欢迎回来,纤维极客! 

The 第一条 本系列文章的重点是光纤中带宽需求和衰减的增长。 第二条 集中讨论当今光纤中存在的几种色散类型,紧随其后的是 第三条 – 纤维强度和可靠性。 第四条 特色单模光纤几何结构,现在是 OFS 的最新版本——第 5 条,涉及“截止波长”(COW)。这篇最新文章将帮助用户了解“截止波长”是什么,它为什么重要以及它是如何测量的。 

截止波长的重要性回归 

参加光纤课程介绍,您将了解衰减、色散、光纤几何形状,也许还包括光纤强度。然而,隐藏在光纤规格细节中的是一个称为截止波长的参数。虽然光纤制造商和一些光纤用户知道截止波长,但它并不是一个著名的参数。用户仍然主要关注衰减,可能是色散,作为关键的传播特性。 

由于 1310 nm 以下相对较新的工作波长要求,一些精明的最终用户正在重新审视截止波长规格。相对较新的无源光网络 (PON) 协议正在研究低至 1270 nm 的波长,就光谱而言,这与历史上的电缆截止波长规范 λcc, 1260 nm 相距甚远。 

不同的光纤在当今的网络中执行不同的工作。一些光纤对弯曲不敏感。一些光纤可提供更多功率以提高超高速下的信噪比。截止波长对于这些光纤的性能很重要,但这些光纤可能需要与“标准”G.652 型光纤在测量方法上有所不同。我们将在本文后面讨论测量方法。

 什么是截止波长?

 在光纤中可能存在多种不同的光“模式”。模式是不同类型的光波,它们可以各自携带从光纤的输入到输出的不同部分的光。 

根据定义,多模光纤可以携带多种光模式(数百种),但在单模光纤中,只能携带一种模式。 

光纤处于从单模到多模转变的临界点的波长称为截止波长。通常,对于比截止波长 (COW) 更长的波长,光纤被认为是单模光纤,而对于较短的波长,光纤被认为是多模光纤。在现实生活中,从单模传输到多模传输的转变不会在孤立的波长处突然发生——而是在一定波长范围内相对平稳地发生。规格上的单波长数是一种简化。 

使光纤单模最常见的方法是减小其纤芯尺寸(直径),但纤芯和光纤包层的折射率之间的对比度也很重要。这两个属性决定了“有效纤芯尺寸”,它决定了光纤在给定波长下是否为单模。

它为什么如此重要? 

单模光纤的整个想法是将其他模式排除在光传输之外。原因是多模光纤仅用于短距离传输:通过光纤传输的不同模式采用不同的路径。 

注入多模光纤的光脉冲将通过不同的模式传输,在传播时间略有不同后到达光纤末端。一旦模式在光纤输出端重新组合,输入脉冲的形状就会失真(模糊)。这种对脉冲的失真效应称为模式色散,会影响多模光纤的带宽 (MHz-km)。单模光纤没有模态色散,因此在显着更长的距离上具有更高的带宽。 

随着下一代 PON 系统开始在短于 1310 nm 的波长下运行,截止波长的概念重新受到关注。这将在本文后面更深入地讨论。 

“拜托,我的单模光纤中只有一种灯光模式!” 

用于在单模光纤中传输的光模式称为基模(也称为 LP01)。所有其他模式都称为高阶模式,其中最重要的是次级模式(LP11). 

有人可能会问:“这些高阶模式从何而来?” 

