光纤的原理|特点|应用

　　光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。光纤一般封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

　　1870年初春的一天，英国物理学家丁铎尔在暗室里做试验。一股水流从容器的侧壁孔中向外流出，当人们在一侧壁给水照明时，从孔中流出来的水，几乎在整个长度上都在发光，而且本来直线传播的光，现在竟沿着这股弯曲的水流在耀动，惊讶地发现光弯曲了。这个有趣的实验，给大家留下了深刻的印象，并因此而产生人们难以估量的社会影响。

　　原来，光随着折射率大的水进入折射率小的物质时，在两种物质的交界面上会产生全反射，使光不进入折射率小的物质，而全部返回到折射率大的物质中。后来，人们用玻璃纤维模拟这股水流，制成了玻璃光纤。把玻璃纤维的一端截面对准某一物体，不管它弯曲成什么样的角度和形状，都能从另一端的截面上清楚地看出射入的图像。光是沿直线传播的，而光纤却是弯弯曲曲的。光纤实际上可以被看作是非常细的圆柱，圆柱的壁能够像镜子一样，把光从上边反射到下边，又从下边反射到上边，如此反复，一直传送到光纤的终端。

　　光纤的结构呈圆柱型，中间为具有高折射率的芯材，外面裹上低折射率的包皮，Z外面是塑料护套。这样特殊的结构，加上精心的选材，使光纤既柔软如丝，又具有高抗拉强度和抗压能力。同时，光波衰减小，可以多功能传输声音、图像和文字，适应低温环境，抗电磁干扰，耐放射性辐射。光波在光纤中传播不向外辐射电磁波，有很高的保密性能，信息以光速传送，速度无与伦比。光通信比电通信的容量要提高1亿-10亿倍，一根光纤能同时传输100亿个电话，或1000万套电视节目。

　　同样100米长的铜电缆和光缆，若传递信息的频带宽同为40000兆赫兹，则铜电缆需直径58毫米的铜缆656股，总重

　　光纤通信将模拟电信号转化为光信号，以光波作为载波，以光纤作为介质进行信息传输。光纤通信技术系统分类：光纤模拟通信系统、光纤数字通信系统以及光纤数据通信系统。

　　光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。近十几年来，光纤通信技术有了长足的进展，其中的新技术也不断被发掘，大大提高了传统意义上的通信能力，这使得光纤通信技术在更大的范围内得到了应用。

　　光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。采用光纤通信是通信史上的重大变革，进入21世纪后，由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量(超高速和超长距离)光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。

　　光纤通信的发展史虽然只有二三十年，但由于它无比的优越性，使它成为了现代化通信网络中Z为重要的传输媒介。总体来说，光纤通信的发展大致分为4个阶段。

　　diyi阶段(1966-1976年)：是冲基础研究到商业应用的开发时期。这个时期中，出现了短波长(850nm)低速率(34或45Mb/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离约为10km。

　　第二阶段(1976-1986年)：是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标的大力推广应用的大发展时期。在这个时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长(850nm)发展到长波长(1310nm和1550nm)，实现了工作波长为1310nm，传输速率为140-565Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为50到100km。

　　第三阶段(1986-1996年)：是以超大容量超长距离为目标，全面深入开展新技术研究的事情。在这个时期，出现了1550nm色散位单模光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达2.5-10Gb/s，无中继传输距离可达100-150

　　光纤是光导纤维的简称，是由折射率不同的纤芯和包层组成的，其直径大约为0.1mm。它是一种介质光波导，具有把光封闭在其中并使之沿轴向传播的导波结构。光纤与一般金属导线的作用相同，都用于传输信息，但信息传输方式根本不同。金属导线依靠电子传输信息，而光纤依靠光子传输信息。

　　光纤是一种由高度透明的石英(或其他材料)经复杂的工艺拉制而成的光波导材料。光纤的典型结构为多层同轴圆柱体，一般是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层以及涂覆层和护套构成的，其结构如下图所示。纤芯和包层作为光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用。涂敷层与护套的作用则是隔离杂散光、提高光纤强度、保护光纤等。

　　光纤芯的折射率较高，是光波的传输介质，其材料的主要成分为含量高达99.999%的二氧化硅(SiO2)，其中掺杂极少量的其他材料，如掺入少量的二氧化锗(GeO2)、五氧化二磷(P2O5)等，以提高纤芯的折射率。

　　包层为紧贴纤芯的材料层，与纤芯共同构成光波导。材料一般为纯二氧化硅(SiO2)，有时也掺杂微量的三氧化二硼(B2O3)，以降低包层的折射率。包层的外径一般为125～140μm，主要起着限制光强在纤芯中传输的作用。包层折射率略小于纤芯材料的折射率。

