轿顶山——超低成本享清凉
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重要光纤类型及应用指南
在不断扩展的光纤通信世界中，一种尺寸并不适合所有的光纤。符合国际电信联盟G.652规范的步进式单模光纤有时被称为"标准单模"，因为它们已经被广泛使用了几十年。然而，G.652光纤已经随着需求的变化而发展，其他单模光纤已经被开发出新的用途，多模光纤已经找到了新的市场，并且出现了更多的奇异光纤。
重要光纤类型及应用指南
这些变化反映了为特定应用定制光纤的优势。室内使用的导管中需要抗弯曲的纤维。收缩纤维包层允许在电缆中使用更多的纤维数量。低水光纤可以在1270和1610nm之间以20nm为步长进行廉价的粗波分复用（WDM）。超低损耗光纤可以拉伸放大器的间距。多模分级光纤可以在短距离内传输高数据速率，削减发射机和接收机成本。
以下是重要光纤类型及其在通信中的应用指南：
渐变折射率多模光纤
梯度指数多模光纤最初是在20世纪60年代末开发的，目的是增加大芯光纤的带宽，现在主要用于短数据链路。过去使用的是LED光源，但现在大多数数据链路的速度都需要大规模生产的发射波长为800至960nm的垂直腔面发光激光器（VCSELs）。大多数分级光纤的纤芯为50μm，但一些纤芯为62.5μm的光纤仍在使用。表中列出了标准多模光纤的性能。
在实际应用中，多模数据链路只使用到550米左右，更远的距离使用单模光纤。虽然多模光纤在1310nm波段的损耗比短波长的损耗低，但廉价的VCSEL只在短波长波段大量生产。OM3和更新的标准使用VCSEL支持每秒多千兆比特的数据传输速率。
OM5标准规定，在850——953nm的两个或四个波长上，以25Gbit/s的短波分复用(SWDM)传输速率达到100Gbit/s的双工。2020年1月，IEEE工作组批准了IEEEP802.3cm400Gbit/soverMultimodeFiber标准，该标准将400Gbit/s信号在4根或8根光纤中进行分流，跨度可达100或150米，主要应用在大型数据中心内和5G网络的短距离高速链路上。
重复使用旧版光纤
数据中心安装的传统多模光纤可以重新利用，以高于表中所列的速率传输单模信号。Cailabs(法国雷恩)已经开发出一种光学器件，可以将高达99.5%的单模输入耦合到光纤的多种模式之一。他们报告说，传输速率为10Gbit/s，最高可达一公里，并正在测试100Gbit/s的速率。
二十年前安装的遗留G.652单模光纤，如果仍然是暗的或未充分使用，只需要进行最小的处理，就可以点亮使用。得益于数字信号处理和相干光传输，原本安装在一个或几个波长上传输10Gbit/s的G.652光纤可以在多达100个波长上传输相干的100Gbit/s信号，而不需要以适当的排列方式拼接不同类型的光纤来管理色散。这为传统光纤带来了新的生命，并可以为运营商节省安装新电缆的高昂费用，在城市地区安装新电缆的费用高达50万美元。
单模光纤标准
国际电联G.652单模标准的第一个版本是在1984年起草的，当时光纤通信的波长限制在1310纳米，那里的色散基本为零。它要求模场直径为8.6至9.5微米，截止波长不超过1260纳米，1310纳米处衰减不超过0.5分贝/公里，1550纳米处衰减不超过0.4分贝/公里。掺铒光纤放大器(EDFA)的发展将大部分传输转移到了1550nm窗口，但G.652光纤仍在广泛使用，当前G.652.D版本最显著的变化是将1310至1625nm处的损耗限制降低到0.4dB/km，1530至1565nm处的损耗限制降低到0.30dB/km6。
