基于OptiFiber的G.657單模光纖設計

肖承偉

（中移物聯網有限公司，重慶 401336）

關鍵字：G.657光纖；OptiFiber；彎曲損耗；FTTx；仿真建模

1 引言

眾所周知，光纖接入網是現代通信走進千家萬戶的關鍵技術之一。在光纖網絡“最后一公里”建設過程中，由于光纜經多次彎曲后被固定在接線盒等具有狹小空間的終端設備中，如果使用普通光纖，傳輸衰減會陡增，無法滿足通信傳輸要求，因而用于FTTx（Fiber To The x）的光纜對纖芯、敷設方式、成本方面提出新的要求。為了規范抗彎曲單模光纖的性能，國際電信聯盟標準化組織（ITU-T）于2006年12月通過一項新的光纖標準——ITU-T G.657“接入網使用的彎曲損耗不敏感的單模光纖和光纜的特性”。圍繞G.657抗彎曲單模光纖，本文首先分析了G.657光纖的分類及相關典型光纖的主要技術標準，闡述了彎曲性能提高的主要途徑，并利用OptiFiber軟件對典型的G.652光纖的模式數、模場分布、截止波長、彎曲損耗等性能參數進行了建模仿真，以更為形象地展示G.657光纖的性能特點。

2 G.657光纖的抗彎曲特性

2.1 G.657光纖的分類

彎曲不敏感單模光纖因適合室內狹窄空間的密集布線，并能夠充分發揮單模光纖的高帶寬、低衰減和中長短傳輸距離皆宜等優點，逐漸成為FTTx 建設的首選光纖。隨著業界光纖制造工藝水平的不斷進步，近年來各廠家陸續推出了各種彎曲不敏感光纖(G.657光纖)，以滿足FTTx網絡鋪設和傳輸使用要求。

基于ITU-T G.657標準建議，G.657光纖可分為A和B兩大類別，A類要求與G.652光纖完全兼容使用，而B類允許在部分指標上與G.652光纖不兼容，可以具有更小的模場直徑（MFD，Mode Field Diameter）、更大的衰減系數和差異化的光纖結構等。在A和B兩類整體結構的基礎上，按照彎曲等級進一步細分為如下三個小類：

表1 G.657光纖彎曲等級分類表

將是否與G.652兼容（A和B），以及彎曲等級（1、2、3）兩種分類原則結合起來，就構成了2009年G.657標準中的四個子類結構：G.657 A1、A2、B2 和B3（簡稱A1、A2、B2 和B3 光纖）。A1、A2 都是大模場直徑的彎曲不敏感光纖，也是低水峰光纖，滿足G.652.D所有指標要求，即與G.652.D可完全兼容使用B2、B3，由于主要應用于短距離通信，其衰減、模場直徑、色散、偏振模色散等指標不要求與G.652完全相同，因此不能保證與G.652.D 兼容；A2 相對于A1 彎曲性能更好；B3相對于A2、B2 的彎曲性能更好，達到5mm 彎曲半徑的使用要求；總之，滿足G.657.A2 的標準，自然也就滿足G.652.D、G.657.A1和G.657.B2的標準。

2.2 G.657 A2光纖的主要技術標準

表2 為ITU-T G.657 建議（2009 年版本）中A2 光纖的主要技術參數。從表中可看出，G.657.A2 光纖的各項指標與G.652D 光纖相比，在彎曲性能上有了較大的提高，因而可以認為G.657.A2 光纖是改進型G.652.D 光纖。

表2 G.657.A2 光纖的主要技術標準表

2.3 提高光纖抗彎曲性能的主要途徑

光纖的彎曲損耗主要是由于光在傳輸過程中不滿足全內反射條件造成的，可分為宏彎損耗和微彎損耗兩種不同類型。宏彎損耗是指光在彎曲的光纖中進行傳輸，當超過一定的臨界曲率時，傳導模變成輻射模，引起光束功率的損耗；而微彎損耗是指光纖在其正常（直的）位置附近以微小偏移作隨機振蕩，盡管偏移量小（曲率半徑可與光纖的橫截面相比擬），但振蕩周期一般很小，發生急劇的局部彎曲而產生的功率損耗。

