“光纤极客”|文章4:单模光纤几何
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本系列的第一篇文章主要关注光纤带宽需求的增长和衰减. 本文重点介绍了光纤中存在的几种色散类型, 其次是第3条-纤维强度和可靠性.
本文是本系列的第四篇，将重点讨论单模光纤的几何形状.
当谈到纤维几何形状时, 我们通常考虑岩心的直径, 模场直径, 覆层和涂层. 还有，这些的同心度和椭圆度，以及纤维的实际卷曲度. 稍后会详细介绍.
光纤几何形状的主要影响发生在拼接和连接过程中. 具有良好和一致的几何形状的纤维往往比其他纤维更容易拼接和连接，并且连接损耗更低. 然而, 如前面第2条所强调的, 光纤同心度对偏振模色散(PMD)性能也有重要影响，是一个重要参数. 对于高质量的纤维，几何形状一直是很好的选择, 我们可能已经习惯了它，有时我们认为这是理所当然的. 然而，情况并非总是如此.
我们将通过一个典型的光纤规范来进行研究, 强调各种单模光纤几何规格的重要性. 在第一个图中，我们给出了纤维几何的基本性质.
包层直径(玻璃外直径)
包层直径是光纤玻璃部分的外径. 对于电信光纤来说，这个直径一直是125微米(μm). 另一方面，直径公差并不总是为0.7 μm.
在20世纪80年代，光纤的外径公差高达+/- 3.0 μm. 如图2所示, 当包层直径在122到128 μm之间变化时，试图匹配8微米的光纤芯可能会导致非常高的损耗, 因为即使两根纤维的包层完全对齐，两个芯也可能明显不对齐. 这种情况就是为什么熔接机需要额外的技术来帮助对准实际的光纤芯. 然而，这种额外的技术增加了拼接单元的价格.
随着行业的成熟，单模光纤直径一直保持在125 μm. 然而，在同一时期，规格公差下降到0.7 μm，沿光纤长度变化，变得更加紧密.
从制造的角度来看，这样的公差并不容易实现. 当纤维刚被发明的时候, 开发人员必须创造制造方法以及测量纤维直径的方法. 当制造到十分之一微米的公差, 输入如杂散气流, 玻璃中的振动或颗粒会引起明显的直径变化. 这些因素要求顶级纤维制造商对其工艺和程序有非常严格的控制.
随着直径变异性的减小, 拼接机减少了所需的对准技术. 虽然这些机器的价格已经有了很大的下降, 没有相应的剪接损失大幅增加. 核心对准拼接机仍然提供最好的性能, 然而，较小的“固定v型槽”机器，价格较低，对准能力有限，大大减少了性能差距. OFS AllWave的典型拼接损耗®+零水峰(ZWP)光纤，使用芯对准拼接机拼接，大致为0.03 dB, 而用固定v型槽机拼接的相同光纤的平均损耗约为0.05 dB. 在绝对值的比较中，这是一个显著的差异. 然而, 在大多数光纤网络应用的背景下使用, 这种差别实际上是微不足道的.
通过更紧密的纤维几何实现, 剪接机成本的降低是导致光纤网络建设成本整体降低的因素之一. 事实上，这种变化最终使光纤到户成为现实.
模场直径(mfd)
模场直径(MFD)是另一个与光纤几何形状相关的规格. 典型的G型.652.D-兼容单模光纤, not all of the light travels in the core; in fact, 少量的光在光纤包层中传播. 术语MFD是光功率密度分布直径的量度, 哪个直径包含95%的能量.
MFD之所以重要，主要有两个原因.
第一个原因是光纤弯曲损耗通常与MFD相关. 除非使用特殊的纤维设计, 随着MFD的增加, 弯曲损失也增加了, 反之亦然. 从历史上看，模场直径较小的光纤弯曲敏感性较低. 话虽如此, 现代纤维设计使纤维制造商能够使弯曲不敏感, 单模光纤，标称模场直径为9.2 μm -这与绝大多数经典标准G相同.652.D纤维. 然而，也有纤维的MFD高达8.6微米提供卓越的弯曲性能, 即使弯曲直径低至5mm(这是ITU-T为G规定的最小弯曲直径的一半)，弯曲损失也非常低.657.B3纤维.
