淺析光纖的基本原理

趙亞茹

【摘要】 光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，可作為傳播光信號(hào)的工具。

【關(guān)鍵字】 光纖 模式 通信

光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為一種傳導(dǎo)光波的工具。光導(dǎo)纖維是由兩層折射率不同的玻璃組成。內(nèi)層為光內(nèi)芯，直徑在幾微米至幾十微米，外層的直徑0.1～0.2mm。一般內(nèi)芯玻璃的折射率比外層玻璃大1%。根據(jù)光的折射和全反射原理，當(dāng)光線射到內(nèi)芯和外層界面的角度大于產(chǎn)生全反射的臨界角時(shí)，光線透不過界面，全部反射。微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂，還可以保護(hù)光纖不受潮濕的侵蝕和機(jī)械擦傷。通常光纖一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管或是一束激光將光波傳送至光纖，光纖另一端的接收裝置使用光敏元件檢測光脈沖。

光纖的分類及用途：

一、按光纖組成材料可分為：

1、石英系光纖

石英光纖是以二氧化硅為主要原料，并按不同的摻雜量，來控制纖芯和包層的折射率分布的光纖。石英（玻璃）系列光纖，具有低耗、寬帶的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于有線電視和通信系統(tǒng)。

2、多組分玻璃光纖

多組分光纖是在二氧化硅原料中，再適當(dāng)混合諸如氧化鈉、氧化硼、氧化鉀等氧化物制作成多組分玻璃光纖。多組分玻璃比石英玻璃的軟化點(diǎn)低且纖芯與包層的折射率差很大。主要用在醫(yī)療業(yè)務(wù)的光纖內(nèi)窺鏡。

3、全塑料光纖

是將纖芯和包層都用塑料（聚合物）作成的光纖。早期產(chǎn)品主要用于裝飾和導(dǎo)光照明及近距離光鍵路的光通信中。原料主要是有機(jī)玻璃、聚苯乙稀和聚碳酸酯。塑料光纖的纖芯直徑為1000μm，比單模石英光纖大100倍，接續(xù)簡單，而且易于彎曲施工容易。

4、氟化物光纖

氟化物光纖是由氟化物玻璃作成的光纖。主要工作在2～10μm波長的光傳輸業(yè)務(wù)。其具有超低損耗光纖的可能性，正在進(jìn)行著用于長距離通信光纖的可行性開發(fā)。

5、硫硒化合物光纖

在光纖的纖芯中，摻雜如鉺、欽、鐠等稀土族元素的光纖。摻雜稀土元素的光纖有激光振蕩和光放大的現(xiàn)象。

二、按工作波長可分為：

短波長（800mm～900mm）、長波長（1300mm～1600mm）、超長波長（2000mm以上）、全波光纖。

三、按傳輸模式分：

1、單模

中心玻璃芯很細(xì)，一般只能傳導(dǎo)單一基模的光纖。其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通訊，但存在材料色散和波導(dǎo)色散。單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求。現(xiàn)在單模光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段是1.31um。

2、多模

可傳播多種模式電磁波的光纖。中心玻璃芯較粗，可傳播多種模式的光，但其模間色散較大，這樣就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重，所以多模光纖傳輸?shù)木嚯x比較近，一般只有幾公里。

四、按光纖橫截面的折射率分布可分為：

1、階躍光纖

光纖的纖芯折射率高于包層折射率，使得輸入的光能在纖芯包層交界面上不斷產(chǎn)生全反射而前進(jìn)。這種光纖的模間色散高，傳輸頻段窄，傳輸速率不能太高，只能用于短途低速通訊。

2、漸變折射率光纖

光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，這樣可減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但是成本較高。

光纖傳輸理論：光是一種電磁波，可見光部分波長范圍是：390～760nm（納米）。大于760nm部分是紅外光，小于390nm部分是紫外光。光纖中應(yīng)用的是：850nm，1310nm，1550nm三種。因?yàn)楣庠诓煌镔|(zhì)中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質(zhì)射向另一種物質(zhì)時(shí)，在兩種物質(zhì)的交界面處會(huì)產(chǎn)生折射和反射。而且，折射光的角度會(huì)隨入射光的角度變化而變化。

當(dāng)入射光的角度達(dá)到或超過某一角度時(shí)，折射光會(huì)消失，入射光全部被反射回來，這就是光的全反射。不同的物質(zhì)對相同波長光的折射角度是不同的（即不同的物質(zhì)有不同的光折射率），相同的物質(zhì)對不同波長光的折射角度也是不同。利用光導(dǎo)纖維進(jìn)行的通信叫光纖通訊，而光纖通訊就是基于以上原理而形成的。

