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标记档案: 散射

  1. 如何说“纤维极客”|第 1 条:关键光学参数 – 衰减

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     在过去的 30 年中,光缆世界取得了长足的进步。产品变得更加坚固和用户友好,使人们更容易进入光纤和光缆行业和工作。虽然这对行业来说是件好事,但很多人可能了解光纤的“如何做”,但不一定了解“为什么”。要了解光纤和光缆产品背后的“原因”,下一步是成为成熟的“光纤极客”。由于行业变化如此之快,这是一个持续的过程。本系列文章背后的目的是让读者了解一些二次光纤规格及其对网络的重要性。 

    一旦部署了光纤,更换成本非常高。出于这个原因,安装的光纤应该能够承受多代硬件,同时还有足够的空间来增加额外的波长。 

    图 1:已定义的 ITU-T 波长带
    图1: 已定义的 ITU-T 波长带

    右侧的图形突出显示了过去 30 年中波长使用的增长情况。在最初的 30 年中,应用主要集中在 1310 nm 和 1550 nm 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 年将需要更多波长,并在整个光谱中具有潜在应用。 

    预计未来对带宽的需求将持续很长时间,部分原因是对突破性应用的需求,例如更高分辨率的视频、虚拟现实和其他应用。我们预计这种需求将继续推动对光纤提供的光谱的需求。 ITU-T G.652 和 ITU-T G.657 等光纤建议对于网络设计人员设置最低性能水平非常重要,但最终可能不足以满足未来网络的要求。因此,超出标准的性能非常重要。 

    本文将重点介绍从光纤中的衰减或损耗开始的关键光学参数。衰减是一个非常重要的光学参数,它涉及很多方面。本系列的其他文章将重点介绍其他光学参数,包括色散和偏振模式色散、熔接损耗以及非线性效应介绍。 

    保持低光纤衰减一直是光纤开发的重点——如今随着相干传输系统的广泛使用,这一点更是如此。这些需要大芯径和超低损耗衰减光纤(通常为 ITU-T G.654 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 dB 为单位进行测量。它是一种对数测量,其中光纤的损耗等于 10*log(“光纤输入侧的功率”/“光纤输出侧的功率”)。基本上每 3 dB 的损耗对应于光功率减半。可以公平地假设,光纤的衰减在光纤长度上几乎是恒定的。因此,如果光纤损耗为 0.25 dB/km,则光纤中的光信号经过 12 km 的光纤后,总损耗将达到 3 dB。 

    查看光纤中的不同损耗机制,区分以下各项可能会有所帮助: 

    A):光纤外部因素引起的衰减(例如弯曲),以及 

    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 

    图 2: 向各个方向散射光

    也称为“瑞利散射”,即使是最好、最纯净的合成石英玻璃(由 OFS 纤维制成)也不是 100% 同质的。因此,它们包含玻璃密度的小波动,在制造过程中会冻结在玻璃中,并且在被光线击中时可能会散射光(这与导致天空呈蓝色的机制相同,当阳光从玻璃中的分子散射时大气层)。大部分光将继续沿原始方向传播,但一小部分光将向各个方向散射。一些光会从光纤的侧面传播,在那里——为了传输目的——它会丢失。其中一些实际上会向后分散到发件人。这是OTDR测量设备用来测量光纤衰减的现象,因此设备只需连接到光纤的一端即可。 

    在光纤中,散射在较短波长下占主导地位,而其他内置衰减机制则相反:吸收(图 4)。 

    吸收

    图 3: 吸收,光转化为热

    基本上吸收发生在光线击中物体时——并转化为热量。因此,出于实际目的,光只是“消失”了。 

    即使是极小的杂质——低至几分之一微米——也可能吸收光,导致不必要的衰减。它可能是小颗粒——但也可能是用于制造纤维的原材料中的杂质。这就是为什么如此密切关注所用原材料的质量和纯度的原因。 

    由于玻璃的固有材料结构,吸收率在波长超过约 1550 nm 时急剧增加(图 4) 

    多年来特别令人感兴趣的是羟基 (OH-) 离子,它吸收 1383 nm 附近的光,从而在光纤衰减曲线中产生所谓的“水峰”(图 5 – 黑色曲线)。作为实际制造过程的副产品,很难完全避免光纤中氢氧根离子的存在,但可以平息接近 1383 nm 波长处的衰减增加。这是通过添加与氢氧根离子的自由键相互作用的氘气来实现的,从而充当屏障,确保出色的长期水峰衰减性能。 