这些模式可以在光纤之间的接头和连接处产生。拼接/连接损耗越高,生成的高阶模式 (HOM) 就越强大。 

HOM 也被称为“泄漏模式”,因为它们仅松散地绑定到光纤纤芯上,并且在传播相对较短的距离后往往会泄漏到光纤之外 - 对于比截止波长长的波长。距离越长,泄漏的模式就越多。 

截止波长定义为高阶模式的功率水平相对于基模的水平降低了 19.3 dB 时的波长(严格来说,这仅适用于二阶模式)。 

模态噪声问题 

我们是否需要担心当今系统中的模态噪声?不想引起不必要的担忧,我们想强调可能出现模态噪声并出现问题的可能情况。 

如前所述,接头或连接器会导致基模中的一些光耦合到更高阶的模式中。同样,来自高阶光模式的光可以通过类似的接头或连接器向下耦合到基本模式。 

可能会出现两个接头或连接器彼此靠近的情况。如果它们太近,或者如果截止波长太高,则在第一个接头/连接器处生成的部分 HOM 可能会向下耦合回第二个接头/连接器处的基本模式,并与来自初始的光混合基本模式。

这可能会导致问题,因为光信号在高阶模式中的传播时间通常可能与在基本模式中不同——因此当混合在一起时,这两个信号可能有些异相。由于极化和其他影响,这种相位差可能会因温度变化和应力而发生变化,这会导致一种称为模态噪声的噪声。 

为了产生显着的模态噪声,必须存在两个连接损耗大的接头(一个是不够的)。此外,两个接头必须间隔得非常近,以确保高阶模式在到达第二个接头之前不会从光纤中泄漏出来。最后,所使用的激光器必须表现出一定程度的模式划分。 

为什么有不同类型的截止波长? 

光纤的截止波长取决于光纤的长度,光纤越长,截止波长越低。因此,定义了 3 种类型的截止波长以匹配不同的应用: 

  • 电缆截止波长 (λcc): 很容易将这个术语误认为是“Cabled COW”——但原则上,光纤是否成缆并不重要。使用此参数的最初目的是模拟两个间隔很近的电缆接头的情况,例如在维修情况下。 20 米的熔接距离被认为是相关的最小值——为了模拟在熔接盒中部署的光纤,在测量设置的每一端增加了 1 米的光纤长度,包括一个 80 毫米的环路。实际测量的光纤全长为 22 米。 
  • 跳线截止波长 (λcj): 顾名思义,它模拟跳线。它是在 2 米长的光纤上测量的,其中一个缠绕的直径可以自由定义——在美国通常为 152 毫米。 
  • 光纤截止波长 (λcf): 顾名思义,它模拟仅以大直径弯曲的纤维。原则上,它是在一根 2 米长、一根直径为 280 毫米的光纤上测量的,但正如后面解释的那样,在测量过程中必须特别小心——尤其是对弯曲不敏感的光纤。 

因为电缆 COW 是在 22 m 光纤样品上测量的,而光纤 COW 是在 2 m 光纤上测量的,所以光纤 COW 通常高于电缆 COW。 

通常可以在电缆 COW 和光纤 COW 之间找到良好的统计相关性。由于测量光纤 COW 时只需要 2 米的光纤,因此测量光纤 COW 比需要 22 米的电缆 COW 更容易。由于相关性,光纤 COW 测量通常足以确保电缆 COW 在限制范围内。 

此外,由于电缆护套内光纤的宏观或微弯曲,成缆光纤通常具有剥离高阶模式的效果。在这种影响显着的情况下,在成缆光纤上测得的电缆 COW 可能低于在非成缆光纤上测得的电缆 COW(当然也低于光纤 COW)。 

这取决于光纤类型和设计,但阶跃折射率光纤的一个现实示例是 1350 nm 的光纤截止可能具有 1260 nm 的相应电缆 COW。

为什么在 IEC 和 ITU-T 建议中将电缆截止波长指定为 1260 nm? 