　　为了增强光纤的柔韧性，提高机械强度，增加抗老化性能以及延长光纤的寿命，一般在包层的外面用环氧树脂或硅胶等高分子材料做一层涂覆层。该涂覆层用来保护光纤起到护套的功能，其外径一般为300μm左右。

　　1、光纤的纤芯

　　光纤的纤芯是一种直径为8～100μm、柔软的、能够很好地传导光波的透明介质，它是光信号的传输路径，可由玻璃或塑料来制成。其中使用超高纯度石英玻璃(SiO2)制作的光纤具有很低的线路传输损耗，各种技术性能都较好。

　　光纤芯的折射率n1通常在1.5左右，多模光纤的纤芯直径一般为50～100μm，单模光纤的纤芯直径为8

　　光纤全名是光导纤维，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。微细的光纤封装在塑料护套中，使它能够弯曲而不至于断裂。

　　按光纤组成材料可分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、全塑料光纤、氟化物光纤及硫硒化合物光纤。

　　1、石英系光纤

　　石英光纤是以二氧化硅为主要原料，并按不同的掺杂量，来控制纤芯和包层的折射率分布的光纤。石英(玻璃)系列光纤，具有低耗、宽带的特点，已广泛应用于有线电视和通信系统。

　　2、多组分玻璃光纤

　　多组分光纤是在二氧化硅原料中，再适当混合诸如氧化钠、氧化硼、氧化钾等氧化物制作成多组分玻璃光纤。多组分玻璃比石英玻璃的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用在YL业务的光纤内窥镜。

　　3、全塑料光纤

　　是将纤芯和包层都用塑料(聚合物)作成的光纤。早期产品主要用于装饰和导光照明及近距离光键路的光通信中。原料主要是有机玻璃、聚苯乙稀和聚碳酸酯。塑料光纤的纤芯直径为1000μm，比单模石英光纤大100倍，接续简单，而且易于弯曲施工容易。

　　4、氟化物光纤

　　氟化物光纤是由氟化物玻璃作成的光纤。主要工作在2～10μm波长的光传输业务。其具有超低损耗光纤的可能性，正在进行着用于长距离通信光纤的可行性开发。

　　5、硫硒化合物光纤

　　在光纤的纤芯中，掺杂如铒、钦、镨等稀土族元素的光纤。掺杂稀土元素的光纤有激光振荡和光放大的现象。

　　按光在光纤中的传输模式分可分为单模光纤和多模光纤。多模光纤的纤芯直径为50~62.5μm，包层外直径125μm，单模光纤的纤芯直径为8.3μm，包层外直径125μm。光纤的工作波长有短波长0.85μm、长波长1.31μm和1.55μm。光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85μm的损耗为0.35dBkm，1.55μm的损耗为0.20dBkm，这是光纤的Zdi损耗，波长1.65μm范围内

　　光纤是光导纤维的简称，以光脉冲的形式来传输信号，以玻璃或有机玻璃等为网络传输介质。光纤由纤维芯、包层和保护套组成。光纤可分为单模光纤和多模光纤。

　　光纤类型的选择

　　按光纤结构划分：束管式光纤、层绞式光纤、骨架式光纤、紧抱式光纤、带式光纤、非金属光纤和可分支光纤;

　　按敷设方式划分：自承重架空光纤、管道光纤、铠装地埋光纤和海底光纤;

　　按用途划分：长途通讯用光纤、短途室外光纤、混合光纤和建筑物内用光纤;

　　按传输方式分：单模光纤和多模光纤，监控系统多使用单模光纤;

　　按使用场合划分：室内光纤、室外光纤、分支光纤和配线光纤。

　　光纤敷设要求

　　常规室外光纤大都以松套管作为纤芯的容器，室内光纤Z常用紧套式敷设，大芯数光纤的纤芯常以带状方式进行组合敷设。

　　光纤的敷设要求：

　　1、光纤的弯曲半径应至少为光纤外径的15倍，在施工过程中应少于20倍;

　　2、光纤盘转动应与布放速度保持一致，光纤索引的速度一般每分钟15米;

　　3、光纤两端应预留出5-10米的长度;

　　4、敷设光纤时应做好标签，并填好相关记录，所有光纤不宜外露。

　　5、布放光纤时，光纤出盘处要保持一定的弧度，留出适当的缓冲余量，不宜过多，避免出现背扣。

　　纤芯的选择

　　纤芯数量是每条光纤中所含的玻璃纤维的数量。

　　首先，要清楚布线点的数量、交换机的台数以及交换机之间连接是否堆叠。如果堆叠，核心交换机为双机热备冗余的话，6芯已足够(2台核心各用2芯，2芯冗余)。如果不堆叠，一台交换机4芯，交换机的数量乘以4加上4芯的冗余，一般就够用了。

