“光纤极客”|第1篇:关键光学参数-衰减
请留下评论在过去的30年里，光纤电缆世界已经走过了漫长的道路. 产品变得更加坚固耐用和用户友好, 使人们更容易进入处理光纤和电缆的行业和工作. 虽然这对行业来说是件好事, 许多人可能知道“如何”使用光纤，但不一定知道“为什么”使用光纤. 了解光纤和电缆产品背后的“为什么”, 下一步是成为一个成熟的“光纤极客”.“因为行业变化如此之快，这是一个持续的过程. 本系列文章的目的是使读者能够理解一些辅助光纤规范及其对网络的重要性.
一旦部署了光纤，更换起来就非常昂贵. 出于这个原因, 所安装的光纤应该能够承受多代硬件，同时也有足够的空间来增加额外的波长.
右图突出了过去三十年来波长使用的增长情况. 在最初的30年里，应用主要集中在1310nm和1550nm区域. 鉴于对带宽的爆炸性需求(自COVID-19以来更是如此), 可以合理地假设，未来30年将需要更多的波长, 在整个光谱中都有潜在的应用.
预计对带宽的需求将持续很长一段时间, 部分原因是对更高分辨率视频等突破性应用的需求, 虚拟现实等应用. 我们预计这种需求将继续推动对光纤提供的光谱的需求. 光纤推荐，如ITU-T G.652和ITU-T G.657, 对于网络设计者来说，设置最低性能水平是否非常重要, 但最终可能不足以满足未来网络的要求. 出于这个原因，超出标准的性能可能非常重要.
本文将重点讨论从衰减开始的关键光学参数, 或者纤维的损失. 衰减是一个非常重要的光学参数，涉及到很多方面. 本系列的其他文章将重点讨论其他光学参数, 包括色散和偏振模色散，剪接损失，以及非线性效应的介绍.
保持较低的光纤衰减一直是光纤发展的一个重点，如今随着相干传输系统的广泛使用更是如此. 这需要大芯和超低损耗衰减的光纤(通常是ITU-T G).654种光纤类型)，以实现100G和更快传输系统的最佳性能.
衰减通常以光学dB来测量. 它是一种对数测量，其中光纤的损耗等于10*log(“光纤输入端的功率”/“光纤输出端的功率”)。. 基本上每3db的损耗对应于光功率减少一半. 假设是合理的, 光纤的衰减在光纤长度上几乎是恒定的. 如果光纤损耗是0.25 dB /公里, 光纤中的光信号通过12km的光纤后，总损耗为3db.
看看纤维中不同的损耗机制，可能有助于区分以下几种:
A):由光纤外部因素引起的衰减(如弯曲)
B):内置衰减机制.
首先看B)，光纤中有两种主要的损耗机制:散射和吸收.
散射
也叫瑞利散射, 即使是最好的和最纯洁的, 合成石英玻璃(OFS纤维的原料)不是100%均匀的. 因此，它们包含玻璃密度的小波动, 它们在制造过程中被冻结在玻璃中，当被光线击中时可能会散射光线(这与天空的蓝色是相同的机制, 当阳光从大气中的分子中散射出去时). 大部分的光将继续沿着原来的方向传播, 但是有一小部分光会向四面八方散射. 一些光会从光纤中横向传播出去, 出于传输目的，它将在哪里丢失. 其中一些实际上会向发送者的方向散射. 这是OTDR测量设备用来测量光纤衰减的现象, 所以设备只需要连接到光纤的一端.
在光纤中，散射在较短波长处占主导地位，而另一种内置衰减机制则相反:吸收(图4)。.
吸收
基本上，当光线照射到某物时，吸收就会发生，并转化为热量. 所以实际上，光是“消失”了.
即使是极小的杂质——小到微米的几分之一——也会吸收光, 造成不必要的衰减. 它可能是小颗粒，但也可能是用于纤维制造的原材料中的杂质. 这就是为什么如此密切关注所使用的原材料的质量和纯度.
由于玻璃固有的材料结构, 波长长于大约1550 nm的吸收急剧增加(图4)。
近年来，人们特别感兴趣的是羟基(OH-)离子, 哪个能吸收1383纳米左右的光, 在光纤衰减曲线中产生所谓的“水峰”(图5 -黑色曲线). 作为实际生产过程的副产品, 要完全避免纤维中羟基离子的存在是很困难的, 但在接近1383 nm的波长处，衰减增加是可能的. 这是通过添加氘气体来完成的，氘气体与羟基离子的自由键相互作用，从而作为一个屏障，确保良好的长期水峰衰减性能.
