一种G657预制棒设计以及光纤性能

责任编辑：匿名 (未验证) 2010/04/29 作者：冯术娟吴江查健江严薇

一、前言

在光纤到户中，光缆经常要遇到通过弯曲半径小于30mm的狭小空间，应用场合复杂，多为街道、楼宇、拐角等，接入点多，且布线时经常需要悬拉、折弯等操作，由于普通的G652光纤原设计的允许的弯曲半径为30mm，所有普通G652光纤不能胜任光纤到户中更小的弯曲半径接入的需要。这对光纤的弯曲性能提出了更高的要求。一种被称为接入网用弯曲损耗不敏感光纤（G.657）的新型光纤应运而生，其主要特性就是在更小的弯曲半径下弯曲损耗不增加。

二、弯曲不敏感G657光纤、预制棒设计及工艺
设计弯曲不敏感单模光纤G657必须在普通单模光纤的基础上考虑光纤的弯曲附加损耗：
1、光纤弯曲附加损耗的机理：
光纤弯曲可模仿成如图1所示的弯曲波导：

图1 弯曲波导示意图

现代光纤最重要的优点之一就是它的易弯曲性，如果光纤弯曲的曲率半径太小，将引起光的传播途径的改变，使光从纤芯渗透到包层，甚至有可能穿过包层向外渗漏。在正常情况下，光在光纤里沿轴向传播的常数β应满足：n₂k₀＜β＜n₁k₀。当光纤弯曲时，光在弯曲部分中进行传输，要想保持同相位的电场和磁场在一个平面里，则越靠近外侧，其速度就会越大。当传到某一位置时，其相速度就会超过光速，这意味着传导模要变成辐射模。所以光束功率的一部分会损耗掉，这也就意味着衰减将会增加。
下面参照Luc B.jeunhomme弯曲损耗理论分析：首先把弯曲光纤场的分布近似成薄膜介质带状波导弯曲场的分布，并能满足弱导条件△＜1％，则弯曲波导沿轴向外辐射的单位弧长上的功率损耗系数

，单位弧长上的弯曲损耗dB为

：

（1）

（2）

其中，u，w分别为径向归一化相位常数和径向归一化衰减常数，β是轴向传播常数，a是纤芯半径，v是归一化频率，是一阶第二类修正贝塞尔函数，从公式2中可以看出弯曲损耗

随着弯曲半径R的减小而增大。
2、MAC值设计：
对于阶跃折射率单模光纤，用模长直径（Mode field diameter，MFD）与截止波长λ_c之间的特征来表示。这个著名的无量纲参数被称为MAC值，MAC可由公式（3）求得：

（3）

通过研究发现，光纤的弯曲敏感性随着MAC值的减小而降低。因此小的模长直径和长的截止波长的光纤即MAC值小比MAC值大具有更低的弯曲敏感性。因此设计G657光纤预制棒首先考虑的是降低MAC值，适当降低光纤的模长直径，适当提高光纤的截止波长。这样可以改善光纤的弯曲敏感性。
3、G657预制棒设计：
对于常规的光纤预制棒的设计，考虑的是光纤的结构参数，模长直径、截止波长、零色散波长满足使用要求，并尽量达到最佳化，同时考虑合适的损耗和弯曲特性。如图2使光纤参数在图中6条曲线的范围内。

图2 单模光纤结构参数

关系图

针对G657光纤我们不能单纯考虑光纤的结构参数，更多的是要考虑光纤的弯曲损耗特征。从公式2中，规定临界的弯曲半径，规定可接受的宏弯附加损耗系数，计算出G657光纤的折射率差和光纤的芯径，再来设计G657光纤预制棒。
4、G657预制棒工艺：
考虑到改善光纤的弯曲敏感性，光纤的机械性能，以及最终光纤成本等因素，采用全火焰水解法（AFHD），制作低水峰、弯曲不敏感光纤预制棒，使用AFHD法制作芯棒，在高温下及氦气和氯气的氛围中脱水烧结成实心的母棒，然后将母棒延伸成多根子棒。每根子棒通过OVD外沉积、烧结成为可以拉丝数百公里的弯曲不敏感光光纤。

