肖承伟

（中移物联网有限公司，重庆 401336）

关键字：G.657光纤；OptiFiber；弯曲损耗；FTTx；仿真建模

1 引言

众所周知，光纤接入网是现代通信走进千家万户的关键技术之一。在光纤网络“最后一公里”建设过程中，由于光缆经多次弯曲后被固定在接线盒等具有狭小空间的终端设备中，如果使用普通光纤，传输衰减会陡增，无法满足通信传输要求，因而用于FTTx（Fiber To The x）的光缆对纤芯、敷设方式、成本方面提出新的要求。为了规范抗弯曲单模光纤的性能，国际电信联盟标准化组织（ITU-T）于2006年12月通过一项新的光纤标准——ITU-T G.657“接入网使用的弯曲损耗不敏感的单模光纤和光缆的特性”。围绕G.657抗弯曲单模光纤，本文首先分析了G.657光纤的分类及相关典型光纤的主要技术标准，阐述了弯曲性能提高的主要途径，并利用OptiFiber软件对典型的G.652光纤的模式数、模场分布、截止波长、弯曲损耗等性能参数进行了建模仿真，以更为形象地展示G.657光纤的性能特点。

2 G.657光纤的抗弯曲特性

2.1 G.657光纤的分类

弯曲不敏感单模光纤因适合室内狭窄空间的密集布线，并能够充分发挥单模光纤的高带宽、低衰减和中长短传输距离皆宜等优点，逐渐成为FTTx 建设的首选光纤。随着业界光纤制造工艺水平的不断进步，近年来各厂家陆续推出了各种弯曲不敏感光纤(G.657光纤)，以满足FTTx网络铺设和传输使用要求。

基于ITU-T G.657标准建议，G.657光纤可分为A和B两大类别，A类要求与G.652光纤完全兼容使用，而B类允许在部分指标上与G.652光纤不兼容，可以具有更小的模场直径（MFD，Mode Field Diameter）、更大的衰减系数和差异化的光纤结构等。在A和B两类整体结构的基础上，按照弯曲等级进一步细分为如下三个小类：

表1 G.657光纤弯曲等级分类表

将是否与G.652兼容（A和B），以及弯曲等级（1、2、3）两种分类原则结合起来，就构成了2009年G.657标准中的四个子类结构：G.657 A1、A2、B2 和B3（简称A1、A2、B2 和B3 光纤）。A1、A2 都是大模场直径的弯曲不敏感光纤，也是低水峰光纤，满足G.652.D所有指标要求，即与G.652.D可完全兼容使用B2、B3，由于主要应用于短距离通信，其衰减、模场直径、色散、偏振模色散等指标不要求与G.652完全相同，因此不能保证与G.652.D 兼容；A2 相对于A1 弯曲性能更好；B3相对于A2、B2 的弯曲性能更好，达到5mm 弯曲半径的使用要求；总之，满足G.657.A2 的标准，自然也就满足G.652.D、G.657.A1和G.657.B2的标准。

2.2 G.657 A2光纤的主要技术标准

表2 为ITU-T G.657 建议（2009 年版本）中A2 光纤的主要技术参数。从表中可看出，G.657.A2 光纤的各项指标与G.652D 光纤相比，在弯曲性能上有了较大的提高，因而可以认为G.657.A2 光纤是改进型G.652.D 光纤。

表2 G.657.A2 光纤的主要技术标准表

2.3 提高光纤抗弯曲性能的主要途径

光纤的弯曲损耗主要是由于光在传输过程中不满足全内反射条件造成的，可分为宏弯损耗和微弯损耗两种不同类型。宏弯损耗是指光在弯曲的光纤中进行传输，当超过一定的临界曲率时，传导模变成辐射模，引起光束功率的损耗；而微弯损耗是指光纤在其正常（直的）位置附近以微小偏移作随机振荡，尽管偏移量小（曲率半径可与光纤的横截面相比拟），但振荡周期一般很小，发生急剧的局部弯曲而产生的功率损耗。

常见的提高光纤抗弯曲性能的主要途径如下：

（1）减少光纤芯径，减少模场直径（MFD），从而增加光纤抗弯曲能力；

（2）加大光纤纤芯和包层的折射率差，在制造过程中可通过纤芯高掺锗或包层中掺少量P2O5和较多的F来实现；

（3）采用光子晶体光纤（PCF，Photonic Crystal Fibers）、孔助光纤（HAF，Hole-Assisted Fibers）等特殊工艺，改变现有G.652光纤阶跃折射率分布剖面结构。

3 G.657光纤的设计

由于G.657.A1光纤的弯曲性能相对于G.652光纤而言，并没有明显的改善（其最小弯曲半径为10mm）。目前国内外各大光纤光缆厂家基本上是依据光纤的MAC 值，即在1310nm的光纤模场直径与截止波长的比值，从G.652光纤中筛选出满足G.657.A1标准的产品。

但对于最小弯曲半径有更高要求的A2、B2和B3光纤而言，因其弯曲性能相对于G.652光纤而言有明显的改善，目前国内外各大光纤厂家一般通过改变光纤的波导结构来实现弯曲性能的大幅改进。特别是A2 光纤，在满足最小弯曲半径达到7.5mm的同时，还必须完全兼容G.652.D光纤，这样就对光纤的波导结构的设计提出了更高的要求。