　　光纤选购注意事项

　　在选择光纤的种类时，不仅要确定光纤的芯数，还应了解光纤的使用条件，根据具体环境进行选择。因此，在选择时还需注意以下几点：

　　1、建筑物内用的光纤在选用时应注意其阻燃，毒和烟的特性，在管道中和强制通风处，一般可选用阻燃和有烟的类型，暴露的环境中应选用阻

　　单模光纤是ZX玻璃芯很细(一般为9或10μm)，只能传一种模式的光纤。因此，单模光纤模间色散很小，适用于远程通讯，但存在着材料色散和波导色散，对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

　　自1976年以来，用户带宽需求的日益增长促进了光纤传输系统不断地向着高速率、长距离和大容量的发展，推动了单模光纤类型和性能的研究。光纤、光电子器件、调制格式和数字信号处理技术的发展，推动了光纤传输系统从低速率到高速率、从短距离到长距离、从小容量到大容量的发展。

　　20世纪80年代，在1310nm、1550nm长波长半导体激光器相续问世的背景下，光纤研究人员先后开发出单模光纤(G.652光纤)、色散位移单模光纤(G.653光纤)、截止波长位移单模光纤(G.654光纤)。G.652、G.653和G.654光纤的特点分别是1310nm的零色散、1550nm的零色散和低衰减以及1550nm的超低衰减。这些光纤的优点满足了565Mb/s以下的准同步数字体系(PDH)传输系统和10Gb/s以下同步数字体系(SDH)传输系统发展的需要。

　　20世纪90年代，在密集波分复用(DWDM)系统进入商用以后，研究人员发现G.653单模光纤(1550nm零色散)在DWDM系统中产生四波混频，导致相邻信道之间的串扰，严重影响DWDM系统传输性能。为此，相关研究人员专门为DWDM系统开发出了G.655单模光纤。G.655单模光纤的特点是以1550nm波长处的非零色散YZ四波混频，使其用于长途干线和城域光网络的核心层。

　　为了使城域网络边缘实现低成本扩容，人们发明了稀疏波分复用(CWDM)系统。为此，光纤研究人员开发了低水峰单模光纤(G.652C/D)，G.652C/D工作波长覆盖1280～1625nm全波带，可以提高CWDM系统信道数量。CWDM的信道间隔大于200GHz，复用信道数

　　多模光纤是在给定的工作波长上传输多种模式的光纤。按其折射率的分布分为突变型和渐变型。多模光纤中传输的模式多达数百个，各个模式的传播常数和群速率不同，使光纤的带宽窄，色散大，损耗也大，只适于中短距离和小容量的光纤通信系统。

　　多模光纤容许不同模式的光于一根光纤上传输，由于多模光纤的芯径较大，故可使用较为廉价的耦合器及接线器，多模光纤的纤芯直径为50μm至100μm。

　　基本上有两种多模光纤，一种是梯度型另一种是阶跃型，对于梯度型光纤来说，芯的折射率于芯的外围Z小而逐渐向ZX点不断增加，从而减少讯号的模式色散，而对阶跃型光纤来说，折射率基本上是平均不变，而只有在包层表面上才会突然降低。阶跃型光纤一般较梯度型光纤的带宽低。在网络应用上，Z受欢迎的多模光纤为62.5/125，62.5/125意指光纤芯径为62.5μm而包层直径为125μm，其他较为普通的为50/125及100/140。

　　七十年代光纤进入实用化阶段是从多模光纤的局间中继开始的。二十多年以来，单模光纤新品种不断出现，光纤功能不断丰富和增强，性能价格比不断苛求，但多模光纤并没有被取代而是始终保持稳定的市场份额，和其他品种同步发展。其原因是多模光纤的特性正好满足了网络用纤的要求。

　　为适应网络通信的需要，七十年代末到八十年代初，各国大力开发大芯径大数值孔径多模光纤(又称数据光纤)。当时国际电工委员会推荐了四种不同芯/包尺寸的渐变折射率多模光纤即A1a、A1b、A1c和A1d。它们的纤芯/包层直径(μm)/数值孔径分别为50/125/0.200、62.5/125/0.275、85/125/0.275和100/140/0.316。

　　总体来说，芯/包尺寸大则制作成本高、抗弯性能差，而且传输模数量增多，带宽降低。100/140μm多模光纤除上述缺点外，其包层直径偏大，与测试仪器和连接器件不匹配，