随着光纤传输的发展，其他新标准也随之而来。零色散移至1550nm的光纤的发展刺激了G.653标准的发展。最初的版本于1988年通过，要求纤芯直径为7.8至8.5微米，1500至1600纳米之间为零色散，最大色散为3.5ps/(nm-km)。一些零色散光纤仍在使用，但1550nm铒波段严重的四波混杂噪声使WDM不切实际，除非在1570——1625nmL波段使用放大器。
ITUG.654标准是为另一种基本被废弃的技术而制定的：1300nm附近零色散的海底电缆，单模截止波长转移到长达1530nm的波长。最近的变化将1530至1612nm处的最大损耗降低到0.25dB/km，因此它可以用于色散管理海底电缆的L波段传输。
WDM和色散管理的发展也导致了1996年ITUG.655非零色散位移单模光纤标准的出台.该标准规定的色散高到足以防止紧密间隔的光通道之间的非线性串扰，但低到足以允许通过混合不同色散的光纤进行色散补偿。最大单模截止波长为1450nm，最小和最大色散的单独公式规定了1460和1550nm之间的值，以及1550和1625nm之间的值，以允许通过拼接不同色散的光纤长度进行色散补偿。
另一个色散驱动的标准是G.656，2004年提供的是1460到1625nm之间低色散的单模光纤，适用于四波混杂不会成为严重问题的宽幅分离的WDM系统。后来，它被修改为用于拉曼光放大。
相干光传输采用数字信号处理进行前向纠错，避免了色散管理的需要，基本上不需要严格规定色散的标准。
弯曲损耗不敏感光纤
当光纤安装在网络的接入和传输部分的狭小空间时，弯曲损耗可能是一个重要的问题，因此ITU制定了G.657标准，定义了两类光纤的抗弯曲性能。A类涵盖了在传输和接入网中使用的G.652型光纤，它的弯曲半径可以是10或7.5mm。B类涵盖接入网中可能不符合G.652的光纤，当弯曲到7.5毫米或5毫米的半径时，具有低损耗。
弯曲损耗发生在单模光纤遇到弯曲或紧密包装的地方，如机柜、电缆管道、立管和隔板内。限制损耗的一种方法是减小模场直径，以改善对光的限制。另一种方法是嵌入一层折射率较低的玻璃，作为紧邻核心的凹陷内包层，或作为包层内的"沟槽"。其他的选择包括在纤芯中嵌入亚波长的孔或纳米结构。
1.用于降低弯曲损耗和改善导光性的光纤结构。
减薄型光纤
减少光纤的厚度可以让光纤被挤压成更小的体积，并弯曲成更小的半径，而不会引发可能导致光纤断裂的微小裂缝的形成。它还可以让更多的光纤装入电缆中。有两种选择：减少包层和覆盖在包层上的保护层，或者只减少保护层。
2.缩小包层直径如何改变10µm纤芯的单模光纤的尺寸。
标准光纤的外径为125µm，与单模光纤10µm的纤芯相比，纤芯很厚。可以将包层直径减小到80µm，这样光纤的玻璃体积就减少了2.4倍。带有塑料涂层的缩小包层光纤的外径约为170µm，而普通涂层光纤的外径为250µm。
另外，在标准的125µm包层上涂抹的涂层厚度也可以减少，因此涂覆纤维的直径只有200µm，而不是通常的250µm。
低水光纤
标准的光纤制造会留下氢的痕迹，氢在熔融硅纤维中与氧结合成羟基，在1360和1460nm之间吸收，在1383nm处有一个强峰。当光纤系统只在1310和1550nm波段工作时，这个波段可以忽略，但对于1270和1610nm之间20nm间距的廉价粗波分复用来说，这个波段就成了问题。
3.低水位和零水位峰值纤维的损耗比较（由Sterlite技术公司提供）。
已开发出将光纤中的氢气(通常称为"水")降低到两个水平的工艺。"低水"光纤通常在1383nm峰值处的损耗不高于1310nm处的损耗，通常低于0.34dB/km。目前版本的G.652.D和G.657标准都规定，1310——1625nm之间的光纤损耗应不超过0.40dB/km，低水光纤符合这一要求。标准还要求1383nm峰值处的损耗即使在老化后也要保持在0.4dB/km以下。