常見的提高光纖抗彎曲性能的主要途徑如下：

（1）減少光纖芯徑，減少模場直徑（MFD），從而增加光纖抗彎曲能力；

（2）加大光纖纖芯和包層的折射率差，在制造過程中可通過纖芯高摻鍺或包層中摻少量P2O5和較多的F來實現；

（3）采用光子晶體光纖（PCF，Photonic Crystal Fibers）、孔助光纖（HAF，Hole-Assisted Fibers）等特殊工藝，改變現有G.652光纖階躍折射率分布剖面結構。

3 G.657光纖的設計

由于G.657.A1光纖的彎曲性能相對于G.652光纖而言，并沒有明顯的改善（其最小彎曲半徑為10mm）。目前國內外各大光纖光纜廠家基本上是依據光纖的MAC 值，即在1310nm的光纖模場直徑與截止波長的比值，從G.652光纖中篩選出滿足G.657.A1標準的產品。

但對于最小彎曲半徑有更高要求的A2、B2和B3光纖而言，因其彎曲性能相對于G.652光纖而言有明顯的改善，目前國內外各大光纖廠家一般通過改變光纖的波導結構來實現彎曲性能的大幅改進。特別是A2 光纖，在滿足最小彎曲半徑達到7.5mm的同時，還必須完全兼容G.652.D光纖，這樣就對光纖的波導結構的設計提出了更高的要求。

以長飛、Draka、Prysmian為代表的廠家的典型設計方案是通過在中心的纖芯摻GeO2以達到較高的折射率，在光纖的內包層中摻少量P2O5和較多的F以減小內包層的折射率，即提高光纖纖芯與包層的折射率差，將光束有效地約束在纖芯傳播，既獲得了對模的緊束縛，又保持了較低的本征損耗，從而改善光纖的彎曲性能。此外，該類光纖除了在預制棒制造過程中折射率控制不同外，其它預制棒和光纖拉絲等生產工藝和常規單模光纖基本相同，因此制造工藝簡單，而且制造成本也不高，容易規模化生產推廣。

4 仿真建模與分析

4.1 G.657光纖的結構設計

根據G.657.A2 的主要技術標準，通過OptiFiber 軟件進行仿真建模，采用上述的下陷內包層光纖設計方案，具體的光纖橫截面結構設計如圖1所示，其中，芯層半徑4.15um，折射率為1.45213，下陷內包層半徑3.15um，折射率為1.44592，外包層半徑55.2um，折射率為1.44692。

4.2 光纖結構所能傳播的模式數

由于單模傳輸條件就是光纖中僅有LP01模可以傳輸，而LP11模以及其他高次模都被截止，即階躍型光纖的主模LP01的歸一化截止頻率Vc=0，次最低階模LP11 的歸一化截止頻率Vc=2.405。如圖2 所示，可以看到當波長為1.31um 時，只能傳輸LP01模式，即基模。但對于給定結構參數的光纖，可傳播的模式數近似與工作波長成反比。在工作波長一定的條件下（一般為0.85um、1.31um或1.55um），傳播模數量主要取決于光纖半徑和芯層包層折射率差。如圖3所示，當光纖工作波長變為0.85um時，LP01和LP11兩個模式都可以在光纖中傳輸。

4.3 截止波長

因多模光纖是指光纖中能同時傳輸多個模式，在仿真過程中，只需計算出各個模式的截止波長，只要傳輸波長大于其中最大的截止波長，就可以實現單模傳輸。如圖4所示，本次仿真中，由于LP01是基模，沒有截止波長，其可以以任意低的頻率在光纖中傳播，只是當頻率很低時，電磁波能量將不能很好地集中于光纖芯層中。