其次，由于易于使用，OTDR测量仪器通常用于测量衰减. 然而，只有在测量条件完善的情况下，otdr才能给出正确的结果. MFD的突然跳跃绝对不是一个完美的测量条件. 当两根不同模场直径的光纤拼接在一起时, OTDR肯定会显示出功率增益, 被称为“赢家”, 或者高损失, 取决于测量的方向. 当从较大的MFD测量到较小的MFD时，产生增益. 当测量从较小的MFD到较大的MFD时，可以看到损耗升高，如下图所示. 这是OTDR测量方法的产物，不影响传输特性. 断裂和重新拼接纤维通常不会改变结果, 除非在拼接界面上有不好的裂缝或其他异常. 测量拼接的正确方法是双向OTDR, 对于MFD不匹配的纤维来说，哪个更重要.
这一事实说明了为什么使用MFDs为9的弯曲不敏感纤维可能是有利的.2微米. 由于光纤的安装和测量经验几乎总是使用标准G获得的.652.MFDs为9的D纤维.2微米，这样弯曲不敏感G.657纤维在拼接和控制测量方面将以非常熟悉的方式表现. 特别是当拼接到9的安装底座时.2 μm MFD单模光纤.
堆芯包层同心度误差
芯/包层同心度误差(CCCE或CCE)也称为芯-包层偏心，用于测量芯在光纤中的居中程度. CCCE的测量单位是微米和微米, 当然, 核心越靠近完美的中心, CCCE值越低越好. 再一次，核心对准接头往往给最低的接头损失.
包层NON-CIRCULARITY
包层非圆度也被称为包层椭圆度，它测量的是光纤偏离完美圆形的程度——变成椭圆形而不是圆形. 它是用椭圆的“长”直径和“短”直径之间的百分比差来测量的. 如果包层非圆度为零，则包层形成一个完美的圆. 与其它纤维性质相似, 更好的包层非圆度可以改善拼接和连接性能.
纤维涂层
而涂层的规格不像玻璃规格那么严格, 它们也很重要——特别是当纤维用于缎带时. 两个主要参数为涂层直径(未着色)237 ~ 247 μm和涂层-覆层同心度误差最大值. 0.5微米.
在单模光纤制造的前30年里, 涂层公称直径约为245-250 μm是行业标准. 然而, in 2014, OFS推出了200 μm光纤，以响应光纤电缆设计中对更高光纤密度的需求.
虽然200 μm和250 μm之间的差异不是很大, 较小直径的光纤可以使光缆中相同尺寸的缓冲管中的光纤数增加一倍, 同时还能保持长期的可靠性. 这一事实导致了许多新的紧凑的电缆设计, 包括极小的微电缆, 松管管道电缆和全电介质, 自支撑架空电缆. 随着对高纤维密度的需求不断增加, 我们可以期待看到更多的电缆设计利用更小直径的涂层. 重要, 涂层是否仍然能够充分保护纤维免受微弯曲, 当光纤在不经意间被“挤压”在电缆中时，特别是在低温下，这可能会导致光纤损耗增加.
另一种可能是使玻璃纤维本身对这些潜在问题不那么敏感——所以这不仅仅是减少纤维涂层厚度的简单任务, 但也获得了足够好的纤维性能.
除了固有尺寸外，涂层直径的控制也非常重要. 涂层直径可以影响纤维的整体束的大小. 如果涂层太厚，整个包束可能会比预期更快地产生应变. If, 另一方面, 涂层同心度不好, 尤其在拼接丝带时，可能会有额外的顾虑.
纤维卷曲
我们要讨论的最后一个参数是纤维卷曲度.
纤维卷曲度评价裸露玻璃的非线性. 换句话说, 纤维卷曲度测量了当没有外部压力存在时玻璃纤维的直度. 如果在拉伸过程中不平衡的应力被冻结在纤维中，就会产生卷曲. 这种卷曲可以出现在光纤带的拼接或固定v型槽拼接机使用时.
如果出现旋度, 在拼接过程中，光纤的两端会不直或不匹配. 这种情况导致高损耗和拼接困难. Curl is measured in meters of curl, with a typical specification being > 4m. 当光纤从光纤引出时, 它在制造过程中退火，以减少卷曲的影响. 作为这个过程的结果, 为用户提供高品质的光纤, 光纤卷曲对典型的电信应用没有任何影响.
光纤的几何形状常常被最终用户认为是理所当然的, 主要是因为它一直都很好. 然而, 经过多年的努力和无数人的贡献，光纤几何质量才达到目前的水平.