零水光纤可进一步降低OH的吸收，使1383nm峰值基本消失，衰减低于0.27和0.31dB/km。要达到如此低的损耗，需要用氘（重氢-2同位素）进一步加工，以阻止轻氢与玻璃中的氧结合，保持低吸收。
单模光纤的其他特殊功能
一些通信光纤提供了针对特殊情况进行优化的功能，例如拉伸放大器间距或跨越非常长的距离。
其中一个特点是扩大单模光纤的有效模式面积。虽然G.652的纤芯直径名义上是9到10微米，但它传输的单模以高斯模式扩散，因此有效模式面积更大一些--大约80nm2。如果这种光纤传输的功率很大，那么在靠近发射器或放大器的区域，功率最大的地方就会产生非线性效应。扩大有效模式面积可以降低纤芯的功率密度，减少非线性效应。改变磁芯-包层折射率差可以将有效模面积增加到100µm2以上，但这是有限制的。
大的有效模面积可以与极低的衰减相结合。例如，康宁公司（纽约州康宁市）和OFSOptics公司（佐治亚州诺克罗斯市）都提供了用于海底电缆的单模光纤，其有效模面积为125和150µm2，在1550nm处的衰减低于0.16dB/km。
还为通信系统中的端接或耦合光纤等任务制造了特殊光纤。
微结构和空芯光纤
新一代的光纤技术已经出现，基于微结构光纤，其长度上有孔。它们依靠光子晶体、光子带隙或其他结构来限制光，开辟了新的可能性。
微结构光纤具有由不同密度的微结构所产生的材料折射率差异；这些折射率差异引导或限制光。如果微结构与光纤传输的波长相比较小，它所包含的孔洞就会降低孔隙材料的平均折射率，因此它可以作为低折射率的包层，引导光通过固体或孔隙核心。
光子晶体光纤会产生光子带隙效应，阻止某些波长的光通过某些区域的传输。这种现象可用于将某些波长的光限制在一个有效面积较大的芯内，OFS光学公司在2020年10月出版的《激光聚焦世界》中对此进行了描述。网格结构作为内包层。标有"分流器"的六个六边形单元围绕着25微米的核心，将高阶模式从25微米的大核心中分流出来，使其有效地成为单模。
4.OFSOptics的中空芯光子带隙光纤的结构，该光纤在真空中以接近光速的速度传输信号（OFSOptics提供）。
虽然光子带隙光纤比传统的实芯光纤有更高的损耗，但其中空芯可以以30万公里/秒的速度传输光，而不是实芯光纤的20万公里/秒。光在中空芯中的领先时间获得了1.5微秒/公里，对于高频交易商来说，微秒意味着金钱，他们要为通过特殊电缆传输支付溢价。
2020年，南安普顿大学的衍生公司Lumenisity（英国罗姆西）推出了使用基于嵌套抗谐振无节光纤（NANF）技术的新型中空芯光纤的有线光纤。在这里，中空芯周围环绕着一层坚实的包层，其中几对嵌套的芯沿芯-包层边界运行。与光子带隙光纤相比，这种方法可以在更宽的波长范围内实现低损耗传输。在OFC2020上，南安普顿的研究人员报告说，在实芯光纤衰减的1550nm最小值处，损耗仅为0.28dB/km。
5.最小损耗为0.28dB/km的中空芯NANF光纤的结构（左）及其在1200和1700之间的衰减（蓝色）与早期最小为0.65dB/km的NANF光纤、纯硅实芯光纤（紫色）和光子带隙光纤（绿色）的衰减比较。
研究管道
另外两种新兴的实芯光纤仍在研究之中。
少模光纤的有效模态面积略高于单模工作的上限，使其只能携带少数几个模态(相比之下，传统多模光纤有数百或数千个模态)。研究人员已经证明，模分复用可以将单模信号耦合到少模光纤中的各个模式中，并在没有明显的串扰的情况下将其分离出来。
多芯光纤在其包层内嵌入了许多独立的导光芯，并将其分开以防止串扰。这样就可以实现芯分复用，每个芯传输单独的信号。
重要光纤类型及应用指南
