新型光纤能弯曲却不影响性能

作者John George; David Mazzarese; Pete Weimann，OFS公司
    
    新的FTTH应用正对光纤的弯曲损耗性能产生前所未有的挑战。波长更长的光波在弯曲度更大的光纤中传播需要新型的单模光纤，它的宏弯曲损耗要比传统的单模光纤小500倍，这样才能用于室内的引入光缆。
    如图1所示，目前的FTTH应用比如GPON，使用更长的波长，这就带来更大的弯曲损耗，潜在地减少了PON的延伸距离和服务的可靠性，因为这些都受到光功率预算的限制。新的PON系统将使用更长的波长，弯曲损耗将达到目前的2倍到4倍。
       
       图1：FTTX 波长与MDU/IHW入户光缆的宏弯曲损耗对应曲线。

    已经商用的G.657A可弯曲单模光纤已经能满足当前的和新出现的中心局、户外线缆箱和楼宇骨干网的需求。然而，最新的需求是要把光纤引入室内的光网络单元（ONU），这就需要新一代的超弯曲不敏感光纤。这些应用需要光缆能实现5mm半径的弯曲，并且在楼宇（MDU）中安装和室内布线（IHW）时都像铜缆一样的简单、方便。一个5mm半径的弯曲对于1550nm的光波来说，传统的G.652D光纤会产生50dB甚至更大的弯曲损耗，即使是符合最新ITU G.657A和G.657B标准的光纤，也会产生2dB到10dB的弯曲损耗，这种性能也是不可接受的。
    共振辅助光纤（RAF：Resonance Assisted Fiber）是一种新型的超弯曲不敏感单模光纤，在1550nm波长和5mm的弯曲半径时只有可以忽略的最大0.1dB的额外损耗。RAF是第一种符合MDU和IHW入户光纤5mm弯曲半径要求的实心光纤，同时它还和普通光纤有很好的兼容性。但是在安装可弯曲光纤到网络中之前，必须考虑到它在弯曲状态下的光学和机械性能，以避免造成服务的可靠性不足。

    MUD入户线和室内布线要求更小的弯曲
    传统的FTTH安装方式都是把ONU放在住所或者建筑物的外墙。而最近运营商和一些规模较小的提供商们开始把ONU安装到了室内，为的是使用一种不那么坚固而成本更低的ONU。对MDU来说，ONU被安装在每一个住户内，一方面推迟了用户对电子设备的投资，另一方面也避免了因为当前金属电缆的老化和质量问题造成的不可预测的花费。虽然常规的G.657A或B可弯曲光纤在使用一些辅助元件或管道来严格控制它的弯曲半径时也能用于室内布线，但许多运营商更倾向于使用快速的、低技术含量的、像铜缆一样的安装方式。传统光纤如果像铜双绞线一样在室内尖锐的拐角处随意地布线安装，那么它的额外损耗将达到5到50dB甚至更多。
    Verizon公司认识到了在部署光纤到MDU时面临的这一挑战，并且发布了VZ.TPR.9424，“Verizon的NEBS标准：MDU入户线的测试要求”，其中包含了一条“MDU模拟试验”用来模拟在安装入户光纤中可能产生的不可控的光纤弯曲。Verizon和其他服务提供商的PON部署工作都因为光学损耗而受到限制，因此提供商都想方设法要减少他们接入网的光学损耗。结果就是，MDU模拟测试要求被测光缆在以下所有情况下都能达到1550nm光波长下最大损耗不超过0.4dB： 
    无拉力的10个90o转弯 
    1个90o的转弯并在转弯处承载 2kg的拉力 
    1个90o的转弯并在转弯处承载 14kg的拉力 
    沿10mm直径的轴缠绕两圈 
    安装30个T25规格的卡线钉

    标准的制定正在跟上
    大部分对光纤弯曲有严格要求的应用目前都能找到合适的可弯曲光纤。ITU-T G.657规范中描述了可弯曲光纤，并且包含了A和B的分级规格。G.657A规范描述了一种弯曲损耗比标准G.652D光纤低3到5倍，而其它性能完全符合G.652D规范的单模光纤。有的G.657A光纤产品可以达到低于标准G.652D光纤10倍的弯曲损耗。这些G.657A光纤适用于中心局、数据中心、竖直光缆、机柜、大部分楼宇布线甚至一些在终端可能会遇到光缆弯曲情况的户外设备等。
    在2006年和2007年，世界范围内的服务提供商开始转向使用G.657A光纤来应对这些应用。G.657A光纤也在FTTH中找到了一些应用。例如，一些服务提供商已经使用G.657A光纤和微导管来完成一些新的室内入户布线，以达到节约成本的目的。
    最近，一些服务提供商开始在室内布置入户光缆，但反映出来有不可接受的弯曲损耗。G.657B标准的可弯曲光纤就是针对室内安装设计的，它的弯曲损耗可以比G.652D光纤低20倍，并且其它性能不需要完全满足G.652D标准。
    最近测试符合G.657B标准的4.8mm光缆时发现，按照VZ.TPR.9424规范来模拟测验它的弯曲损耗为4.6dB。这样的损耗已经比G.657B标准规定的指标要好3倍了，但仍然比图2中所示的Verizon MDU模拟测试要求的最大0.4dB的弯曲损耗高10倍。

