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标记档案:光纤几何形状

  1. 如何说“纤维极客”|第 4 条:单模光纤几何结构

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     欢迎回来,纤维极客! 

    本系列的第一篇文章重点关注光纤中带宽需求和衰减的增长。第 2 条侧重于光纤中存在的几种色散,其次是第 3 条——光纤强度和可靠性。 

    本文是该系列的第四篇,将重点介绍单模光纤几何结构。 

    在谈到光纤几何形状时,我们通常会考虑纤芯直径、MFD(模场直径)、包层和涂层。此外,它们的同心度和椭圆度 - 然后是纤维的实际卷曲。然而,稍后会详细介绍。 

    光纤几何形状的主要影响发生在熔接和连接过程中。与其他光纤相比,具有良好且一致几何形状的光纤往往能够更好地熔接和连接,同时连接器损耗更低。然而,正如之前在第 2 条中强调的那样,光纤同心度也可以对偏振模色散 (PMD) 性能发挥重要作用,并且是一个重要参数。对于高质量的纤维,几何形状已经有很长一段时间了,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,情况可能并非总是如此。 

    我们将通过一个典型的光纤规范,强调各种单模光纤几何规范的重要性。在第一幅图中,我们展示了纤维几何形状的基本特性。 

    包层直径(玻璃外径) 

    包层直径是光纤玻璃部分的外径。对于电信光纤,这个直径在很长一段时间内一直是 125 微米 (μm)。另一方面,直径公差并不总是 0.7 μm。 

    在 1980 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 和 128 微米之间变化时,尝试匹配 8 微米光纤纤芯可能会导致非常高的损耗,因为即使两根光纤的包层完美,这两个纤芯可能会严重错位对齐。这种情况就是熔接机需要额外技术来帮助对齐实际光纤芯的原因。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,单模光纤直径保持不变,为 125 μm。然而,在同一时间段内,规格公差下降到 0.7 μm,沿光纤长度的典型变化变得更加严格。 

    从制造的角度来看,这样的公差并不容易实现。首次发明纤维时,开发人员必须创建制造方法以及测量纤维直径的方法。当制造公差为十分之一微米时,玻璃中的杂散气流、振动或微粒等输入会导致显着的直径变化。这些因素要求顶级光纤制造商对其流程和程序进行非常严格的控制。 

    随着直径变化的减少,拼接机减少了所需的对齐技术。虽然这些机器的价格大幅下降,但熔接损耗并没有相应的大幅增加。核心对线拼接机仍然提供最好的性能,但较小的“固定V型槽”机器价格更低,对线能力有限,大大缩小了性能差距。 OFS AllWave 的典型熔接损耗®+ 零水峰 (ZWP) 光纤,使用纤芯对准拼接机拼接,大约为 0.03 dB,而使用固定 V 型槽拼接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,这是一个显着的差异。但是,在大多数光纤网络应用的使用环境中,差异实际上是微不足道的。 

    通过更紧密的光纤几何形状,熔接机成本的降低是导致构建光纤网络成本整体下降的因素之一。事实上,这一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范。在典型的 G.652.D 兼容单模光纤中,并非所有光都在纤芯中传播;事实上,少量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,即 95% 的功率所在的直径。 

    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。除非使用特殊的光纤设计,否则随着 MFD 的增加,弯曲损耗也会增加,反之亦然。从历史上看,具有较小模场直径的光纤对弯曲不太敏感。话虽如此,现代光纤设计使光纤制造商能够制造标称模场直径为 9.2 μm 的弯曲不敏感单模光纤,这与绝大多数经典标准 G.652.D 光纤相同。然而,也有 MFD 高达 8.6 微米的光纤提供卓越的弯曲性能,即使弯曲直径低至 5 毫米也具有非常低的弯曲损耗——这是 ITU-T 为 G.657 规定的最小弯曲直径的一半.B3纤维。 