这两种技术都已经在高数据速率下得到了证明，实验者已经成功地制造出包含多个芯的光纤，所有芯都以多种模式传输信号。这两种技术与在同一光缆中的不同光纤中或在平行线路中分别传输不同信号的不太优雅的方法一起被归类为空分复用。某种形式的空分多路复用在我们的未来，但哪种方法在电信系统中最具成本效益仍有待确定。
在不断扩展的光纤通信世界中，一种尺寸并不适合所有的光纤。符合国际电信联盟G.652规范的步进式单模光纤有时被称为"标准单模"，因为它们已经被广泛使用了几十年。然而，G.652光纤已经随着需求的变化而发展，其他单模光纤已经被开发出新的用途，多模光纤已经找到了新的市场，并且出现了更多的奇异光纤。
重要光纤类型及应用指南
这些变化反映了为特定应用定制光纤的优势。室内使用的导管中需要抗弯曲的纤维。收缩纤维包层允许在电缆中使用更多的纤维数量。低水光纤可以在1270和1610nm之间以20nm为步长进行廉价的粗波分复用（WDM）。超低损耗光纤可以拉伸放大器的间距。多模分级光纤可以在短距离内传输高数据速率，削减发射机和接收机成本。
以下是重要光纤类型及其在通信中的应用指南：
渐变折射率多模光纤
梯度指数多模光纤最初是在20世纪60年代末开发的，目的是增加大芯光纤的带宽，现在主要用于短数据链路。过去使用的是LED光源，但现在大多数数据链路的速度都需要大规模生产的发射波长为800至960nm的垂直腔面发光激光器（VCSELs）。大多数分级光纤的纤芯为50μm，但一些纤芯为62.5μm的光纤仍在使用。表中列出了标准多模光纤的性能。
在实际应用中，多模数据链路只使用到550米左右，更远的距离使用单模光纤。虽然多模光纤在1310nm波段的损耗比短波长的损耗低，但廉价的VCSEL只在短波长波段大量生产。OM3和更新的标准使用VCSEL支持每秒多千兆比特的数据传输速率。
OM5标准规定，在850——953nm的两个或四个波长上，以25Gbit/s的短波分复用(SWDM)传输速率达到100Gbit/s的双工。2020年1月，IEEE工作组批准了IEEEP802.3cm400Gbit/soverMultimodeFiber标准，该标准将400Gbit/s信号在4根或8根光纤中进行分流，跨度可达100或150米，主要应用在大型数据中心内和5G网络的短距离高速链路上。
重复使用旧版光纤
数据中心安装的传统多模光纤可以重新利用，以高于表中所列的速率传输单模信号。Cailabs(法国雷恩)已经开发出一种光学器件，可以将高达99.5%的单模输入耦合到光纤的多种模式之一。他们报告说，传输速率为10Gbit/s，最高可达一公里，并正在测试100Gbit/s的速率。
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单模光纤标准
国际电联G.652单模标准的第一个版本是在1984年起草的，当时光纤通信的波长限制在1310纳米，那里的色散基本为零。它要求模场直径为8.6至9.5微米，截止波长不超过1260纳米，1310纳米处衰减不超过0.5分贝/公里，1550纳米处衰减不超过0.4分贝/公里。掺铒光纤放大器(EDFA)的发展将大部分传输转移到了1550nm窗口，但G.652光纤仍在广泛使用，当前G.652.D版本最显著的变化是将1310至1625nm处的损耗限制降低到0.4dB/km，1530至1565nm处的损耗限制降低到0.30dB/km6。
随着光纤传输的发展，其他新标准也随之而来。零色散移至1550nm的光纤的发展刺激了G.653标准的发展。最初的版本于1988年通过，要求纤芯直径为7.8至8.5微米，1500至1600纳米之间为零色散，最大色散为3.5ps/(nm-km)。一些零色散光纤仍在使用，但1550nm铒波段严重的四波混杂噪声使WDM不切实际，除非在1570——1625nmL波段使用放大器。
