光纖種類簡介

 

關於光纖的分類, 我們由兩份產業標準開始說起. ISO/IEC 11801, Information technology – Generic Cabling for Customer Premises, 此標準定義了一般用途的纜線規格要求, 涵蓋了雙絞線銅纜以及光纖光纜. ITU G.951 至 G.957 標準則針對了電信領域的考量, 對光纖做了分類及對應規格要求.

 

多模光纖與單模光纖

光纖存在兩大結構分類, 多模光纖以及單模光纖. 主要的差別來自於 Core 直徑的尺寸, 單模的 Core 直徑約 9 μm, 多模則大得多, 常見有 50 μm 和 62.5 μm. 由於 Core 直徑的差異, 光在 Core 之內光學干涉的型態將有所不同. Core 尺寸相對於操作波長小於一臨界值時, 將僅存唯一模態. 可以形象類比, 一條河流, 只要夠窄, 將只剩一種魚種可以存活, 而這魚種全體都具有同樣的游速, 長距離游動後, 魚群的數量雖然漸漸被消耗, 但整個群體仍是集中不會分散. Core 若夠大, 多種干涉模態可以形成. 寬闊的河流, 可以有多種類魚種, 不同魚種的游速不同, 一群混合不同魚種的魚群, 經由長距離游動後, 有的魚種游得快, 有的魚種游得慢, 漸漸會分散開來. 這種魚種因游速差異而分散也就對應光纖光學內的 Modal Dispersion 模態色散. 嚴重到一定程度, 前後魚群 (光信號) 將發生混合, 接收端無法分辨這時來到的信號究竟是前訊號還是後訊號. 形成 Inter-Symbol-Interference ISI 碼際干擾. 多模光纖雖然有傳輸距離的劣勢, 然而由於受光口徑大, 耦光難度低, 也就是光信號注入光纖過程的損耗少. 降低了對光學器件和連接器的精密度以及可靠度要求, 也就降低了系統成本.

 

ISO/IEC 11801 的光纖分類

ISO/IEC 11801 在不深入光纖的結構下, 以光纖的傳輸特性作為光纖分類依據. 多模光纖主要受到 Modal Dispersion 的因素影響傳輸的極限距離, 規範以頻寬區分光纖分類為 OM1 至 OM5. 而單模光纖主要由衰減係數侷限傳輸的距離, 規範以衰減規格作為種類分隔, OS1 至 OS2. 其中, OM 與 OS 分別代表 Optical Multi-mode Fiber 以及 Optical Single-Mode Fiber.

多模光纖

類別	TIA-598 顏色	Core 尺寸	最小模態頻寬
OM1	Orange	62.5 μm	200 MHz·km at 850 nm
OM2	Orange	50 μm	500 MHz·km at 850 nm
OM3	Aqua	50 μm	2000 MHz·km at 850 nm
OM4	Aqua	50 μm	4700 MHz·km at 850 nm
OM5	Lime Green	50 μm	4700 MHz·km at 850 nm and 2470 MHz·km at 953 nm

OM1 是最早期的多模光纖, Core 口徑大, 導光容易. 在雷射未成熟的年代, 光通信以 LED 為主要光源. 光發散角大, 不易有效注入光纖. 此時大口徑的 OM1 便成為理想的搭配. 此類光纖在 10Mbps 至 1Gbps 的應用最多, 波長選用以 850nm, 1310nm 為多.

OM2 將 Core 減至 50 μm, 緩解了 Modal Dispersion, 使傳輸距離可以增長. IEEE 協會起初預估可使多模光纖搭配 VCSEL 雷射在 1Gbps 傳達 550m 之遠. 然而, 等到產業開始鋪設光纖, 商業化的過程中才發現, 固然有許多傳輸距離如預期超過 550m, 乃至 2km. 卻也有很多案例無法達到 550m 的距離. 歸根為雷射的光點小, 不像 LED 可以激發所有的模態, 多模光纖只被激發了相對少的模態. 一旦光能量主要分布於速度差異較大的幾個模態將導致更顯著的 Dispersion 效果. 為了補救這個規範漏洞, IEEE 經過鑽研, 最後重新以 Restricted Launch Bandwidth 方式定義頻寬, 並要求雷射器件需符合此新定義的頻寬標準, 以拯救 550m 的距離規格.

OM3 經歷 OM2 的失誤後, 產業界認識到 OM2 作為多模光纖有其不可靠之處, 特別是即將推廣的 10Gbps 應用. 此時, 針對雷射光源, 將多模光纖的結構重新優化, 稱為 Laser-Optimized Fiber. 針對雷射光源的特性規劃了光纖的折射率分布, 將 Modal Dispersion 降低. 在 10Gbps 的應用上使傳輸距離由 OM2 的 82m, 進展到 OM3 的 300m.

OM4 在 OM3 的基礎上再度優化, 提升 Bandwidth 到一個更高的水準. 此時產業也來到了 25Gbps. 將 OM3 的 70m 推升至 OM4 100m. 至此, 多模光纖的傳輸可以說達到巔峰.

OM5 又稱為 WBMMF (Wide Band Multi Mode Fiber) 可算是一種拓展型的 OM4. 用以導入 850 – 950nm 的 SWDM 技術. 多模光纖開始試探 WDM 技術的潛力.