最初单模光纤旨在用于 1310 nm 操作,并且激光器的制造可变性相当大,因此作为“1310 nm 激光器”出售的激光器实际上可以发射与 1310 nm 不同波长的光。因此,为了创建特定的“保护带”,最大电缆 COW 被定义为 1260 nm。 

今天,激光波长可能受到更严格的控制和极其准确,但这些激光也可能比不太准确的激光更昂贵。此外,一些 FTTH/PON 传输格式(尤其是 XGS-PON 等较新的格式)使用接近 1260 nm 的波长。因此,今天的 1260 nm COW 具有新的意义。 

弯曲不敏感纤维——以及测量其衰减的问题 

这似乎是一个与截止波长完全不同的主题——但测量问题非常相似,可能根本不明显。 

为了确定截止波长,比较了光纤输出功率的两个测量值: 

A. 权力 基本模式(LP01) 只要 

B. 权力 基本模式(LP01) 和高阶模式 (这实际上意味着二阶模式:LP11

“B”只是光纤输出的简单测量值——包括所有模式。但是为了测量“A”,我们需要一个过滤器来去除高阶模式。它们是松散绑定模式,在标准 G.652 光纤中,它们往往会相对较快地从光纤中泄漏——尤其是当光纤弯曲成小直径环路时。 2 米 G.652 光纤中的两个 80 毫米环路 - 可能还增加了 25 毫米环路 - 可以解决问题,因此这通常用作 HOM 滤波器。 

使用削减方法测量衰减 

在测量弯曲不敏感光纤(包括一些先进的大面积 G.654 光纤)的衰减时,可能会使用不同的方法。削减测量方法通常被认为是参考方法。光被注入被测光纤 (FUT) 中,目的是测量注入光纤的功率(在光纤的开头),并将其与光纤末端的测量功率进行比较。将两者相减,即可得出光纤衰减——将其除以光纤长度,即可得出以 dB/km 为单位的衰减。 

为了确定准确的输入功率电平,通常在距离 FUT 的实际输入端一小段距离处切割光纤,然后测量输入功率电平。 

在被测光纤的输入端避免高阶模式总是很重要的,因为它们会在相对较短的距离内从 FUT 泄漏,并在 FUT 的输出端丢失。 HOM 就像幽灵——出现在 FUT 的输入端,然后沿着光纤长度消失。有了这些,人们往往会在光纤输入端测量“太高”的功率电平——结果计算出的光纤衰减就会太高。这种增加的衰减在更短的波长处趋于更明显。 

以前,此类衰减测量主要在标准 G.652 光纤上进行,这很容易。您可以抓住 G.652 FUT 的前 2 米,在光纤的前 2 米内直接在光纤本身上制作所需的 2 或 3 个环路,这将为您提供 HOM 滤波器并摆脱高阶模式。然后,衰减测量的切入点可以位于 FUT 的前 2 米之后,因此每次测量只会浪费 2 到 3 米的光纤。 

但是在弯曲不敏感的光纤上,摆脱高阶模式并不那么容易。这些光纤倾向于更好地限制光在光纤弯曲期间泄漏。不幸的是,对于高阶光模式也是如此——我们在测量光纤时想要摆脱的那些模式。 

但是,仍然可以使用带有两个 80 毫米和一个 25 毫米环路的 2 米 G.652 标准光纤。它可以与被测光纤熔接,如果获得了良好的熔接,在该熔接点可能只会产生微不足道的高阶模式——如果熔接点也用作切回点,则确保良好的测量。 

另一种可能性是使用 FUT 的前 22 米,包括推荐用于测量截止波长的两个 80 毫米环路。由于这是 COW 测量的推荐测试设置,您知道在 22 米之后,在 FUT 的 COW 或更长波长处,HOM 水平非常低。可以选择切回点刚好在 FUT 的前 22 米之后,但如果需要非常高精度的测量,或者如果 FUT 相对较短,则可能需要超过 22 米。 

在 OTDR 测量中,由 HOM 引起的问题通常是隐藏的。这样做的原因是 OTDR 通常会有一个“死区”,在此期间 OTDR 的光检测器正在恢复,因此无法检测到传入的光信号。这可能覆盖大约 500 米,在此期间,HOM 早已从光纤中泄漏出来。


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