    其次,由于使用方便,经常使用OTDR测量仪器来测量衰减。但是,只有在测量条件完美的情况下,OTDR 才能给出正确的结果。 MFD 的突然跳跃绝对不是完美的测量条件。因此,在不同模场直径的两根光纤拼接在一起的情况下,OTDR 将错误地显示功率增益(称为“增益器”)或增加的损耗,具体取决于进行测量的方向。当从较大的 MFD 测量到较小的 MFD 时,会产生增益器。当从较小的 MFD 测量到较大的 MFD 时,可以看到损耗增加,如下所示。这是 OTDR 测量方法的产物,不会影响传输特性。断开和重新熔接光纤通常不会改变结果,除非在熔接接口处有坏的劈裂或其他一些异常。整体测量接头的正确方法是双向 OTDR,这对于 MFD 不匹配的光纤更为重要。 

    这一事实说明了为什么使用具有 9.2 微米 MFD 的弯曲不敏感光纤可能是有利的。由于使用 MFD 为 9.2 微米的标准 G.652.D 光纤几乎总是获得安装和测量光纤的经验,因此这种对弯曲不敏感的 G.657 光纤在熔接和控制测量方面将以非常熟悉的方式运行。特别是在熔接到 9.2 μm MFD 单模光纤的安装基础时。 

    芯包同心度误差 

    纤芯/包层同心度误差(CCCE 或 CCE)也称为纤芯-包层偏心度,用于测量纤芯在光纤中的中心位置。 CCCE 以微米为单位测量,当然,纤芯离完美中心越近,CCCE 值越低越好。同样,磁芯对齐拼接器往往会产生最低的拼接损耗。 

    包层非圆形 

    包层非圆度也称为包层椭圆度,测量光纤与完美圆形的偏差——变成椭圆而不是圆形。它以椭圆的“长”和“短”直径之间的百分比差异来衡量。如果包层非圆度为零,则包层形成一个完美的圆形。与其他光纤特性类似,更好的包层非圆度可以提高拼接和连接性能。 

    纤维涂层 

    虽然涂层规格不像玻璃规格那么严格,但它们也很重要——尤其是当光纤用于带材时。两个主要参数是涂层直径(未着色)237 – 247 μm 和最大涂层同心度误差。 0.5 微米。 

    大约在单模光纤制造的前 30 年中,大约 245-250 μm 的涂层标称直径是行业标准。然而,2014 年,OFS 推出了 200 μm 光纤,以响应光缆设计中对更高光纤密度的需求。 

    尽管 200 和 250 μm 之间的差异并不是很大,但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量增加一倍,同时仍能保持长期可靠性。这一事实导致了许多新的紧凑型电缆设计,包括极小的微型电缆、松套管管道电缆和全介电、自支撑 (ADSS) 架空电缆。随着对更高光纤密度的需求不断增加,我们可以期待看到更多的光缆设计利用更小直径的涂层。但重要的是,涂层仍然能够充分保护光纤免受微弯曲的影响,否则,当光纤无意中被“挤压”在电缆中时,尤其是在低温下,这可能会导致光纤损耗增加。 

    另一种可能性是使玻璃纤维本身对此类潜在问题不那么敏感——因此这不仅仅是减少纤维涂层厚度的简单任务,而且还可以获得足够好的纤维性能。 

    除了固有尺寸外,涂层直径控制也非常重要。涂层直径会影响整个纤维束的尺寸。如果涂层太厚,整个束可能会比预期更快地产生应变。另一方面,如果涂层同心度不好,则可能会有额外的问题,尤其是在拼接色带时。 

    纤维卷曲 

    我们将讨论的最后一个参数是纤维卷曲。 

    光纤卷曲评估裸玻璃的非线性。换句话说,纤维卷曲测量了当没有外部压力源时玻璃纤维的直度。如果在拉伸过程中不平衡的应力冻结在纤维中,就会导致卷曲。这种卷曲会在光纤带的拼接过程中或使用固定 V 型槽拼接机时出现。 

    如果发生卷曲,在熔接过程中,光纤的两端将不会笔直或匹配。这种情况导致高损耗和拼接困难。卷曲以米卷为单位,典型规格为 > 4m。当光纤从拉丝中出来时,它会在制造过程中进行退火以减少卷曲的影响。由于这一过程,对于优质光纤的用户来说,光纤卷曲对典型的电信应用没有影响。 

    最终用户通常认为光纤几何形状是理所当然的,主要是因为它长期以来一直非常好。然而,纤维几何质量达到目前的水平需要经过多年的艰苦努力和无数人的贡献。