以长飞、Draka、Prysmian为代表的厂家的典型设计方案是通过在中心的纤芯掺GeO2以达到较高的折射率，在光纤的内包层中掺少量P2O5和较多的F以减小内包层的折射率，即提高光纤纤芯与包层的折射率差，将光束有效地约束在纤芯传播，既获得了对模的紧束缚，又保持了较低的本征损耗，从而改善光纤的弯曲性能。此外，该类光纤除了在预制棒制造过程中折射率控制不同外，其它预制棒和光纤拉丝等生产工艺和常规单模光纤基本相同，因此制造工艺简单，而且制造成本也不高，容易规模化生产推广。

4 仿真建模与分析

4.1 G.657光纤的结构设计

根据G.657.A2 的主要技术标准，通过OptiFiber 软件进行仿真建模，采用上述的下陷内包层光纤设计方案，具体的光纤横截面结构设计如图1所示，其中，芯层半径4.15um，折射率为1.45213，下陷内包层半径3.15um，折射率为1.44592，外包层半径55.2um，折射率为1.44692。

4.2 光纤结构所能传播的模式数

由于单模传输条件就是光纤中仅有LP01模可以传输，而LP11模以及其他高次模都被截止，即阶跃型光纤的主模LP01的归一化截止频率Vc=0，次最低阶模LP11 的归一化截止频率Vc=2.405。如图2 所示，可以看到当波长为1.31um 时，只能传输LP01模式，即基模。但对于给定结构参数的光纤，可传播的模式数近似与工作波长成反比。在工作波长一定的条件下（一般为0.85um、1.31um或1.55um），传播模数量主要取决于光纤半径和芯层包层折射率差。如图3所示，当光纤工作波长变为0.85um时，LP01和LP11两个模式都可以在光纤中传输。

4.3 截止波长

因多模光纤是指光纤中能同时传输多个模式，在仿真过程中，只需计算出各个模式的截止波长，只要传输波长大于其中最大的截止波长，就可以实现单模传输。如图4所示，本次仿真中，由于LP01是基模，没有截止波长，其可以以任意低的频率在光纤中传播，只是当频率很低时，电磁波能量将不能很好地集中于光纤芯层中。

4.4 弯曲损耗

根据G.657.A2光纤的技术标准，光纤的宏弯损耗在弯曲半径7.5mm，弯曲圈数1，波长1550nm 条件下的最大值为0.5dB，根据周长公式换算即为1.06*104dB/km，而在弯曲半径15mm，弯曲圈数10，波长1550nm条件下的最大值为0.03dB，同样换算之后的值为31.85dB/km。图5 为弯曲半径为7.5mm 时的弯曲损耗曲线，在1550nm 工作波长下的宏弯损耗值约为1.8*104dB/km，微弯损耗为0.004dB/km。在弯曲半径为15mm 时，在1550 工作波长下的宏弯损耗约为4.59dB/km，微弯损耗同样约为0.004 dB/km，如图6 所示。综上所知，从弯曲损耗的角度来看，本次仿真所用的光纤结构基本符合G.657.A2光纤的技术标准。

4.5 色散特性

光纤的色散特性将会引起光脉冲在传播过程中展宽，导致前后脉冲互相重叠，从而引起数字信号的码间串扰。光脉冲在单模光纤中传输时由于只有主模式LP01传输，总的色散由材料色散、波导色散、折射率剖面色散和偏振模色散四个方面构成。前三项归为波长色散，后一项属于模式色散。当光纤的双折射参量较小时，波长色散是主要的。单模光纤的波长色散用D（λ）度量，即单位波长间隔（1nm）的两个频率成分在光纤中传播1km 时所产生的群时延差。本次仿真的光纤特性如图7 所示，其零色散波长为1308nm，零色散斜率为0.083 ps/nm2*km，以上结果符合G.657.A2 光纤的技术标准。

4.6 模场分布

光波在光纤中传播时，纤芯与包层中都有电磁能量存在，包层中传播的电磁功率容易受到各种因素的影响而损耗掉，因而研究光纤中光波传播规律时讨论光功率在纤芯中的集中程度是有意义的。

电磁场在纤芯内沿半径方向的纵向分量Ez和Hz可用贝塞尔函数进行表示。场量在径向呈驻波分布。在圆周方向，场量也呈驻波分布，可用sinmφ或cosmφ函数表示。m是贝塞尔函数的阶数，也是场量在圆周方向最大值的对数。沿z轴方向则呈行波状态，波的相位常数为β。包层中场量沿圆周方向和光纤轴向分布规律一致，与纤芯不同的是，包层中场量可用第二类变态贝塞尔函数表示，在半径r较大时场量将按指数规律快速衰减，这样可确保电磁波能量主要集中在纤芯以及纤芯与包层的分界面附近。

如图8所示，LP01模的电磁功率在光纤的圆周方向按sin2φ或cos2φ函数规律分布，在半径方向，纤芯内功率按分布，在包层中按分布，其中U、W是光纤的横向特征参数。

5总结与展望

近年来，各国运营商在城域网，尤其是FTTx领域建设中，大量使用新型的G.657光纤，以中国电信和中国联通为代表的国内运营商也从2008年开始使用G.657光纤，并在2009及2010年进行了规模集中采购，说明G.657光纤良好的抗弯性能已得到了市场的充分认可。文章在G.657光纤的分类及相关典型光纤的主要技术标准的基础上，阐述了光纤弯曲性能提高的主要途径，并利用OptiFiber软件对典型G.652光纤结构的模式数、截止波长、弯曲损耗等性能参数进行了建模仿真，避免了传统光纤设计过程中通过反复试验带来的效率低、成本高以及可信度低等不利因素，为从事光纤结构研究的科研人员以及光纤设计与制造企业提供了一种改造光纤结构、提升光纤性能的便捷途径。