ITUG.654标准是为另一种基本被废弃的技术而制定的：1300nm附近零色散的海底电缆，单模截止波长转移到长达1530nm的波长。最近的变化将1530至1612nm处的最大损耗降低到0.25dB/km，因此它可以用于色散管理海底电缆的L波段传输。
WDM和色散管理的发展也导致了1996年ITUG.655非零色散位移单模光纤标准的出台.该标准规定的色散高到足以防止紧密间隔的光通道之间的非线性串扰，但低到足以允许通过混合不同色散的光纤进行色散补偿。最大单模截止波长为1450nm，最小和最大色散的单独公式规定了1460和1550nm之间的值，以及1550和1625nm之间的值，以允许通过拼接不同色散的光纤长度进行色散补偿。
另一个色散驱动的标准是G.656，2004年提供的是1460到1625nm之间低色散的单模光纤，适用于四波混杂不会成为严重问题的宽幅分离的WDM系统。后来，它被修改为用于拉曼光放大。
相干光传输采用数字信号处理进行前向纠错，避免了色散管理的需要，基本上不需要严格规定色散的标准。
弯曲损耗不敏感光纤
当光纤安装在网络的接入和传输部分的狭小空间时，弯曲损耗可能是一个重要的问题，因此ITU制定了G.657标准，定义了两类光纤的抗弯曲性能。A类涵盖了在传输和接入网中使用的G.652型光纤，它的弯曲半径可以是10或7.5mm。B类涵盖接入网中可能不符合G.652的光纤，当弯曲到7.5毫米或5毫米的半径时，具有低损耗。
弯曲损耗发生在单模光纤遇到弯曲或紧密包装的地方，如机柜、电缆管道、立管和隔板内。限制损耗的一种方法是减小模场直径，以改善对光的限制。另一种方法是嵌入一层折射率较低的玻璃，作为紧邻核心的凹陷内包层，或作为包层内的"沟槽"。其他的选择包括在纤芯中嵌入亚波长的孔或纳米结构。
1.用于降低弯曲损耗和改善导光性的光纤结构。
减薄型光纤
减少光纤的厚度可以让光纤被挤压成更小的体积，并弯曲成更小的半径，而不会引发可能导致光纤断裂的微小裂缝的形成。它还可以让更多的光纤装入电缆中。有两种选择：减少包层和覆盖在包层上的保护层，或者只减少保护层。
2.缩小包层直径如何改变10µm纤芯的单模光纤的尺寸。
标准光纤的外径为125µm，与单模光纤10µm的纤芯相比，纤芯很厚。可以将包层直径减小到80µm，这样光纤的玻璃体积就减少了2.4倍。带有塑料涂层的缩小包层光纤的外径约为170µm，而普通涂层光纤的外径为250µm。
另外，在标准的125µm包层上涂抹的涂层厚度也可以减少，因此涂覆纤维的直径只有200µm，而不是通常的250µm。
低水光纤
标准的光纤制造会留下氢的痕迹，氢在熔融硅纤维中与氧结合成羟基，在1360和1460nm之间吸收，在1383nm处有一个强峰。当光纤系统只在1310和1550nm波段工作时，这个波段可以忽略，但对于1270和1610nm之间20nm间距的廉价粗波分复用来说，这个波段就成了问题。
3.低水位和零水位峰值纤维的损耗比较（由Sterlite技术公司提供）。
已开发出将光纤中的氢气(通常称为"水")降低到两个水平的工艺。"低水"光纤通常在1383nm峰值处的损耗不高于1310nm处的损耗，通常低于0.34dB/km。目前版本的G.652.D和G.657标准都规定，1310——1625nm之间的光纤损耗应不超过0.40dB/km，低水光纤符合这一要求。标准还要求1383nm峰值处的损耗即使在老化后也要保持在0.4dB/km以下。
零水光纤可进一步降低OH的吸收，使1383nm峰值基本消失，衰减低于0.27和0.31dB/km。要达到如此低的损耗，需要用氘（重氢-2同位素）进一步加工，以阻止轻氢与玻璃中的氧结合，保持低吸收。
单模光纤的其他特殊功能
一些通信光纤提供了针对特殊情况进行优化的功能，例如拉伸放大器间距或跨越非常长的距离。