三、G657弯曲不敏感光纤性能
1、G657光纤参数：
由上述工艺生产出来的G657光纤，B类光纤1200公里

表1 AFHD低水峰弯曲不敏感光纤主要传输性能表

项目	单位	指标范围	典型值
项目	单位	B2类	B2类
1310nm衰减	dB/km	≤0.40	0.34
1550nm衰减	dB/km	≤0.23	0.195
1383nm衰减	dB/km	≤0.32	0.29
1625nm衰减	dB/km	≤0.25	0.22
1550nm色散系数	ps/(nm.km)	≤18	17.8
偏振模色散（PMD）	ps/√km	≤0.1	0.05
截止波长（λ_c）	nm	1150-1340	1283
零色散波长（λ₀）	nm	1310~1370	1329
零色散斜率（S₀）	ps/nm²*km	≤0.092	0.089

表2 AFHD低水峰弯曲不敏感光纤弯曲VS MFD性能表

	新ITU-T G657 B2	宏弯附加损耗dB
	MFD 1310nm	R10 x 1圈		R7.5 x 1圈
	µm	1550nm	1625nm	1550nm	1625nm
G657B2	6.3～9.5 ± 0.4	<0.1	<0.2	<0.5	<1.0
典型值	8.12	0.0173	0.092	0.09	0.41

2、宏弯附加损耗与光纤弯曲半径关系：

图3 宏弯损耗VS 弯曲半径

如图3，对于给定的折射率差、工作波长和截止波长的G657光纤，一定会有一个临界曲率半径R，当实际曲率半径接近R时，弯曲损耗从可以忽略的数值急剧增加到不可容忍的数值，从上图可以得出这类G657光纤，临界曲率半径为7.5mm，如果弯曲半径小于7.5mm是，在1625nm波长出宏弯附加损耗超出1dB。
3、宏弯附加损耗与MAC的关系：
G657光纤的宏弯附加损耗都随着MAC值的增加而增加，如图4实际MAC值与宏弯附加损耗的关系。在设计G657光纤时，降低模长直径、增加截止波长能达到降低MAC的目的。但模长直径如果过小，在与常规光纤熔接时造成很大的熔接损耗，光缆的截止波长必须小于1260，因此光纤的截止波长增大的空间非常有限，所有需要模长直径和截止波长两个参数上平衡，满足实际需要。

图4 宏弯损耗VS MAC

4、光纤的熔接损耗：
光纤的熔接损耗主要取决于光纤的模长直径的差异，由于弯曲不敏感G657光纤和G.652普通光纤存在的模场直径比较大的差异，导致弯曲不敏感G657光纤与G.652光纤熔接是熔接损耗增加。理论熔接损耗的计算公式4为：

（4）

其中w₁、w₂为熔接的光纤的模长直径
（1）当w₁=w₂，即两根光纤的模长直径相同，由公式4计算出理论熔接损耗B=0。
（2）按G657B2类光纤模长直径中值w₁＝8.1的光纤和普通G652光纤模长直径中值w₂=9.2的光纤进行熔接，由公式4计算出理论熔接损耗B=0.0702dB。
因此将此类G657光纤接入目前的普通光纤网络中，与普通G652光纤熔接，熔接损耗理论上能够满足系统的要求。
但实际熔接过程中，光纤的熔接损耗还受到纤芯和包层同心度、纤芯的不圆度等参数差异的影响。用AFHD工艺生产的G657B2 光纤与普通G657光纤熔接试验（采用藤仓50S熔接机，采用双向平均OTDR值作为熔接损耗）。
我们将模长直径为8.11µm弯曲不敏感光纤G657B2光纤与模长直径为9.21µm的G.652光纤进行熔接, 通过100次熔接，熔接损耗测试值分布如图5所示。

图5 G657弯曲不敏感B类光纤与G.652光纤熔接损耗分布（dB）

四、结论
采用AFHD工艺生产G657弯曲不敏感光纤，有如下优点：1、用这种工艺生产的G657弯曲不敏感光纤具有优异的抗弯曲性能；2、与普通光纤熔接具有低的熔接损耗；3、这种光纤可以提供全波长传输；4、适合大规模生产。因此我们的这类G657弯曲不敏感光纤在FTTH接入网项目的建设中有比较明显的优势。