單模光纖

類別	TIA-598 顏色	衰減
OS1	Yellow	1 dB/km at 1310 and 1550 nm
OS1a	Yellow	1 dB/km at 1310, 1383 and 1550 nm
OS2	Yellow	0.4 dB/km at 1310, 1383 and 1550 nm

OS1 最初用於室內應用, 內披覆多以 Tight Buffer, 損耗規格較差, 且對水峰吸收波段 1383nm 無要求.

OS1a 在 OS1 的基礎上, 進一步要求, 光纖的水峰吸收波段須小於 1 dB/km, 也就是要求水分子的濃度須受控制, 使此光纖可以操作於 1383nm 波長

OS2 光纖規劃給電信應用, 內披覆使用 Loose Tube, 涵蓋水峰波段, 衰減值都需要低於 0.4 dB/km.

 

ITU 的光纖分類

國際電信聯盟 ITU 對於電信通訊領域的光纖類別, 定義了 G.651 的多模光纖以及 G.652 至 G.657 的單模光纖規格. 特別是單模規格的演進, 可以看出電信領域的發展過程.

ITU 標準	內容
G.651	多模漸變折射率光纖, 接入網應用為主
G.652	非色散位移單模光纖, 區域網路, 城域網路應用為主
G.653	色散位移單模光纖, 長距離通訊, 應用 EDFA 光纖放大器波段
G.654	截止波長位移單模光纖, 極低損耗, 越洋光纜應用, 需搭配色散補償技術
G.655	非零色散位移單模光纖, 避免零色散點導致的四波混合以及其他非線性效應
G.656	寬頻光傳輸用非零色散位移單模光纖, 於寬波段範圍內擁有較低的色散水準, 適用寬範圍波長運作
G.657	彎曲不敏感單模光纖, 抗彎曲光纖, 特性類同 G.652, 但可容忍較小的彎曲半徑

G.651 定義了 Access Network 接入網的多模光纖應用. Core 徑寬 50/125 μm, 應用波長為 850nm 或 1310nm.

G.652 為 LAN 區域網路最常用的單模光纖, 模場直徑 MFD Mode Field Diameter 介於 8.6 至 9.5µm, 最高單模截止波長為 1260nm, 零色散操作波段 ZDW Zero Dispersion Window 1300 至 1324nm. 有 A, B, C, D 四種衍伸型. A, B 具有水峰吸收, 適用 1310nm, 1550nm 兩波段; C, D 則改良了水峰吸收, 適用於 1310 至 1625nm 全波段. B 與 D 相比於 A 與 C 則擁有更低的極化模態色散 PMD Polarization Mode Dispersion, 適於更長距離的傳輸.

G.653 將單模光纖的零色散波長, 由 1310nm 調整至 1550nm. 如此一來, 1550nm 波段綜合了零色散以及最低衰減值的效果. 同時 1550nm 也正對應了 EDFA 光纖放大器的放大波段. 利用 EDFA, 可讓信號在不需光電轉換下, 放大後持續傳輸更遠的距離, 解決了光纖衰減的距離極限. 正因如此, 光纖需要將零色散點遷移至 1550nm, 以降低色散失真導致的距離限制. 故 G.653 也稱為色散位移光纖 DSF Dispersion Shift Fiber. 然而此光纖後來發現操作於 DWDM 系統下, 零色散將導致相鄰的波段發生四波混合 FWM Four Wave Mixing 等非線性效應, 後來以 G.655 改善取代之.

G.654 也是針對 1500 至 1600nm 波段長距離傳輸而定義的光纖規格. 較大的 MFD, 推高了最高單模截止波長, 進一步使衰減特性優化至 0.22 dB/km. 此光纖雖使衰減進一步降低, 但未對色散性能進行改善, 長距離傳輸後須以色散補償技術, 壓抑發生的色散.

G.655 非零色散位移光纖 NZDSF Non-zero Dispersion Shifted Fiber 被提出用以 DSF 的困難. 零色散點導致 DWDM 技術相鄰的波段發生四波混合 FWM Four Wave Mixing 效應, 四路等間距的波長間, 能量將互相轉換, 等效即是信號彼此干擾. 為了消除這類非線性效應, 光纖不可為完美的零色散, 因此需要將零色散點錯開操作波段, 最終得到色散極小, 但非零的低色散光纖, 以使安全的 DWDM 系統得以運作. 適用於 1530 至 1560nm.

G.656 寬頻零色散光纖進一步拓展非零色散位移光纖的應用波段範圍至 1460 至 1625nm 以充分滿足 CWDM / DWDM 的應用所需.

G.657 抗彎曲光纖著重於接入網 Access Network 的應用. 接入網的佈線往往難以控制光纖的彎曲半徑, 一旦光纖超出 G.652 的彎曲規格後, 單模光纖將漏失能量, 導致光強度損耗, 失去導光可靠性. 因此, 一款可承受更小彎曲半徑的光纖符合市場的需要. 同時此光纖必須與 G.652 的規格相近, 並可進行低損耗熔接. 如此, 始可在市場承接 G.652 的使用慣性. 一般 G.652 可承受最小彎曲半徑規格為 30mm, 而 G. 657 可承受 10mm.