光纤光缆基础知识二十问

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1. 光纤的结构是怎么样的？
2. 光缆的组成
3. 光纤的工作波长？
4. 最小色散波长和最小损耗波长
5. 什么是光纤的色散？
6. 产生光纤衰减的原因是什么？
7. 光纤的带宽与什么有关？
8. 什么是插入损耗？
9. 什么是回波损耗？
10. 光纤的纤芯尺寸是多少？
11. 什么是模场直径MFD
12. 什么是数值孔径NA？
13. 什么是截止波长（Cutoff Wavelength）
14. 什么是零色散波长（Zero Dispersion Wavelength）
15. 什么是色散位移型光纤(DSF)
16. 什么是非零色散型光纤(NZDF)？
17. 光纤如何分类
18. 目前用于传输网建设的光纤主要有哪些？
19. 什么是单模光纤、多模光纤？
20. OS1, OS2, OM1, OM2, OM3, OM4, OM5

1. 光纤的结构是怎么样的？
光纤裸纤一般分为三层：纤芯、包层和涂覆层。

光纤纤芯和包层是由不同折射率的玻璃组成，中心为高折射率玻璃纤芯(掺锗二氧化硅)，中间为低折射率硅玻璃包层(纯二氧化硅)。光以一特定的入射角度射入光纤，在光纤和包层间发生全发射（由于包层的折射率稍低于纤芯），从而可以在光纤中传播。涂覆层的主要作用是保护光纤不受外界的损伤，同时又增加光纤的柔韧性。正如前面所述，纤芯和包层都是玻璃材质，不能弯曲易碎，涂覆层的使用则起到保护并延长光纤寿命的作用。

2. 光缆的组成
光纤由纯石英以特别的工艺拉丝成比头发还细中间有几介质的玻璃管，它的质地脆易断，因此需要外加一层保护层。光纤外层加上塑料保护套管及塑料外皮就成了光缆。

光缆包含光纤，光纤就是光缆内的玻璃纤维，广泛上来说光纤是光缆，都是一种传输介质。但严格意义上讲，两者是不相同的产品，光纤和光缆的区别：光纤是一种传输光束的细而柔软的媒质。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。所以光纤是光缆的核心部分，光纤经过一些构件极其附属保护层的保护就构成了光缆。

3. 光纤的工作波长？
光是由它的波长来定义，在光纤通信中，使用的光是在红外区域中的光，此处光的波长大于可见光。 在光纤通信中，典型的波长是800到1600nm，其中最常用的波长是850nm、1310nm和1550nm。

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在选择传输波长时，主要综合考虑光纤损耗和散射。目的是通过向最远的距离、以最小的光纤损耗来传输最多的数据。在传输中信号强度的损耗就是衰减。衰减度与波形的长度有关，波形越长，衰减越小。光纤中使用的光在850、1310、1550nm处的波长较长，故此光纤的衰减较小，这也导致较少的光纤损耗。并且这三个波长几乎具有零吸收，最为适合作为可用光源在光纤中传输。

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4. 最小色散波长和最小损耗波长
在目前商用光纤中，什么波长的光具有最小色散？什么波长的光具有具有最小损耗？1310nm波长的光具有最小色散，1550nm波长的光具有最小损耗。

5. 什么是光纤的色散？
光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号的畸变。
光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。信号不是单一模式会引起模式色散。单模光纤只传单一基模，所以只有材料色散和波导色散，没有模式色散。而多模光纤则存在模间色散。光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。

6. 产生光纤衰减的原因是什么？
造成光纤衰减的原因主要有散射、吸收、弯曲、挤压、以及连接器和熔接接头造成的光功率损耗。衰减的单位为dB/km，每公里光纤对光信号功率的衰减值。瑞丽散射、固有吸收等是光纤的固有损耗，其中还有部分光纤内的光会在光纤弯曲时因散射而损失掉、或者在受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗等。同时光纤对接时也会产生损耗，如不同轴、端面与轴心不垂直、端面不平、对接心径不匹配和熔接质量差等。

7. 光纤的带宽与什么有关？
光纤的带宽指的是：在光纤的传递函数中，光功率的幅值比零频率的幅值降低50%或3dB时的调制频率。光纤的带宽近似与其长度成反比，带宽长度的乘积是一常量。

8. 什么是插入损耗？
插入损耗是Insertion Loss（通常简称为IL），主要是指光纤中两个固定点之间损耗的光的度量。可以理解为光通信系统光纤链路中由于光器件的介入而引起的光功率的损失，单位是dB。
计算公式： IL=-10 lg（Pout /Pin）， Pout 为输出光功率，Pin 为输入光功率。
插入损耗的数值越小表示性能越好，例如，插入损耗为0.3dB优于0.5dB。一般来说，熔接和手动连接之间的衰减差异（小于0.1 dB）会小于光纤连接器之间的连接。数据中心光纤布线的建议的最大dB损耗量：LC多模光纤连接器最大为15dB， LC单模连接器为最大15dB， MPO/MTP多模光纤连接器最大为20dB，MPO/MTP单模光纤连接器最大为30dB。

9. 什么是回波损耗？
当光纤信号进入或离开某个光器件组件时（例如光纤连接器），不连续和阻抗不匹配将导致反射或回波，反射或返回的信号的功率损耗，即为回波损耗，Return Loss（简称RL）。插入损耗主要是测量当光链路遇到损耗后的结果信号值，而回波损耗则是对光链路遇到组件接入时对反射信号损耗值的测量。
计算公式：RL=-10 lg（P0/P1）, P0表示反射光功率，P1表示输入光功率。
回波损耗值表示为dB，通常为负值，因此回波损耗值越大越好，典型规格范围为-15至-60 dB。按照行业标准，Ultra PC抛光光纤连接器的回波损耗应大于50dB，斜角抛光的回波损耗通常大于60dB。PC类型应大于40dB。对于多模光纤，典型的RL值介于20至40 dB之间。