其中一个特点是扩大单模光纤的有效模式面积。虽然G.652的纤芯直径名义上是9到10微米，但它传输的单模以高斯模式扩散，因此有效模式面积更大一些--大约80nm2。如果这种光纤传输的功率很大，那么在靠近发射器或放大器的区域，功率最大的地方就会产生非线性效应。扩大有效模式面积可以降低纤芯的功率密度，减少非线性效应。改变磁芯-包层折射率差可以将有效模面积增加到100µm2以上，但这是有限制的。
大的有效模面积可以与极低的衰减相结合。例如，康宁公司（纽约州康宁市）和OFSOptics公司（佐治亚州诺克罗斯市）都提供了用于海底电缆的单模光纤，其有效模面积为125和150µm2，在1550nm处的衰减低于0.16dB/km。
还为通信系统中的端接或耦合光纤等任务制造了特殊光纤。
微结构和空芯光纤
新一代的光纤技术已经出现，基于微结构光纤，其长度上有孔。它们依靠光子晶体、光子带隙或其他结构来限制光，开辟了新的可能性。
微结构光纤具有由不同密度的微结构所产生的材料折射率差异；这些折射率差异引导或限制光。如果微结构与光纤传输的波长相比较小，它所包含的孔洞就会降低孔隙材料的平均折射率，因此它可以作为低折射率的包层，引导光通过固体或孔隙核心。
光子晶体光纤会产生光子带隙效应，阻止某些波长的光通过某些区域的传输。这种现象可用于将某些波长的光限制在一个有效面积较大的芯内，OFS光学公司在2020年10月出版的《激光聚焦世界》中对此进行了描述。网格结构作为内包层。标有"分流器"的六个六边形单元围绕着25微米的核心，将高阶模式从25微米的大核心中分流出来，使其有效地成为单模。
4.OFSOptics的中空芯光子带隙光纤的结构，该光纤在真空中以接近光速的速度传输信号（OFSOptics提供）。
虽然光子带隙光纤比传统的实芯光纤有更高的损耗，但其中空芯可以以30万公里/秒的速度传输光，而不是实芯光纤的20万公里/秒。光在中空芯中的领先时间获得了1.5微秒/公里，对于高频交易商来说，微秒意味着金钱，他们要为通过特殊电缆传输支付溢价。
2020年，南安普顿大学的衍生公司Lumenisity（英国罗姆西）推出了使用基于嵌套抗谐振无节光纤（NANF）技术的新型中空芯光纤的有线光纤。在这里，中空芯周围环绕着一层坚实的包层，其中几对嵌套的芯沿芯-包层边界运行。与光子带隙光纤相比，这种方法可以在更宽的波长范围内实现低损耗传输。在OFC2020上，南安普顿的研究人员报告说，在实芯光纤衰减的1550nm最小值处，损耗仅为0.28dB/km。
5.最小损耗为0.28dB/km的中空芯NANF光纤的结构（左）及其在1200和1700之间的衰减（蓝色）与早期最小为0.65dB/km的NANF光纤、纯硅实芯光纤（紫色）和光子带隙光纤（绿色）的衰减比较。
研究管道
另外两种新兴的实芯光纤仍在研究之中。
少模光纤的有效模态面积略高于单模工作的上限，使其只能携带少数几个模态(相比之下，传统多模光纤有数百或数千个模态)。研究人员已经证明，模分复用可以将单模信号耦合到少模光纤中的各个模式中，并在没有明显的串扰的情况下将其分离出来。
多芯光纤在其包层内嵌入了许多独立的导光芯，并将其分开以防止串扰。这样就可以实现芯分复用，每个芯传输单独的信号。
重要光纤类型及应用指南
这两种技术都已经在高数据速率下得到了证明，实验者已经成功地制造出包含多个芯的光纤，所有芯都以多种模式传输信号。这两种技术与在同一光缆中的不同光纤中或在平行线路中分别传输不同信号的不太优雅的方法一起被归类为空分复用。某种形式的空分多路复用在我们的未来，但哪种方法在电信系统中最具成本效益仍有待确定。
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