高密度光纤配线区域是一个大问题。这种光纤可以在弯曲半径很小甚至打结的状态下保证光信号的正常传输，而不至于产生巨大损耗，在很多情况下，使用弯曲不敏感多模光纤甚至不会产生附加损耗。

为了获得低的宏弯损耗，弯曲不敏感多模光纤的纤芯和包层之间设计有一种特殊的光学“沟槽”——下陷包层，这种下陷包层的“沟槽”折射率剖面设计能在光纤小弯曲半径的情况下容纳纤芯内部的传播模，保留因弯曲而泄漏到纤芯外部的光信号，如图1.2.3所示。其设计原理与弯曲不敏感单模光纤（G.657）的方法如出一辙。图1.2.3（a）为传统标准多模光纤，图1.2.3（b）为下陷包层设计的弯曲不敏感多模光纤。

弯曲不敏感多模光纤与传统多模光纤的纤芯直径和数值孔径略有不同，二者的模场分布也存在差异，因此这两种光纤的匹配度降低了。熔接在一起，将会导致接续损耗的增加，如果不加以改进，二者之间的相容性自然较差。从目前大多数光纤生产商提供的数据来看，改进的弯曲不敏感多模光纤基本可以和OM2、OM3和OM4标准的激光优化多模光纤兼容，克服了接续衰减增大的问题。表1.2.8列出了OM2，OM3，OM4光纤宏弯要求特性。

图1.2.3　传统多模光纤与弯曲不敏感多模光纤剖面折射率比较

表1.2.8　OM2，OM3，OM4光纤宏弯要求特性