光纤基础知识汇总

光纤是光导纤维的简写，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。

在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗

低得多，光纤被用作长距离的信息传递。

光纤结构

1、光纤（Optical Fiber）的典型结构是多层同轴圆柱体，自内向外由纤芯、包层和涂敷层三

部分组成。

纤芯

作用——传导光波

成分——高纯度SiO2+极少量掺杂剂（如P2O5）

掺杂目的是提高纤芯对光的折射率

包层

作用——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。将光波限制在纤芯中传播

成分——高纯度SiO2+极少量掺杂剂（如B2O3）

掺杂目的是使折射率略低于纤芯折射率

设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。

涂覆层

作用——保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。同时增加光纤柔韧性。

一次涂覆层：丙烯酸酯，有机硅或硅橡胶材料

缓冲层：一般为性能良好的填充油膏

二次涂覆层：聚丙烯或尼龙等高聚物

光纤分类

（1）按照制造光纤所用的材料分类有：

石英系光纤；

多组分玻璃光纤；

塑料包层石英芯光纤；

全塑料光纤。

2）按折射率分布情况分类：光纤主要有三种基本类型：

（多模阶跃折射率光纤）——纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是

信号畸变大。

渐变型多模光纤（多模渐变射率光纤）——在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm，光线以正

弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。

单模光纤——折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8~10 μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（只传输主模），所

以称为单模光纤，其信号畸变很小。

突变型多模光纤：

渐变型多模光纤：

单模光纤：

3）主要用途：

突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。

渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。

单模光纤用在大容量长距离的系统。

光纤传输原理

几何光学法：当光波波长远小于光纤芯径时，光可以用一条表示光波传播方向的几何线即光射线表示

麦克斯韦波动方程法：根据电磁场理论对光波导的基本问题求解

几何光学法（以突变型多模光纤的交轴光线(子午光线)为例）：

设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致。

与内光线入射角的临界角θc相对应，光纤入射光的入射角θi有一个最大值θmax 。θmax称为光纤端面入射临界角（简称入射临界角）光纤○2

当θi<θmax时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线3。

由此可见，只有在半锥角为θi ≤θmax的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。

数值孔径为：

NA= n 0 sin (θmax)= 光在光纤中的模式传输

传输模式：横电模TE ：如果纵轴方向只有磁场分量H z ，没有电场分量（E z =0），

而横截面上有电场分量的电磁波称为横电模，用

TE 0 m 表示。

横磁模TM ：如果纵轴方向只有电场分量E z ，没有磁场分量（H z =0），

而横截面上有电场分量的电磁波称为横电模，用

TM 0 m 表示。

混合模HE 和EH

：如果纵轴方向既有电场分量E Z 又有磁场分量H Z ，这种电磁波就是横电模与横磁模的混合，称为混合模。

混合模用HE v m 和EH v m 表示。

混合模HE v m 和EH v m ：当纵轴方向磁场分量占优势，电场分量较弱时，混

合模用HE v m 表示。反之，当纵轴方向电场分量

占优势，磁场分量较弱时，混合模用EH v m 表示。

传条输件

V - 光纤的归一化频率

V c - 光纤的归一化截止频率光纤的归一化频率V

光纤传输特性

产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。

光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。

损耗和色散是光纤最重要的传输特性

2

2

2

1n n c

V V 2

2212

22

1n a n n a V

光纤的色散

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

光纤色散模式色散：取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的

波长特性有关

材料色散：取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽

度

材料色散

波导色散：取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差

波导色散极化色散：由于HE 11y 和HE 11x 模的传播常数βy 和βx 小不同，

因此引起这两个模式传输的不同步，从而形成色散

模式色散》材料色散》波导色散》极化色散

光纤损耗

光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降，这种现象称为光纤的损耗

由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离，是光纤最重要的传输特性之一。

光纤的损耗机理主要有三种：即吸收损耗、散射损耗和

辐射损耗

光纤中的杂质主要有过渡金属和氢氧根(OH -)离子。由氢氧根离子(OH -)产生的吸收峰出现在0.95μｍ、1.24 μｍ和1.39 μｍ波长，其中以 1.39μｍ的吸收峰影响最为严重。

目前氢氧根离子(OH -)的含量已经降低到10-9以下，1.39μｍ吸收峰损耗也减小到0.5dB/km 以下。)(n n )(