通信传输中的光纤知识

我们的生活离开了光，恶劣的后果简直不可想象。光是如此重要，又如此奇妙，令人感叹不已。它到底是粒子还是波，这个问题至今仍未解决。科学家现在认为光有两重性，既是粒子又是波。对此，我们在这里也就不多做讨论。

随着科学技术和生产力的发展，光信号的传输，目前在通信与广播电视传输系统中，已可与电信号分庭抗礼，占据半壁江山。光纤通信成为了一项系统工程，涉及光学，微电子学，信号与系统，机械，计算机与自动控制，材料以及它们之间的交叉，集成和综合，此外还有光网设计，标准化，成

本核算等软层面上的工作，比如设计一个单信道光纤通信系统，将系统粗略地划分为发射-信道-接收三部分，需要考虑的诸多因素如图1所示。

由上述可知，光纤作为光信号的传输介质，其重要性自是不言而喻。在这里，我们仅浅谈下光纤的分类，连接，衰减，检测。

什么是光纤呢？光纤，光导纤维(OpticalFiber)的简称.它是由石英玻璃或塑料形成的很细的纤维状物质，呈圆柱形，直径约9-50微米。日常应用中，光纤由纤芯、包层与涂敷层三大部分组成。纤芯位于光纤的中心部位， 直径4-50μm，纤芯的成分是高纯度二氧化硅(目前石英系光纤、多组分玻璃光纤、全塑料光纤、氟化物光纤也得到广泛应用)，此外，还掺有极少量的掺杂剂(如二氧化锗，五氧化二磷)，其作用是适当提高纤芯对光的折射率，用于传输光信号。包层位于纤芯周围，直径为125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。在这里，掺杂剂(如三氧化二硼)的作用是适当降低包层对光的折射率，使之略低于纤芯的折射率，即纤芯的折射率大于包层的折射率(这是光纤结构的关键)，它使得光信号封闭在纤芯中传输。

光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层、缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆层的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的机械强度与可弯曲性，从而延长光纤寿命。

一般涂敷后的光纤外径约2.5毫米。由于纤芯的折射率设计得略大于包层，故激光信号在全反射波导状态下被封闭在纤芯内传播，光纤的结构见图2。

光纤的分类方法有很多，若按制造光纤所用材料分，可分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤、氟化物光纤；按照光的传输模式可分为多模光纤(Multi-mode Fiber)和单模光纤(Single-mode Fiber)；按光纤的工作波长可分为短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤；若按最佳传输频率窗口分类可分为常规型单模光纤和色散位移型单模光纤；按折射率分布情况可分为阶跃型和渐变型光纤。在这里只重点讨论单模光纤和多模光纤。

(1)单模光纤：单模光纤中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，在给定波长上只能以单一模式传输，优点是传输频带宽、容量大；因为只能传一种模式的光，所以其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，因此单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1.31μm波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G.652建议中确定的，因此这种光纤又称G.652光纤。

(2)多模光纤：是在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输。多模传输时由于不同模式的光沿线传输的速度不同会产生相位差将导致传输失真因而使其传输频带受限。中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。因此与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

单模光纤和多模光纤可以从纤芯的尺寸大小来简单地判别。一般的情况下，为保证数据传输的准确性，短波光模块使用多模光纤，长波光模块使用单模光纤。单模光纤的跳线一般用黄色表示，接头和保护套为蓝色或绿色；多模光纤的跳线一般用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色。光纤跳线两端的光模块的收发波长必须一致，也就是说光纤的两端必须是相同波长的光模块，简单的区分方法是光模块的颜色要一致。

造成光纤衰减的主要因素有：本征，杂质，不均匀和弯曲，挤压，对接等。
本征：即光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。
杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。

不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。

弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。

挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。

对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μm)，端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。

前三个因素是由光纤自身因素和生产工艺造成，很难克服。后三个因素则主要是在使用中，因人为因素造成。所以，光纤在使用时，要避免过度弯曲和绕环；在熔接时，要尽量保证切割端面的平整，这样可降低光在传输过程中，人为因素造成的衰减。另外，光纤跳线使用后，也必须用保护套将光纤接头保护起来，否则灰尘和油污会损害光纤的耦合，造成信号急剧衰减。如图3。

光纤的连接方法大致可分为：永久性连接、应急连接、活动连接。

这种连接是用放电的方法将连根光纤的连接点熔化并连接在一起。一般用在长途接续、永久或半永久固定连接。其主要特点是连接衰减在所有的连接方法中最低，典型值为0.01-0.03dB/点。但连接时，需要专用设备(熔接机)和专业人员进行操作，而且连接点也需要专用容器保护起来。如图4

应急连接主要是用机械和化学的方法，将两根光纤固定并粘接在一起。这种方法的主要特点是连接迅速可靠，连接典型衰减为0.1～0.3dB/点。但连接点长期使用会不稳定，衰减也会大幅度增加，所以只能短时间内应急用。如图5。

 

成端活动连接是利用各种光纤连接器件(插头和插座)，将站点与站点或站点与光缆连接起来的一种方法。这种方法灵活、简单、方便、可靠，多用在前端机房内的网络布线中。其典型衰减为1dB/接头。如图6。

光纤检测的主要目的是保证系统连接的质量，减少故障因素以及故障时找出光纤的故障点。检测方法很多，主要分为人工简易测量和精密仪器测量。

(1)人工简易测量：这种方法一般用于快速检测光纤的通断和施工时用来分辨所做的光纤。它是用一个简易光源从光纤的一端打入可见光，从另一端观察哪一根发光来实现。这种方法虽然简便，但它不能定量测量光纤的衰减和光纤的断点。

(2)精密仪器测量：使用光功率计或光时域反射图示仪(OTDR)对光纤进行定量测量，可测出光纤的衰减和接头的衰减和光纤大致的断点位置。这种测量，可用来定量分析光纤网络出现故障的原因或对光纤产品进行评价。

通过上面的介绍，我们知道由于单根光纤的强度很低，不便敷设，因此单根光纤外面包再加一层薄的塑料外套用来保护封套。封装好后的光纤，按不同规格扎成束，就成为易于施工铺设的光缆。