多模光纤(光纤耦合器)

       根据ITU-T的标准，通信光纤分为：G.651～ G.657共7个大类，这几类光纤有什么区别呢。

       G.651是多模光纤，而从G.652至G.657都是单模光纤。

       光纤由纤芯、包层和涂覆层构成的，如图1所示。包层的直径通常为125us，涂覆层（着色后）的直径一般为250us；但纤芯的直径就不是个固定值了，因为纤芯直径的不同，直接导致了光纤传输性能的巨大变化。

       图1 光纤的结构图

       多模光纤的纤芯直径一般为50um～100um，当纤芯直径变小时，光纤的传输性能明显改善。原来光信号在光纤内的传输有多种模式，如图2所示，当纤芯直径变小时，光信号的传输模式也会变少，各传输模式间的干扰变少。

       图2 渐变型多模光纤中光信号的传输

       当光纤的纤芯直径小到一定值以下时，光信号的传输模式就只剩下了一种，如图3所示，这就成了单模光纤。（图2和图3是老丁头瞎画的，不太严谨）

       图3 单模光纤中光信号的传输

       G.652光纤是应用最广泛的光纤，目前除了光纤到户(FTTH)的入户光缆外，长途、城域使用的光纤几乎全为G.652光纤。

       从光的能量分布来看，单模光纤中的光信号并不仅在纤芯传输，包层中也有光信号。为了描述单模光纤中光能的集中程度，把光纤中光强度降低到轴心处最大光强的1/(e^2)的各点中两点最大距离定义为模场直径，如图4所示。

       图4 模场直径的定义

       显然，模场直径更能体现单模光纤的传输特性，所以，单模光纤干脆不提纤芯直径了。模场直径是单模光纤的一个重要参数,大小随波长增大而增大。

       影响光纤传输距离的最重要因素之一是衰耗，光纤的衰耗系数是和波长相关的。常规单模光纤的衰耗系数见图5。从图中可以看出，光纤在1310nm和1550nm处的衰耗较小，1310nm和1550nm也成了单模光纤最常用的2个波长窗口。

       图5 常规单模光纤的衰耗系数

       在光通信系统的速率进一步提高后，信号的传输开始受光纤色散的影响。色散是指信号（脉冲）的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后产生的信号失真（脉冲展宽）现象，如图6所示。

       图6 光纤的色散

       光纤的色散系数也是和波长有关的，如图7所示。单模光纤在1550nm处的衰耗系数最小，但该波长处的色散系数较大。于是人们就研制出了一种在1550nm处色散系数为0的单模光纤，这种看似完美的光纤就是G.653。

       图7 G.652和G.653光纤的色散系数

       然而，光纤的色散为0却不适合波分(WDM)系统的使用，所以，G.653光纤很快就被淘汰了。

       G.654光纤主要用于海缆通信系统，为适应海缆通信长距离、大容量的需求，G.654光纤主要做了两个方面的改进。

       （1）降低光纤的损耗；从G.652的0.22dB/km降到了0.19dB/km（标准值）。

       （2）增大光纤的模场直径；光纤的模场直径越大，通过光纤横截面的能量密度就越小，从而改善光纤的非线性效应，提升光纤通信系统的信噪比。

       老丁头猜想，增大光纤模场直径最容易的办法就是增加纤芯直径，纤芯直径增加后，光纤的截止波长不就加大了呗。这就不难理解G.654光纤的名称为:截止波长位移光纤了（G.654光纤的截止波长约为1530nm,其他单模光纤一般为1260nm）。当然，纤芯直径也不能增加太多，否则连1550nm的波长范围都不能使用，就成多模光纤了。

       G.653光纤因在1550nm波长处的色散为零，不利用WDM系统的使用，于是就研制了一种在1550nm波长处色散很小但不为0的光纤，这就是G.655光纤。G.655光纤在1550nm波长附近衰耗最小、色散较小且不为0，可以用于WDM系统；所以，G.655光纤在2000年前后的20多年时间内，一直是长途干线的首选。G.655光纤的衰耗系数与色散系数见图8。

       图8 G.655光纤的衰耗系数与色散系数

       但是，这么好的光纤也有面临淘汰的一天。随着色散补偿技术的成熟，G.655光纤居然被G.652光纤取代了。大约从2005年开始，长途干线开始规模使用G.652光纤，目前G.655光纤几乎仅用于原长途线路的维护。

       老丁头认为，G.655光纤被淘汰还有一个重要的原因：

       G.655光纤的模场直径标准是8～11μm（1550nm），不同光纤厂商生产的光纤模场直径可能差距较大，但光纤的型号却没有任何区别，而模场直径差异较大的光纤接续时有较大的衰耗，这就给维护带来了极大的不便；所以，在干线系统中，即使使用G.652光纤需要更大的的色散补偿成本，用户也不愿意选择G.655光纤。

       介绍G.656光纤之前，先回到G.655称霸长途干线的那个年代。

       从衰耗特性来看，G.655光纤从1460nm～1625nm（S+C+L波段）的波长范围都可以用于通信，但由于1530nm波长以下光纤的色散系数太小，不适合波分(WDM)系统的使用，所以G.655光纤的可使用波长范围为1530nm～1525nm（C+L波段）。

       为了使光纤的1460nm～1530nm波长范围（S波段）也能用于通信，设法降低了G.655光纤的色散斜率，这就是成了G.656光纤。G.656光纤的衰耗系数与色散系数见图9。

       图9 G.656光纤的衰耗系数与色散系数

       老丁头认为，由于光纤的非线性效应，长途WDM系统的波道数量不会大量增加，而城域光纤的建设成本较低，增加WDM系统的波道数意义也不大，所以，目前的密集波分（DWDM）主要还是80/160波，光纤的C+L波段足以满足需求。除非高速率系统对波道间隔有较大的要求，否则G.656光纤将永远没有规模使用的哪一天。

       G.657光纤是除G.652外使用量最大的光纤，FTTH入户的比电话线还细的光缆，里面用的就是G.657光纤。

       G.657光纤是一种对弯曲不敏感的光纤，其曲率半径不足G.652光纤的一半。

       通信光纤的每个大类还分了很多子类，如最常用的G.652光纤是G.652D。由于篇幅的关系，本文对每个大类的子类不做介绍。

       作者：一丁一卯