淺析光纖的基本原理

趙亞茹

【摘要】 光纖是光導纖維的簡稱，可作為傳播光信號的工具。

【關鍵字】 光纖 模式 通信

光纖是光導纖維的簡稱，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為一種傳導光波的工具。光導纖維是由兩層折射率不同的玻璃組成。內層為光內芯，直徑在幾微米至幾十微米，外層的直徑0.1～0.2mm。一般內芯玻璃的折射率比外層玻璃大1%。根據光的折射和全反射原理，當光線射到內芯和外層界面的角度大于產生全反射的臨界角時，光線透不過界面，全部反射。微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂，還可以保護光纖不受潮濕的侵蝕和機械擦傷。通常光纖一端的發射裝置使用發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，已廣泛應用于有線電視和通信系統。

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低且纖芯與包層的折射率差很大。主要用在醫療業務的光纖內窺鏡。

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。早期產品主要用于裝飾和導光照明及近距離光鍵路的光通信中。原料主要是有機玻璃、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波長的光傳輸業務。其具有超低損耗光纖的可能性，正在進行著用于長距離通信光纖的可行性開發。

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，一般只能傳導單一基模的光纖。其模間色散很小，適用于遠程通訊，但存在材料色散和波導色散。單模光纖對光源的譜寬和穩定性有較高的要求。現在單模光纖通信系統的主要工作波段是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字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重，所以多模光纖傳輸的距離比較近，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生全反射而前進。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。光纖中應用的是：850nm，1310nm，1550nm三種。因為光在不同物質中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質射向另一種物質時，在兩種物質的交界面處會產生折射和反射。而且，折射光的角度會隨入射光的角度變化而變化。

當入射光的角度達到或超過某一角度時，折射光會消失，入射光全部被反射回來，這就是光的全反射。不同的物質對相同波長光的折射角度是不同的（即不同的物質有不同的光折射率），相同的物質對不同波長光的折射角度也是不同。利用光導纖維進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送機把電信號轉變為光信號，并用耦合技術把光信號最大限度地注入到光纖中，而光纖作為信道傳輸光信號，作為光在發送機和接收機之間的傳輸路徑。光接收機再把光信號轉換為電信號。

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律，得到光纖中的傳播模式、場結構、傳輸常數及截止條件。

傳播模式可分為三類：

1、傳導模：滿足全反射條件的那些模式。其纖芯內為駐波場或行波。

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而可徑向輻射至無窮遠。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，在纖芯內傳播時，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為衰減的行波場。

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），最外是加強用的樹脂涂層。光線在纖芯傳送，當光纖射到纖芯和外層界面的角度大于產生全反射的臨界角時，光線透不過界面，會全部反射回來，繼續在纖芯內向前傳送，而包層主要起到保護的作用。

光纖作為光通信和光傳感系統中的信息載體和敏感元件，得益于它有以下優點：

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

（2）保密性強。光纖的基本成分是石英，不導電，其中的光信號不受電磁場影響，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線，銅的資源有限。

（4）抗電磁干擾。二氧化硅是絕緣介質，因此光纖不會產生感應電磁干擾。纖芯中除導模外的磁場在包層的內區就衰減到零。

（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具有相同的損耗，不需要像電纜干線必須引入均衡器進行均衡，還有就是損耗幾乎不隨溫度變化，不用考慮因環境溫度變化而造成干線電平的波動。

（6）保真度高，工作性能穩定。光纖傳輸不需要中繼放大，不會因為放大引入新的非線性失真。光纖系統包含的設備數量少，可靠性穩定且高。

在實際應用中，光纖與光纖的連接，一般采用熱熔接和冷接兩種方法來進行施工。

1、熱熔接法

使用光纖熔接機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施工（如小區寬帶網和光纖入戶等），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將光纖接入到光通訊設備中。

光纖作為一種信號傳輸物質，有著通信容量大、中繼距離長、保密性能好、適應能力強、體積小重量輕、原材料來源廣價格低廉等的優點，在寬帶互聯網接入的應用非常廣泛，在網絡和通信中有著非常光明的前景。

隨著通信技術的發展，通信業務由傳統單一的電話業務轉向高速IP數據和多媒體為代表的寬帶業務，是實現高速傳輸的最理想的傳輸媒質，因而光纖通信將成為未來通信發展的主流。