    图 4: 散射和吸收波长相关性

    符合 G.652 建议的传统单模光纤可能具有较高的水峰损耗。这可能会限制光纤在某些应用中的使用,并且还可能使光纤在使用现代拉曼放大的传输系统中不太有用,其中放大器激光泵通常在传输信号波长以下 110 nm 处工作。 

    OFS 具有归类为零水峰 (ZWP) 的纤维,其指定的水峰性能甚至比所谓的低水峰 (LWP) 纤维更好。 ZWP 光纤的长期稳定性非常出色,而对于某些类型的 ITU-T G.652 光纤,水峰衰减实际上可能会在其使用寿命期间增加,从而缓慢降低网络质量。 

    由于优化了 Water Peak 性能,ZWP 光纤可提供最广泛的波长范围并支持最多的应用,如图 1 所示。 

    图 5 显示了三种不同等级的 ITU-T G.652 光纤,以及它们在 1383 nm 附近的水峰区域的表现。 

    图 5: 三种纤维等级的水峰损失

    大多数情况下,散射和吸收特性在制造过程中被锁定在光纤中。 

    然而,弯曲是另一回事…… 

    弯曲

    弯曲是一个非常重要的机制。如前所述,它是由光纤外部因素引起的,因此布线过程和现场安装都会影响弯曲引起的衰减。 

    图 6: Macrobending Light 会从急弯处漏光。

    简而言之,使光纤工作的原因是纤芯和纤芯周围的玻璃(也称为包层)使用了不同类型的玻璃。通过这种方式,创建了一种围绕核心的管状反射镜。这就是将光保持在光纤内部的原因,使用“全内反射”的概念来引导光。然而,这面镜子并不是完美的一面。只有当光纤中的光线几乎与纤芯平行时才有效,因此如果光纤弯曲(太)紧(即当反射变成折射时超过“临界角”),光就会从光纤中泄漏出来造成损失或衰减。 

    这被称为宏观弯曲,其中弯曲的直径大于几毫米,这就是人们直观理解的“弯曲”光纤。 

    图 7: 由侧向应力引起的微弯损失。

    另一种类型的弯曲称为微弯曲。它涉及小于 1 毫米的弯曲直径,并且可能发生 - 例如 - 如果纤维被挤压在两张砂纸之间。更相关的是,如果光纤被挤压在光缆结构内(例如被包含光纤的管子挤压),也可能会发生这种情况,从而对光纤产生应力。随着负载/应力的增加,损耗也会增加。 

    两种类型的弯曲损耗都会导致衰减增加,但可以通过考虑不同波长下增加的损耗来区分这两种类型的弯曲,如图 8 所示。 

    宏弯损耗在短波长处往往很小,但在较长波长处可能会显着增加。 

    图 8: 微观和宏观弯曲损耗与波长之间的差异

    微弯损耗通常也存在于短波长处,但损耗增加往往小于长波长处的宏弯损耗。 

    光纤部署的所有趋势都表明光纤弯曲性能越来越重要。 

    服务提供商不断希望将更多光纤放入更小的空间,这意味着尽管缓冲管直径不断缩小,但这些缓冲管中使用的光纤数量不断增加。这导致光纤在接触缓冲管壁之前移动的空间较小,从而增加了微弯的风险。 

    此外,服务提供商主要在外部设备、中心局内部或远程机柜中安装电缆。到处都非常小心,以避免小直径弯曲。然而,今天的光纤正在走向它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 站点供电。 

    对弯曲的容忍度在未来将变得更加重要。 

    微观和宏观弯曲以并不总是很明显的方式影响网络。 

    在寒冷的温度环境中有时会遇到与弯曲相关的损失。因此,光纤和光缆应始终在低温条件下进行测试。作为网络设计人员,对于低温下潜在的小幅衰减增加,至少考虑一些光学裕度总是一个好主意。 

    图 9: 下一代光纤网络可能使用比现在更长的波长——增加对低弯曲的要求
    损耗光纤现在已经。

    特别是非常高密度的设计可能会受益于使用弯曲不敏感光纤,因为在电缆设计本身中不可避免的弯曲和缺乏用于光纤移动的自由空间。 

    虽然这些问题今天已经很重要,但明天它们将变得更加重要。原因是下一代光传输协议通常可能使用比现有协议更长的波长。 

    如前所述,更长的波长通常会导致更高的弯曲损耗。从理论上讲,今天在 1490 nm 下完美运行的 GPON 网络(包含无意的弯曲)在升级到 NG-PON2(在 1603 nm 下运行)时,其覆盖范围可能会减少近一半。 