         
      图2 这根G.657A/B标准的光纤不能符合VZ.TPR9424规定的MDU安装要求。

    ITU和IEC美国咨询委员会已经认识到目前的G.657B标准规定的7.5mm最小弯曲半径对于入户光缆的应用是严重不足的。由众多领先运营商支持的该委员会，已经建议ITU第6研究组应该采用一种新的入户光缆标准。第6研究组这才考虑建立这样一个最小弯曲半径为5mm的标准，这将使得随意的线缆安装方式成为可能，它所需的技术含量低、像铜缆一样的方式、可以包含多个尖锐的弯曲和卡线钉。
    服务提供商希望光纤具有比G.657B光纤低得多的弯曲损耗，但仍然符合G.652D单模光纤的标准和FTTH设备的需求，并且适合未来的传输波长和系统。不幸的是，现有的“超B类”光纤，包括一些自称是兼容G.652D标准的光纤，都表现出如下的一条或者更多的不足： 
    在半径5mm弯曲时的弯曲损耗 过大（>0.1 dB每弯） 
    和现有的G.652光纤熔接时损耗过高 
    需要特殊的连接头 
    需要特殊的熔接方法 
    过高的多径干扰（MPI） 
    和广泛使用的纤芯对准熔接法不兼容

    新的光纤技术
    新的RAF技术解决了这个两难的问题，满足了多种相互冲突的要求。RAF在一根实心光纤中使用了简单和新颖的组合折射率，使得1550nm波长的光波在5mm弯曲半径的光纤中绕行360o之后的弯曲损耗小于0.1dB，同时能保持与现有G.652D、G.657A/B光纤的兼容性。
    RAF光纤的弯曲损耗比标准G.652单模光纤低500倍，同时满足Verizon的MPI要求和IEC的1260nm最大截止波长，并且提供了8.8um的模场直径，兼容了熔接和连接头的要求。此外，RAF光纤和光缆的生产也是采用现有的大批量制造工艺。
    入户光纤采用RAF的目的是为了使紧贴拐角的布线能有近乎0的信号损耗。这些光缆在Verizon TPR.9424 MDU模拟测试（参见图3）中的典型弯曲损耗都小于0.2dB。

          
        图3：4.8mm光缆中的共振辅助光纤按照VZ.TPR MDU进行模拟测试。

    RAF光纤是为现有的或者新建的网络提供简单、高效的部署而设计的。RAF的端接和安装都可以通过标准的工具和方法来进行。因为它是由实心玻璃制造的，消除了现有纳米结构光纤中的随机孔隙可能引起的问题和限制。RAF一致的、实心的结构保证了沿着光纤长度上均匀的光学性能。
    RAF光纤可以跟G.652D、G.657A和G.657B光纤进行包层和纤芯对准的熔接，使用的也是现有的设备和方法。标准连接器的安装、抛光和清洁方法也都适用，并且RAF入户光纤同时支持工厂端接连接器和现场端接连接器。现场端接RAF可以使用新的熔接连接器（fusion splice-on connector）技术，它无需接合和松解控制工具（splice and slack management hardware），同时机械式接续对RAF来说也是可以的，不用像其它光纤那样要防止折射率匹配胶漏到孔隙中。总之，RAF可以用普通G.652D光纤的端接方法来进行端接。

        
                图4：不同结构光纤1550nm波长的弯曲损耗比较。

    RAF的波导结构由包围纤芯的一个环和一道槽组成。沟槽有助于将基本模式限定在纤芯内，而环有助于衰减不需要的高阶模式，从而产生具有良好弯曲性能的光纤，同时又保持了兼容于FTTX应用的模场和截止波长。此结构使得RAF能提供如下三个最优的指标：<0.1dB每弯的弯曲损耗、易于安装（熔接和连接器连接）、与G.652D兼容。
    虽然光学性能是至关重要的，但机械可靠性也是确保给客户提供可靠性服务的重要因素。4.8mm直径的RAF引入光缆给光纤的安装和使用提供了保护，并且在Verizon MDU引入线模拟测试中得出了每条光缆<0.5ppm/年的机械故障率。3mm直径的RAF光缆适于使用在模块内部或者类似有保护的环境中，这些地方对于弯曲半径要求不是很严格。耐恶劣天气的室内/室外4.8mm RAF光缆被用于从室外接入的情况，用来替代室外到室内这一段的光纤的连接和管理，同时也便于使用成本更低的室内ONU。

    三个压力
    更长的波长、更小的弯曲半径、更严格的光功率预算，这三个压力推动着可弯曲光纤在FTTX中的应用。虽然G.657A光纤可以满足大多数对弯曲敏感的安装要求，但是室内引入光纤的安装需要传统的快速便捷的“铜缆安装”方式，这就要求远远超过G.657B性能的光纤。
    新的超弯曲不敏感RAF入户光纤可以使用卡线钉、能在尖锐转角处弯曲，安装快速简便，不需要使用昂贵的、占空间的管道，不需要控制弯曲半径。RAF光纤可以弯曲而不破坏光纤性能，使得它的机械和光学可靠性得到保证，同时向下兼容了常规的单模光纤和它们的端接方式。
    第一根RAF的开发是为了支持非常高功率的激光器应用。而新的RAF是专门为FTTX应用而优化的。由图4的模拟例子可以证明，RAF在5mm弯曲半径时的弯曲损耗比辅槽光纤低5到10倍。

来源：光波通信