光纤通信

光纤的原理特性与工艺

引言：（光纤发展的背景）

电子和光子的特点：电子具有电荷和质量，而光子却没有；电子遵循费米—狄拉克统计学规律，而光子则遵循波色—爱因斯坦统计学规律；电子仅可通过串行方式处理，而光子则可以通过并行方式处理；运动的电子产生电磁场和波，而光子却不能；电子可以承受电磁干扰，而光子却不能。电子在自由空间不能自由传输且需要导线传输，而光子却可以在波导器件和自由空间传播。

光纤原理：

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。

光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。一般是由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。

光纤有两项主要特性：即损耗和色

散。

光纤每单位长度的损耗或者衰减（dB/km），

关系到光纤通信系统传输距离的长短和中

继站间隔的距离的选择。

光纤的色散反应时延畸变或脉冲展宽，对于

数字信号传输尤为重要。每单位长度的脉冲

展宽（ns/km），影响到一定传输距离和信息传输容量。

光纤优点：

1、带宽极大；

2、直径小、重量轻；

3、并行光纤之间没有串扰；

4、不受感应的干扰；

5、低价传输信号的潜力；

6、较大的安全性；

7、较大的保险性；

8、更长的使用寿命；

9、对温度腐蚀性液体及气体的高耐抗性；

10、更高的可靠性及易维护性；

11、无信号辐射泄露；

12、系统易于扩容；

13、使用常见的天然资源。

光纤的结构：

光纤的结构：

纤芯材料的主体是二氧化硅，里面掺极微量的其他

材料，例如二氧化锗、五氧化二磷等。掺杂的作用

是提高材料的光折射率。纤芯直径约5~~75μm。

光纤外面有包层，包层有一层、二层（内包层、外

包层）或多层（称为多层结构），但是总直径在

100~200μm上下。包层的材料一般用纯二氧化硅，也有掺极微量的三氧化二硼，最新的方法是掺微量的氟，就是在纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。掺杂的作用是降低材料的光折射率。

这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。两者席位的区别，保证光主要限制在纤芯里进行传输。

包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐。涂料的作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。

光纤的最外层是套层，它是一种塑料管，也是起保护作用的，不同颜色的塑料管还可以用来区别各条光纤。

光纤的折射率：

光纤的结构一般用折射率沿光纤径向的分布函数来表征，这种分布函数成为光纤的折射率刨面。

射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。因此，典型的阶越光纤是由折射率（n1）稍高的纤芯和折射率（n2）稍低的包层构成。纤芯和包层之间有良好的光学界面。 若光线以某一角度进入光线端面时，入射光线与光线轴线之间的夹角θ0称为光线端面入射角；光线进入光纤后又射到纤芯和包层之间的界面上，形成包层界面入射角Φ，如图（a）所示。

图中，光线１垂直光线端面射入，并与光纤轴心线重合时，光线１沿轴心线向前传播。

由于ｎ1〉ｎ2，所以包层界面有一个全反射的临界角Φc，与其相对应的光线端面有一个临界入射角Φa。如果端面入射角θ0≤θa，如图（ａ）中的光线２进入光纤后，当射到光纤的内包层界面时，入射角Φ≥Φc，满足全反射条件，光线２将在纤芯和包层的界面上不断的产生全反射而向前传播。一般，这种光线在光纤内需经过几千、几万、甚至更多次的全反射，（全反射次数与光纤长度、直径有关），才能从光纤的一段传到另一端。

光线１、２的特点是光在光纤中传播

路径始终在同一平面内，这种光线称为受

到光线；在纤维光学中又称为子午光线。

子无光的是平面曲线，包含子午光线的面

称为子无面。

另一种光线不在一个平面内，不经过光的

轴心线。当入射光纤后碰到边界时，作内

部全反射，如图（ｂ）中光线３所示。这

类光线运动范围是在边界和有虚线所示的

焦散面之间。光线在断面上的投影为折线。

光线３称为斜光线，它是一空间曲线，除

子午线和斜光线外，还有一种不受到光线，它不能在光纤中传播，射线理论无法解释这种

光线。

光纤的分类

光纤正处在新产品的不断涌现的发展时期，种类不断增多，而且千变万化。近年来

用于传感器的特殊光纤发展尤迅速。目前一般分类方法如下：

1．按制作材料分：

（1）高纯度石英玻璃光纤。这种材料损耗低，在波长时，最低达0。47db/km。用锗硅材料作芯子，硼硅材料作包层的多模光纤，损耗最低为0.5db/km和类似的损耗-波谱曲线。采用三元化合材料，可能获得最好的损耗-波谱曲线。

（2）多组分玻璃光纤。通常用更常规的玻璃制成，损耗也很低，如Sodium-borosilica-te玻璃光纤在 =0.84微米最低损耗为3.4db/km。

（3）塑料光纤。它与石英光纤相比具有重量轻，成本低，柔软性好，加工方便等特点，但损耗在r=0.63微米到100-200db/km。

2．按传输模分：

（1）单模光纤。单模光纤纤芯直径仅几个厘米，加包层和涂敷层后也仅几十个微米到125微米。纤芯直径接近波长。

（2）多模光纤。多模光纤纤芯直径有50微米，加包层和涂敷层有50微米。纤芯直径远远大于波长。

根据光纤的折射率沿径向分布函数不同又进一步分为多模阶跃光纤，单模阶跃光纤和多模梯度光纤

3．按用途分：

（1）通信光纤。

（2）非通信光纤----特殊光纤。有低双折射光纤，高双折射光纤，涂层光纤，液芯光纤，激光光纤和红外光纤等。

4．按制作方法分：

（1）化学气相沉积法（CVD）或改进化学气相沉积法（MCVD）。用来制作高纯度石英玻璃光纤。

（2）双坩埚法或三坩埚法。用来制作多组分玻璃光纤。

5. 在实际应用过程中，我们一般按照光纤连接器结构的不同来加以区分。以下简单的介绍一些目前比较常见的光纤连接器：

(1)FC型光纤连接器

这种连接器最早是由日本NTT研制。FC是Ferrule Connector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。最早，FC类型的连接器，采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式(FC)。此类连接器结构简单，操作方便，制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。后来，对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球面的插针(PC)，而外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。

(2)SC型光纤连接器

这是一种由日本NTT公司开发的光纤连接器。其外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用PC或APC型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。此类连接器价格低廉，插拔操作方便，介入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。

(3) 双锥型连接器（Biconic Connector）