在光纖通信中首先是光發(fā)送機(jī)把電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入到光纖中，而光纖作為信道傳輸光信號(hào)，作為光在發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間的傳輸路徑。光接收機(jī)再把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

光纖傳輸理論分為模式理論和光線理論。把光作為電磁波來處理，研究電磁波在光纖中的傳輸規(guī)律，得到光纖中的傳播模式、場結(jié)構(gòu)、傳輸常數(shù)及截止條件。

傳播模式可分為三類：

1、傳導(dǎo)模：滿足全反射條件的那些模式。其纖芯內(nèi)為駐波場或行波。

2、輻射模：不滿足全反射條件的模式，其電磁場不限于光纖芯區(qū)而可徑向輻射至無窮遠(yuǎn)。輻射模在纖芯和包層中均為行波場，光纖失去了對光波場功率的限制作用。

3、漏泄模：以臨界角入射的光線，在纖芯內(nèi)傳播時(shí)，光波場功率透過一定厚度的“隧道”泄露到包層之中，在包層中沿著傳播方向?yàn)樗p的行波場。

光纖裸纖一般分為三層：中心高折射率玻璃芯（芯徑一般為50或62.5μm），中間為低折射率硅玻璃包層（直徑一般為125μm），最外是加強(qiáng)用的樹脂涂層。光線在纖芯傳送，當(dāng)光纖射到纖芯和外層界面的角度大于產(chǎn)生全反射的臨界角時(shí)，光線透不過界面，會(huì)全部反射回來，繼續(xù)在纖芯內(nèi)向前傳送，而包層主要起到保護(hù)的作用。

光纖作為光通信和光傳感系統(tǒng)中的信息載體和敏感元件，得益于它有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）它能夠海量的傳輸信息。光纖具有極寬頻帶是其各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)中最重要的優(yōu)點(diǎn)，它使得光線可以傳送巨大的信息容量。

（2）保密性強(qiáng)。光纖的基本成分是石英，不導(dǎo)電，其中的光信號(hào)不受電磁場影響，所以在傳輸過程中利于保密。

（3）制造原材料便宜，節(jié)約有色金屬。光纖的基本材料是二氧化硅，有大量來源。而通信電纜是用銅做導(dǎo)線，銅的資源有限。

（4）抗電磁干擾。二氧化硅是絕緣介質(zhì)，因此光纖不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電磁干擾。纖芯中除導(dǎo)模外的磁場在包層的內(nèi)區(qū)就衰減到零。

（5）傳輸損耗低。光纖與同軸電纜相比，傳輸損耗幾乎可以忽略，而且光纖在全部有線電視頻道內(nèi)具有相同的損耗，不需要像電纜干線必須引入均衡器進(jìn)行均衡，還有就是損耗幾乎不隨溫度變化，不用考慮因環(huán)境溫度變化而造成干線電平的波動(dòng)。

（6）保真度高，工作性能穩(wěn)定。光纖傳輸不需要中繼放大，不會(huì)因?yàn)榉糯笠胄碌姆蔷€性失真。光纖系統(tǒng)包含的設(shè)備數(shù)量少，可靠性穩(wěn)定且高。

在實(shí)際應(yīng)用中，光纖與光纖的連接，一般采用熱熔接和冷接兩種方法來進(jìn)行施工。

1、熱熔接法

使用光纖熔接機(jī)的高壓電弧將兩根光纖熔化后連接起來，這種方法早期一般用于長距離通訊施工，不過隨著人們對網(wǎng)速需求的提高和光纖入戶的興起，熱熔接法也用于短距離光纖鋪設(shè)施工（如小區(qū)寬帶網(wǎng)和光纖入戶等），已成為國際上主流的光纖施工方法。

2、冷接法

冷接法是相對于熱熔接法而言的，指不需要高壓電弧放電來融化光纖，而使用光纖冷接子來將光纖連接起來或?qū)⒐饫w接入到光通訊設(shè)備中。

光纖作為一種信號(hào)傳輸物質(zhì)，有著通信容量大、中繼距離長、保密性能好、適應(yīng)能力強(qiáng)、體積小重量輕、原材料來源廣價(jià)格低廉等的優(yōu)點(diǎn)，在寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入的應(yīng)用非常廣泛，在網(wǎng)絡(luò)和通信中有著非常光明的前景。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信業(yè)務(wù)由傳統(tǒng)單一的電話業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向高速IP數(shù)據(jù)和多媒體為代表的寬帶業(yè)務(wù)，是實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)淖罾硐氲膫鬏斆劫|(zhì)，因而光纖通信將成為未來通信發(fā)展的主流。