光纤技术及其应用

光纤技术及其应用
赵艳红，张静，周军，赵浩，刘斌
（上海波汇科技股份有限公司，上海200000）
摘要：光纤作为一种光导工具，其工作原理为利用光在玻璃或塑料制成的纤维中发生的全反射。

随着光纤技术的发展，其已应用在人类生活的各个领域。

文章主要介绍了光纤的结构、分类以及在医疗、光纤通信、光纤传感器以及电力保护系统中的应用。

关键词：光纤技术；光纤通信；光纤传感器；电力保护
中图分类号：TN929.11文献标识码：A文章编号：1673-1131（2019）01-0274-02
Optical Fiber and its Application
Zhao Yanhong,Zhang Jing,Zhou Jun,Zhao Hao,Liu Bin
（Shanghai Bandweaver Technology Co.LTD）
Abstract：Optical fiber,as a light guide tool,works by using the total reflection of light in glass or plastic fibers.With the de-velopment of fiber optics technology,it has been applied in every field of human life.This paper mainly introduces the structure, classification and application of optical fiber in medical treatment,optical fiber communication,optical fiber sensor and power protection system.
Keywords：Optical fiber;optical fiber communication;optical fiber sensor;power protection system
1概述
1.1光纤结构
光纤主要由玻璃或塑胶纤维组成，是一种可以将信息转
换为光从一端传送到另一端的媒介，可作为光传导工具。

大
多数光纤是用石英材料制成的，其横截面为很小的双层同心
圆柱体，光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形复合纤
维，是一种实体结构。

折射率高的中心部分叫做纤芯，一般为
石英纤维，折射率稍低的外层称为包层，包层一般采用玻璃，
涂覆层采用聚氨基甲酸乙酯或硅酮树脂，护套采用尼龙或塑
料。

光纤是利用光的全反射原理使得光在纤芯内并沿着光纤
轴线传播[1-2]。

1.2光纤的分类
（1）按光纤的传输模式分类
根据光纤的传输模式可分为单模光纤和多模光纤。

多模
光纤为可传输多模式光波的光纤，多模式传输为当光在纤芯
中传播时，可以不同的角度进入光纤的光线，从一端传至另一
端，其折射或弯曲的次数也不同。

若光纤的纤芯直径为
5~10
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光纤通信技术是利用光纤实现信息传输的一种现代化通
信技术，其主要技术有光器件技术、光接入技术、全光通信技术等[7]。

光纤作为传输介质，具有损耗低、容量大等特点。

通信用光纤是由石英材料制成，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。

传统的G.652光纤之中利用在纤芯之中掺加锗来增强纤芯折射率，并于SiO2包层材料共同产生出折射率，与SiO
2包层材料之间产生出折射差，并以此来保护入射光在单模光
纤中传播。

但是因为在线芯之中加入GeO
2
，会造成光纤的损耗增大，并使得原本的G.652传输距离穿件到0.185dB/km左右。

大量的应用试验表明，光纤当中的损耗大多是因为光纤材料瑞利散射耗损以及吸收耗损。

鉴于掺锗元素的影响，会导致较大的光纤瑞利散射情况，使其衰减情况难以减小。

应用纯硅芯单模光纤，可降低瑞利散射面造成的衰减，能够使光纤损耗进一步改善。

将用在包层之间的锗元素换成氟元素，可减小包层的折射率，也进一步保证了纤芯同包层的折射率差值[8-9]。

光通信技术最大的技术目标是要实现最大可能的信息传输，而光纤作为光通信的物理传输媒介，是解决此类问题的有效方法。

因此，光纤是促进光纤通信技术发展的重要组成部分[7]。

2.3光纤传感
传感技术已经成为衡量一个国家科技水平发展的重要标志，先进传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展，在全球已经成为研究热点[9]。

光纤传感器是利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性改变的传感器。

光纤传感一般由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器等组成。

光纤传感器按其原理可分为非功能型传感器和功能型传感器。

非功能型传感器是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，在其仅起到导光的作用，通常使用的光纤为单模光纤。

功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度、相位和偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。

光纤在其中即是导光媒介，又可作为敏感元件，光纤同时具有“传”和“感”的功能。

此类光纤多采用多模光纤。

其优点是结构紧凑，灵敏度高，缺点是成本较高[9-11]。

光纤传感经过长时间的发展，在建筑工程、石油化工、军事安防、环境监测以及医学等领域展开广泛的应用。

但许多方面仍不能满足人们的需求，因此光纤传感器还具有很大的发展空间。

2.4电力保护
电力系统为社会提供了充足的能源，因此在其运行过程中，需要对其保护以确保其能够稳定运行。

而传统的电力保护会受到外界环境的影响，使得保护效果变差。

光纤技术则可以避免此类缺陷，因此，对光纤技术在电力保护中的应用进行研究具有重要的意义。

光纤技术在电力保护中的方法包括专用通道光纤保护、复用通道光纤保护及光纤电流差动保护[12]。

专用通道光纤保护可以形成单独的模块，使保护系统独立出来，传输流程简单易操作，从而提升了电力保护的安全性和可靠性。

但该方法的投入成本比较高，同时光芯应用的效率偏低，且进行电力保护时，需要重复性的插拔插头，使插头出现损伤。

同时，存在带路操作时，还要根据实际情况对本路保护与带路保护的光芯进行及时切换，增加了对电力系统的保护难度[12]；复用光纤纵联保护是通过光纤与纵联保护之间的的结合形成的。

该保护方法的优点是保护线路比较容易连接，该方法还可针对电力保护的实际情况，利用带路对电信号进行切换，从而增加了光芯的使用效率。

缺点是中间流程多，操作复杂，电力保护系统维护与检修的难度较大[12-13]；光纤电流差动保护其基本原理主要依据Kirchhof定律，是将电流差动保护中和光纤技术融合在一起，使得其保护效果得到很大的提升。

光纤电流差动保护在保护系统的运行方式发生变化时，不会干扰对电力保护的效果。

同时，在系统两侧的保护设备之间，不存在任何的电联系，从而使整个保护系统可靠性增强。

光纤电流差动保护不仅继承了电流差动保护的优点，还具有可靠稳定的光纤传输通道，从而保证了正确可靠地将传送电流的幅值和相位传送到对侧[12]。

光纤技术应用在电力保护系统中时既有优点也有缺点，在应用当中，应该针对电力系统的实际运行情况进行选择，从而确保整个电力系统的安全及稳定。

3结语
文章主要介绍了光纤的结构、分类及应用。

光纤以其优良的特性，在军事、交通、安防等方面也被广泛应用，并已经成为新兴支柱产业，且已表现出越来越广阔的应用前景，因而必然也是二十一世纪最具发展技术与产业之一。

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信息通信赵艳红等：光纤技术及其应用
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