光 纤

光纤，完整名称叫做光导纤维，英文名是OPTIC FIBER。

 

它是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。

光纤的主要用途，是通信。目前通信用的光纤，基本上是石英系光纤，其主要成分是高纯度石英玻璃，即二氧化硅(SiO2) 。

 

光纤通信系统，就是利用光纤来传输携带信息的光波，以达到通信的目的。

 

▎光纤通信的发展历史

1880年，亚历山大·贝尔Alexander Graham Bell发明了“光话机”。

1887年，英国科学家Charles Vernon Boys在实验室里拉出了第一条光纤。

1938年，美国Owens Illinois Glass公司与日本日东纺绩公司开始生产玻璃长纤维。

1951年，光物理学家Brian O’Brian提出了包层的概念。

1956年，密歇根大学的一位学生制作了第一个玻璃包层光纤，他用一个折射率低的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。

1960年，Theodore Maiman 向人们展示了第一台激光器。这燃起了人们对光通信的兴趣，激光看起来是很有前途的通信方式，可以解决传输带宽问题，很多实验室开始了实验。

1966年，英籍华裔学者高锟指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。

1970 年，美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20dB/km的石英光纤。

1973 年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km。

1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2μm)。

▎光纤通信的特点

• 通信容量巨大

从理论上讲，一根光纤可以同时传输100亿个话路，目前同时传输50万个话路的试验已经成功，比传统同轴电缆、微波等高出几千乃至几十万倍。

• 中继距离长

光纤具有极低的衰耗系数，配以适当的光发送、光接收设备、光放大器、前向纠错与RZ编码调制技术等，可使其中继距离达数千公里以上，而传统电缆只能传送1.5km，微波50km，根本无法与之相比拟。

• 保密性能好
• 适应能力强

具有不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀等优点

• 体积小、重量轻
• 原材料来源丰富、价格低廉

 

▎光纤的构造

光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，主要由纤芯、包层、涂覆层组成。

 

• 纤芯

位于光纤的中心部位，成分为高纯度的二氧化硅，掺有极少量掺杂剂。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。

• 包层

位于纤芯的周围，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。

• 涂覆层

光纤的最外层，由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成。涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。

▎光纤的工作原理

• 全反射原理

若使光束从光密媒质射向光疏媒质时，则折射角大于入射角，如图所示。

 

如果不断增大θ0可使折射角θ1达到90°, 这时的θ1称为临界角。

当光线从光密媒质射向光疏媒质, 且入射角大于临界角时, 就会产生全反射现象。

 

光纤就是利用这种全反射来传输光信号的。

 

▎光纤的色散

• 光纤色散的原因

在光纤中，光信号是由很多不同的成分组成的，由于信号的各频率成分或各模式成分的传播速度不同，经过光纤传输一段距离后，不同成分之间出现时延差，引起传输信号波形失真，脉冲展宽，这种现象称为光纤色散。

• 光纤色散的影响

光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变和展宽，从而产生码间干扰。为了保证通信质量，必须增大码间间隔，即降低信号的传输速率，这就限制了光纤系统的通信容量和传输距离。

• 光纤色散的分类

按照色散产生的原因，光纤色散可分为模式色散，材料色散、波导色散和极化色散。

▎光纤的电磁波频谱

 

▎光纤的损耗

光纤的损耗是指：光信号经光纤传输后，由于吸收、散射等原因引起光功率的减小。

 

光纤损耗的分类

 

普通单模光纤的衰减随波长变化示意图

▎光纤的分类