    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。 

    帮助正在路上 

    为了实现更紧凑的电缆结构并允许更容易的安装,甚至可能允许使用经验不足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的敏感性降低的光纤上,即由ITU-T G.657 建议书。 

    G.657 规定了 4 种不同类别的光纤:“A1”、“A2”、“B2”和“B3”。 

    “A”光纤还需要满足(或符合)ITU-T G.652.D 建议的规范,而“B”光纤可能在某些参数上偏离 G.652.D。数字(1、2 或 3)表示光纤对弯曲的耐受性——B3 光纤的弯曲耐受性最强。今天,许多“B3”光纤确实符合 G.652.D 并且应该正确地标记为:“A3”,但 ITU-T 没有规定这样的等级。 

    ITU-T G.657.A1 光纤是最接近标准 G.652.D 光纤的光纤,可能很快就会成为绝大多数光纤网络的首选。 OFS 结合了 G.657。 A1 和 G.652.D 性能,模场直径为 9.2 微米。 

    图 10: 光纤分配集线器

    具有 9.2 微米模场直径的 G.657.A1 光纤在熔接方面的表现与标准 G.652 光纤相同——因此可以说是“无缝”接合到已安装光纤的巨大基础上。通过提供与标准 G.652 光纤相同的熔接性能,安装人员和质量检查员不会注意到性能的任何变化,因此无需担心——即使 

    尽管更好地耐受弯曲的优势仍然存在。 

    这些光纤非常适合当今大多数典型的短距离 (<1000 km) 和低数据速率 (<400Gbps) 应用,包括标准室外 (OSP) 松套管、带状、可卷曲带状、微导管电缆和引入电缆。 

    ITU-T G.657.A2 光纤可以弯曲得更紧,损耗更低。它们最常用于中央办公室和机柜环境,例如光纤分配集线器 (FDH)。这些光纤还常用于构建骨干网络,并用作各种预端接面板和其他设备的尾部。在这些环境中,光纤可能需要比在典型的 OSP 电缆应用中弯曲得更紧。 

    刚才提到的 A1 和 A2 光纤的应用空间通常需要一根光纤来为数千个客户承载流量,这意味着光纤中断会影响对数千个用户的服务。因此,可靠性是最重要的。在这种情况下,A2 光纤(以及 A1 光纤)的优势在于,只要它们弯曲得足够紧,可能会导致可靠性问题,就可以提供衰减增加的“预警”信号。这对于中心局应用尤为重要,在这种应用中,一根光纤可以为数百万客户提供馈电。 

    ITU-T G.657.B3 光纤是弯曲不敏感光纤的第三大类。这些光纤被设计和推荐用于光纤到户 (FTTH) 网络的引入部分,每根光纤为少数客户提供服务。拥有大量狭小空间的房屋和建筑物是部署光纤的要求非常高的地方。为了在此类应用中优化性能,OFS 的光纤设计和指定用于弯曲半径低至 2.5 毫米,这明显小于 G.657.B3 建议中规定的最小弯曲半径 5 毫米。 

    OFS 将光纤用于直径仅为 0.6 毫米的光缆,通过最少的弯曲管理实现几乎看不见的内部光缆布线。这避免了在私人住宅中的笨重和令人反感的安装。对于要求更高的部署,直径为 4.8 或 3 毫米的坚固电缆设计甚至可以绕角布线并使用快速简便的安装方法进行钉合,信号损失可以忽略不计。 

    不符合 G.652.D 的 G.657 光纤通常被认为具有非常小的纤芯,当与标准 G.652.D 光纤熔接时会导致显着的额外熔接损耗。然而,也不一定如此。有可能获得 G.657.B3 光纤指定为 2.5 毫米的超低弯曲半径,尽管这些光纤不是“无缝”光纤——但它们实际上符合 G.652.D 的建议核心大小。阻止此类光纤符合 G.652.D 的唯一因素是色散,由于它们主要用于建筑内应用,因此长度通常远小于 10 – 40 公里的光纤长度,其中较高的色散通常可能会开始出现问题。 

    然而,新利18APP弯曲损耗,这种光纤的性能要好得多。这种光纤在 1550 nm 处单匝半径为 2.5 mm 的损耗最大。 0.2 dB – 而标准 G.652.D 光纤的类似损耗超过 30 dB。