浅析光纤的基本原理

赵亚茹

【摘要】 光纤是光导纤维的简称，可作为传播光信号的工具。

【关键字】 光纤 模式 通信

光纤是光导纤维的简称，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为一种传导光波的工具。光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成。内层为光内芯，直径在几微米至几十微米，外层的直径0.1～0.2mm。一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%。根据光的折射和全反射原理，当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂，还可以保护光纤不受潮湿的侵蚀和机械擦伤。通常光纤一端的发射装置使用发光二极管或是一束激光将光波传送至光纤，光纤另一端的接收装置使用光敏元件检测光脉冲。

光纤的分类及用途：

一、按光纤组成材料可分为：

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。主要用在医疗业务的光纤内窥镜。

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。

二、按工作波长可分为：

短波长（800mm～900mm）、长波长（1300mm～1600mm）、超长波长（2000mm以上）、全波光纤。

三、按传输模式分：

1、单模

中心玻璃芯很细，一般只能传导单一基模的光纤。其模间色散很小，适用于远程通讯，但存在材料色散和波导色散。单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求。现在单模光纤通信系统的主要工作波段是1.31um。

2、多模

可传播多种模式电磁波的光纤。中心玻璃芯较粗，可传播多种模式的光，但其模间色散较大，这样就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重，所以多模光纤传输的距离比较近，一般只有几公里。

四、按光纤横截面的折射率分布可分为：

1、阶跃光纤

光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤的模间色散高，传输频段窄，传输速率不能太高，只能用于短途低速通讯。

2、渐变折射率光纤

光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光按正弦形式传播，这样可减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但是成本较高。

光纤传输理论：光是一种电磁波，可见光部分波长范围是：390～760nm（纳米）。大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的是：850nm，1310nm，1550nm三种。因为光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。

当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的（即不同的物质有不同的光折射率），相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。利用光导纤维进行的通信叫光纤通讯，而光纤通讯就是基于以上原理而形成的。

在光纤通信中首先是光发送机把电信号转变为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入到光纤中，而光纤作为信道传输光信号，作为光在发送机和接收机之间的传输路径。光接收机再把光信号转换为电信号。

光纤传输理论分为模式理论和光线理论。把光作为电磁波来处理，研究电磁波在光纤中的传输规律，得到光纤中的传播模式、场结构、传输常数及截止条件。

传播模式可分为三类：

1、传导模：满足全反射条件的那些模式。其纤芯内为驻波场或行波。

2、辐射模：不满足全反射条件的模式，其电磁场不限于光纤芯区而可径向辐射至无穷远。辐射模在纤芯和包层中均为行波场，光纤失去了对光波场功率的限制作用。

3、漏泄模：以临界角入射的光线，在纤芯内传播时，光波场功率透过一定厚度的“隧道”泄露到包层之中，在包层中沿着传播方向为衰减的行波场。

光纤裸纤一般分为三层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为50或62.5μm），中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm），最外是加强用的树脂涂层。光线在纤芯传送，当光纤射到纤芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，会全部反射回来，继续在纤芯内向前传送，而包层主要起到保护的作用。

光纤作为光通信和光传感系统中的信息载体和敏感元件，得益于它有以下优点：

（1）它能够海量的传输信息。光纤具有极宽频带是其各项优点中最重要的优点，它使得光线可以传送巨大的信息容量。

（2）保密性强。光纤的基本成分是石英，不导电，其中的光信号不受电磁场影响，所以在传输过程中利于保密。

（3）制造原材料便宜，节约有色金属。光纤的基本材料是二氧化硅，有大量来源。而通信电缆是用铜做导线，铜的资源有限。

（4）抗电磁干扰。二氧化硅是绝缘介质，因此光纤不会产生感应电磁干扰。纤芯中除导模外的磁场在包层的内区就衰减到零。

（5）传输损耗低。光纤与同轴电缆相比，传输损耗几乎可以忽略，而且光纤在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线必须引入均衡器进行均衡，还有就是损耗几乎不随温度变化，不用考虑因环境温度变化而造成干线电平的波动。

（6）保真度高，工作性能稳定。光纤传输不需要中继放大，不会因为放大引入新的非线性失真。光纤系统包含的设备数量少，可靠性稳定且高。

在实际应用中，光纤与光纤的连接，一般采用热熔接和冷接两种方法来进行施工。

1、热熔接法

使用光纤熔接机的高压电弧将两根光纤熔化后连接起来，这种方法早期一般用于长距离通讯施工，不过随着人们对网速需求的提高和光纤入户的兴起，热熔接法也用于短距离光纤铺设施工（如小区宽带网和光纤入户等），已成为国际上主流的光纤施工方法。

2、冷接法

冷接法是相对于热熔接法而言的，指不需要高压电弧放电来融化光纤，而使用光纤冷接子来将光纤连接起来或将光纤接入到光通讯设备中。

光纤作为一种信号传输物质，有着通信容量大、中继距离长、保密性能好、适应能力强、体积小重量轻、原材料来源广价格低廉等的优点，在宽带互联网接入的应用非常广泛，在网络和通信中有着非常光明的前景。

随着通信技术的发展，通信业务由传统单一的电话业务转向高速IP数据和多媒体为代表的宽带业务，是实现高速传输的最理想的传输媒质，因而光纤通信将成为未来通信发展的主流。