4.4 彎曲損耗

根據G.657.A2光纖的技術標準，光纖的宏彎損耗在彎曲半徑7.5mm，彎曲圈數1，波長1550nm 條件下的最大值為0.5dB，根據周長公式換算即為1.06*104dB/km，而在彎曲半徑15mm，彎曲圈數10，波長1550nm條件下的最大值為0.03dB，同樣換算之后的值為31.85dB/km。圖5 為彎曲半徑為7.5mm 時的彎曲損耗曲線，在1550nm 工作波長下的宏彎損耗值約為1.8*104dB/km，微彎損耗為0.004dB/km。在彎曲半徑為15mm 時，在1550 工作波長下的宏彎損耗約為4.59dB/km，微彎損耗同樣約為0.004 dB/km，如圖6 所示。綜上所知，從彎曲損耗的角度來看，本次仿真所用的光纖結構基本符合G.657.A2光纖的技術標準。

4.5 色散特性

光纖的色散特性將會引起光脈沖在傳播過程中展寬，導致前后脈沖互相重疊，從而引起數字信號的碼間串擾。光脈沖在單模光纖中傳輸時由于只有主模式LP01傳輸，總的色散由材料色散、波導色散、折射率剖面色散和偏振模色散四個方面構成。前三項歸為波長色散，后一項屬于模式色散。當光纖的雙折射參量較小時，波長色散是主要的。單模光纖的波長色散用D（λ）度量，即單位波長間隔（1nm）的兩個頻率成分在光纖中傳播1km 時所產生的群時延差。本次仿真的光纖特性如圖7 所示，其零色散波長為1308nm，零色散斜率為0.083 ps/nm2*km，以上結果符合G.657.A2 光纖的技術標準。

4.6 模場分布

光波在光纖中傳播時，纖芯與包層中都有電磁能量存在，包層中傳播的電磁功率容易受到各種因素的影響而損耗掉，因而研究光纖中光波傳播規律時討論光功率在纖芯中的集中程度是有意義的。

電磁場在纖芯內沿半徑方向的縱向分量Ez和Hz可用貝塞爾函數進行表示。場量在徑向呈駐波分布。在圓周方向，場量也呈駐波分布，可用sinmφ或cosmφ函數表示。m是貝塞爾函數的階數，也是場量在圓周方向最大值的對數。沿z軸方向則呈行波狀態，波的相位常數為β。包層中場量沿圓周方向和光纖軸向分布規律一致，與纖芯不同的是，包層中場量可用第二類變態貝塞爾函數表示，在半徑r較大時場量將按指數規律快速衰減，這樣可確保電磁波能量主要集中在纖芯以及纖芯與包層的分界面附近。

如圖8所示，LP01模的電磁功率在光纖的圓周方向按sin2φ或cos2φ函數規律分布，在半徑方向，纖芯內功率按分布，在包層中按分布，其中U、W是光纖的橫向特征參數。

5總結與展望

近年來，各國運營商在城域網，尤其是FTTx領域建設中，大量使用新型的G.657光纖，以中國電信和中國聯通為代表的國內運營商也從2008年開始使用G.657光纖，并在2009及2010年進行了規模集中采購，說明G.657光纖良好的抗彎性能已得到了市場的充分認可。文章在G.657光纖的分類及相關典型光纖的主要技術標準的基礎上，闡述了光纖彎曲性能提高的主要途徑，并利用OptiFiber軟件對典型G.652光纖結構的模式數、截止波長、彎曲損耗等性能參數進行了建模仿真，避免了傳統光纖設計過程中通過反復試驗帶來的效率低、成本高以及可信度低等不利因素，為從事光纖結構研究的科研人員以及光纖設計與制造企業提供了一種改造光纖結構、提升光纖性能的便捷途徑。