10. 光纤的纤芯尺寸是多少？
纤芯尺寸就是光纤纤芯的物理尺寸。多模光纤的纤芯尺寸介于7um和3mm之间，最常见的是50um，62.5um，100um和200um。数据通信的行业标准现在是使用石英玻璃纤维的50um和62.5um多模。单模石英玻璃纤维的典型芯尺寸为8.3um。对于塑料光纤，其纤芯尺寸范围为0.25mm至3mm，其中最受欢迎的是1mm。

11. 什么是模场直径？
模场直径(MFD--Mode Field Diameter)，用来表征在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态。尽管大多数光信号在光纤纤芯内部传播，但实际上它会传播通过稍大的体积，包括光纤包层的内边缘。该有效面积成为光纤的模场直径。在截止值以上工作的电信光纤中，纤芯直径可能约为9 µm，MFD约为10.4 µm。使用非常高的NA光纤（约0.2或0.3），纤芯直径仅为几微米，而MFD可能约为5 µm。对于传输光纤而言，模场直径越大越好。

12. 什么是数值孔径NA？
光纤的集光能力不仅取决于光纤芯的尺寸，还取决于其接收角度。接受角是光线可以进入光纤并被捕获在光纤芯中的角度范围。接受角和数值孔径是用于描述与光在光纤中传播相关的角度的品质因数。接收角半角的正弦值称为数值孔径– NA（Numeric Aperture），NA=sinθ。通常，对于50um渐变折射率多模光纤，数值孔径为0.20。对于62.5um渐变折射率多模光纤，数值孔径为0.28。

13. 什么是截止波长（Cutoff Wavelength）
截止波长是指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，光纤就只能传播一种模式（基模）而在该波长之下，光纤可能传播多种模式。当波长大于某一值时，某特定模式不再存在，该波长就称为此模式的截止波长。

14. 什么是零色散波长（Zero Dispersion Wavelength）
当波导色散与材料色散在某个波长互相抵消，使总的色度色散趋近于零时，该波长即为零色散波长。常规型单模光纤的零色散波长在1310nm附近，最低损耗在1550nm附近。在1550nm处有一个较高的正色散值。ITU—T建议的G.652光纤和G.654光纤都属于这种类型。零色散波长在1300～1324 nm，最大色散D(λ)<3.5 ps/(nm•km)。色散斜率S。≤0．093/(nm²•km)。

15. 什么是色散位移型光纤(DSF)？
色散位移光纤就是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散波长一直。这种光纤工作波长在1550nm区域。它非常适合 于长距离单信道光纤通信系统。

16. 什么是非零色散型光纤(NZDF)？
光纤在1550nm波长处色散不为零，故称为非零色散位移光纤。它在1550nm波长区域具有合理的低色散，足以支持10Gbit/s的长距离传输而无需色散补偿，同时其色散值又保持非零特性来抑制四波混频和交叉相位调制等非线性效应的影响。这种光纤主要使用密集波分复用传输系统。

17. 光纤如何分类
如按光的模式可分为单模光纤、多模光纤。按折射率分：跳变式光纤和渐变式光纤。按组成成分分为石英光纤、含氟光纤、塑料光纤。按工作波长分为短波长光纤（波长典型值为850nm），长波长光纤（波长为1310nm，1550nm）

18. 目前用于传输网建设的光纤主要有哪些？
其中根据ITU标准，将光纤分为七种：G651，G652，G653，G654，G655，G656，G657，其中常用的是G652、G657。

多模光纤
G.651光纤（多模渐变型折射率光纤）

单模光纤
G.652（色散非位移单模光纤）
G.653（色散位移光纤）
G.654（截止波长位移光纤）
G.655（非零色散位移光纤）
G.656（低斜率非零色散位移光纤）
G.657（耐弯光纤）

19. 什么是单模光纤、多模光纤？
单模光纤(Single Mode Fiber)，光以一特定的入射角度射入光纤，在光纤和包层间发生全发射，当直径较小时，只允许一个方向的光通过，即为单模光纤；单模光纤的中心玻璃芯很细，芯径一般为8.5或9.5μm，并在1310和1550nm的波长下工作。

多模光纤(Multi Mode Fiber)，就是允许有多个导模传输的光纤。多模光纤的纤芯直径一般为50μm/62.5μm，由于多模光纤的芯径较大，可容许不同模式的光于一根光纤上传输。多模的标准波长分别为850nm和1300nm。还有一种新的多模光纤标准，称为WBMMF(宽带多模光纤)，它使用的波长在850nm到953nm之间。

单模光纤和多模光纤，两者的包层直径都为125μm。


20. OS1, OS2, OM1, OM2, OM3, OM4, OM5
OS1和OS2都是单模光纤，OS1：较早前使用的普通单模光纤；OS2：现正在使用的普通光纤，低水峰光纤。 一般来说，OM1为常规62.5/125um；OM2为常规50/125um；OM3是850nm激光优化的50um芯径多模光纤，在采用850nm VCSEL的10Gb/s以太网中，光纤传输距离可以达到300m；OM4是OM3的升级版，OM4多模光纤优化了OM3多模光纤在高速传输时的产生的差模延迟（DMD），因此传输距离有大幅度的提高，光纤传输距离可以达到550m；OM5光纤跳线是TIA和IEC定义的光纤跳线新标准，纤径为50/125μm，与OM3和OM4光纤跳线相比，OM5光纤跳线可以用于更高带宽的应用。不同等级传输时的带宽和最大距离不同。


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