常规单模光纤满足G.652推荐值可能有较高的水峰损失. 这可能会限制光纤在某些应用中的使用，也可能使光纤在使用现代拉曼放大的传输系统中不那么有用, 放大器激光泵通常在传输信号波长以下110纳米处工作.
OFS将光纤分类为零水峰(ZWP)，其指定的水峰性能甚至比所谓的低水峰(LWP)光纤更好. ZWP光纤的长期稳定性非常好，而对于某些类型的ITU-T - G.652光纤的水峰衰减实际上可能在其寿命期间增加, 慢慢降低网络质量.
因为优化的水峰性能, ZWP光纤服务于最宽的波长范围，支持最多的应用, 如图1所示.
图5显示了ITU-T G的三个不同等级.652光纤，以及它们在1383 nm左右的水峰区域的表现.
在很大程度上, 在制造过程中，散射和吸收特性被锁定在纤维中.
然而，御术就是另一回事了……
弯曲
弯曲是一个非常重要的机构. 正如我简单提到的, 它是由光纤外部因素引起的，因此布线工艺和现场安装都会影响弯曲引起的衰减.
简单地说, 使光纤工作的是使用不同类型的玻璃用于光纤芯和芯周围的玻璃(也称为包层)。. 通过这种方式，在核心周围形成了一种管状镜面. 这就是把光留在纤维里的原因, 利用“全内反射”的概念来引导光线. 然而，这面镜子并不完美. 只有当光纤中的光线几乎与核心平行时，它才能工作, 因此，如果纤维弯曲(太)紧密(i.e. 超过“临界角”时，反射变成折射), 光会从光纤中漏出，造成损耗或衰减.
这被称为宏观弯曲, 哪里的弯曲直径大于几毫米, 人们会直观地理解哪一种是“弯曲”纤维.
另一种弯曲称为微弯曲. 它涉及直径小于1毫米的弯曲，例如，如果一根纤维被挤在两片砂纸之间，就可能发生弯曲. 更相关的是，如果光纤在电缆结构内部被挤压(例如被包含光纤的管道挤压)，在光纤上产生应力，也可能发生这种情况. 随着载荷/应力的增加，损耗也随之增加.
两种类型的弯曲损耗都会导致衰减增大, 但可以通过考虑不同波长下的附加损耗来区分这两种类型的弯曲，如图8所示.
在短波长处，大弯曲损耗往往很小, 但在较长的波长下可能会急剧增加.
微弯曲损耗通常也存在于短波长, 但在较长的波长下，损耗的增加往往比大弯曲要小.
光纤部署的所有趋势都表明光纤弯曲性能的重要性日益增加.
服务提供商总是希望在更小的空间内放入更多的纤维，这意味着缓冲管的直径不断缩小, 在这些缓冲管中使用的纤维数量不断增加. 这导致在接触缓冲管壁之前纤维移动的空间较少的情况, 从而增加了患微弯病的风险.
除了, 服务提供商主要在外部工厂安装电缆, 中央办公室的内部, 或者放到远程机柜中. 每个地方都非常小心地避免小直径弯曲. 然而，今天的光纤正在走向以前没有去过的地方. 它进入我们的家庭和企业，也进入电线杆和屋顶，为蜂窝和Wi-Fi站点提供服务.
对弯曲的容忍度在未来将更加重要.
微观和宏观的弯曲以不总是明显的方式影响着网络.
与弯曲相关的损耗有时会在低温环境中发生. 因此，应始终在低温条件下对光纤和电缆进行测试. 作为一名网络设计师, 在寒冷的温度下，为小的潜在衰减增加考虑至少一些光学余量总是一个好主意.
现在已经失去了纤维.
特别是非常高密度的设计可能受益于使用弯曲不敏感纤维，因为在电缆设计本身中不可避免的弯曲和缺乏光纤移动的自由空间.
虽然这些问题今天已经很重要了，但它们明天会变得更加重要. 原因是下一代光传输协议通常可能比现有协议使用更长的波长.
如前所述，较长的波长通常会导致较高的弯曲损耗. 从理论上讲, 目前在1490海里完美运行的GPON网络，如果升级到NG-PON2，其覆盖范围可能会减少近一半, 工作在1603纳米.
因此，今天安装并运行良好的FTTH网络可能不适合与下一代传输设备一起运行.
救援马上就到
为了使更紧凑的电缆结构和允许更容易安装，甚至可能允许使用经验较少的工匠进行电缆安装, 最近，相当多的注意力集中在开发对弯曲I的敏感性降低的纤维上.e. ITU-T建议G定义的标准.657.
G.657规定了4种不同类型的纤维:“A1”、“A2”、“B2”和“B3”。.
“A”光纤还必须满足ITU-T G的规格要求.652.而“B”纤维可能偏离G.652.D在一些参数上. 数字(1), 2或3)表示纤维的弯曲容忍度- B3纤维的弯曲容忍度最高. 今天许多“B3”纤维确实符合G.652.D和应该正确地标记为:“A3”，但ITU-T没有指定这样的类别.
ITU-T G.657.A1 光纤最接近标准G.652.D光纤，并可能很快成为绝大多数光纤网络的主要选择. OFS将G.657. A1和G.652.D成绩9分.2微米模场直径.
G.657.A1带9的纤维.2微米模场直径执行相同的方式，作为标准G.652根光纤的拼接——因此可以说是“无缝”地拼接到已经安装的光纤的巨大基础上. 通过提供与标准G相同的拼接性能.652纤维, 安装人员和质量检验员将不会注意到性能的变化，因此也不必担心
虽然更好的弯曲公差的优势仍将存在.
These fibers are ideal for most of today’s typical short-distance (<1000 km) 和 low data rate (<400Gbps) applications, 包括标准厂外(OSP)松套管, 丝带, rollable丝带, microduct电缆, 放下缆绳.
ITU-T G.657.A2 纤维弯曲更紧密，损耗更小. 它们最常用于中央办公室和机柜环境, 例如光纤分配中心(FDH). 这些光纤也常用于建设骨干网络，并作为各种预端接板和其他设备的尾纤. 在这些环境中, 与典型的OSP电缆应用相比，光纤可能需要弯曲得更紧.
刚才提到的A1和A2光纤的应用空间通常涉及一根光纤承载数千个客户的流量, 这意味着光纤中断将影响成千上万用户的服务. 因此，可靠性是最重要的. 在这种情况下，A2光纤(以及A1光纤)提供的优势是，每当它们弯曲得足够紧密，可能导致可靠性问题时，就会提供衰减增加的“早期预警”信号. 这对于中心局应用尤其重要，因为一根光纤可以为数百万客户提供馈电.
ITU-T G.657.B3 纤维是弯曲不敏感纤维的第三大类. 这些光纤被设计和推荐用于光纤到户(FTTH)网络的下降部分，每根光纤为少数客户提供服务. 空间狭小的家庭和建筑物对部署光纤的要求非常高. 为了在此类应用中优化性能，OFS的光纤设计和指定用于低至2的弯曲半径.弯曲半径为5mm，明显小于G标准规定的最小弯曲半径5mm.657.B3推荐.
OFS的光纤用于直径仅为0的电缆.6mm，实现几乎不可见的内部电缆布线，最小的弯曲管理. 这避免了在私人住宅中安装笨重和令人讨厌的装置. 对于更苛刻的部署，坚固耐用的电缆设计直径为4.8或3mm甚至可以绕过角落和钉接使用快速和简单的安装方法, 信号损失可以忽略不计.
G.657不符合G标准的光纤.652.D通常被认为具有非常小的芯，当拼接到标准G时，会产生显着的额外拼接损失.652.D纤维. 然而，事实并非如此. 有可能得到G.657.B3纤维，超低弯曲半径2.虽然这些纤维不是“无缝”纤维，但它们实际上符合G.652.D建议的核心尺寸. 唯一能阻止这种纤维符合G.652.D是色散, 而且由于它们主要用于建筑内部应用, 长度通常会远远小于10 - 40公里的光纤长度，在这种光纤长度中，较高的色散通常会开始出现问题.
然而，在弯曲损耗方面，这种光纤的性能明显更好. 一局2的损失.这种光纤在1550nm处的最大半径为5mm. 0.2 dB -而类似的损耗为标准G.652.D光纤超过30db.
