光纤传输原理（光纤的发展及应用详解）

光纤是一种细长、柔软的固体玻璃物质，由纤芯、包层和涂层组成，可用作光传输工具。

光纤的纤芯主要由高纯度的二氧化硅(SiO2 _ 2)制成，并掺入少量的掺杂剂以提高纤芯的光学折射率n1。包层也是高纯度的SiO2 _ 2，还掺杂了一些掺杂剂来降低包层的折射率n2和n1n2，产生全反射。涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙，以增加机械强度和柔韧性。

光纤传输原理

全反射原理：由于光在不同物质中的传播速度不同，当光从一种物质发射到另一种物质时，会在两种物质的界面发生折射和反射。而且折射光的角度会随着入射光的角度而变化。

当入射光的角度达到或超过一定角度时，折射光就会消失，所有入射光都会被反射回来，这就是光的全反射。

不同的物质对相同波长的光有不同的折射角(即不同的物质有不同的折射率)，同一种物质对不同波长的光有不同的折射角。光纤通信就是基于上述原理。

根据几何光学全反射原理，光线在纤芯和包层界面发生全反射，形成将光锁定在纤芯中向前传播的必要条件，即使光通过弯曲的路径，也不会出射光纤。

光纤技术的起源和发展

1966年，美籍华人高锟和霍克汉姆发表了一篇论文，光纤的概念由此产生。1970年，美国康宁公司首次成功研制出损耗为20dB/km的光纤，光纤通信时代开始了。

1977年，美国在芝加哥用多模光纤成功进行了第一次光纤通信实验。当时8.5微米波段多模光波是第一代光纤通信系统。随后在1981年、1984年和80年代中后期，光纤通信系统迅速发展到第四代。第五代光纤通信系统已经达到应用标准，实现了光波的长距离传输。

光纤通信的发展阶段

第一阶段：1966-1976年，是从基础研究到商业应用的发展时期。现阶段实现了短波长0.85m，低速率45或34Mb/s的多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km。

第二阶段：1976-1986年，以提高传输速率和增加传输距离为研究目标，大力推广应用的大发展时期。这一时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85m的短波发展到1.31m、1.55 m的长波，实现了工作波长1.31m、传输速率140565 MB/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离10050km。

第三阶段：1986-1996年，以超大容量、长距离为目标，对新技术进行全面深入研究的时期。在此期间，实现了1.55m色散位移单模光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达2.510Gb/s，无中继传输距离可达150100km。实验室可以达到更高的水平。

光纤的类型

光纤种类繁多，分类方法也多种多样。

根据制造光纤所用的材料，分为应时纤维、多组分玻璃纤维、包塑应时芯纤维、全塑纤维和氟化物纤维。

塑料光纤由高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)制成。其特点是制造成本低，芯径较大，与光源耦合效率高，耦合进光纤的光功率高，使用方便。但由于损耗大，带宽小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网络链路、船内通信等。目前，应时光学fi

单模光纤：中心的玻璃纤芯很细(纤芯直径一般为9或10m)，只能传输一种模式的光。所以它的模间色散很小，适合远距离通信，但仍然存在材料色散和波导色散，所以单模光纤对光源的光谱宽度和稳定性要求较高，即光谱宽度要窄，稳定性要好。后来发现，在1.31m波长处，单模光纤的材料色散和波导色散有正有负，大小正好相同。

也就是说，在1.31m波长下，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31m正好是光纤的低损耗窗口。这样，1.31m波长区域就成为了光纤通信的理想工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31m常规单模光纤的主要参数是由ITU-T在G652推荐中确定的，所以这种光纤也叫G652光纤。

多模光纤：中心玻璃芯较厚(50或62.5m)，可传输多种模式的光。但是它的模间色散较大，限制了传输数字信号的频率，而且随着距离的增加会更加严重。例如，600MB/KM的光纤在2KM处只有300MB带宽。所以多模光纤的传输距离比较短，一般只有几公里。

根据折射率的分布，有两种类型：阶跃光纤和渐变光纤。

阶跃型：纤芯的折射率高于包层的折射率，使得输入的光能在纤芯和包层的界面不断反射并向前移动。纤芯折射率均匀，包层折射率略低。从光纤的中心纤芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称为阶跃折射率多模光纤，也叫突变光纤。

这种光纤有多种传输模式，每种模式的传输路径不同，传输后到达终点的时间也不同，从而造成时延差和光脉冲展宽。所以这种光纤模间色散高，传输带宽大，传输速率低，不太适合通信。只适合短距离低速通信，比如工业控制。但由于模式间色散较小，单模光纤都采用突变型。这是早期研发的光纤，现在已经逐渐淘汰了。

渐变光纤：为了解决阶跃光纤的缺点，人们发展了渐变折射率多模光纤，简称渐变光纤。从光纤的中心纤芯到玻璃包层折射率逐渐降低，可以使高次模的光以正弦形式传播，可以降低模间色散，增加光纤带宽，增加传输距离，但成本较高。现在的多模光纤多是渐变光纤。

渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样均匀。渐变光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径逐渐减小。因为高阶模和低阶模的光根据折射定律分别在不同折射率层的界面折射，进入低折射率层，光的行进方向与光纤轴方向所成的角度会逐渐变小。

同样的过程一直持续到光在某个折射率层发生全反射，使得光改变方向，向中心折射率较高的层移动。此时，光的行进方向与纤维轴方向形成的角度在每个折射率层中每折射一次就增加一次，最终到达中心折射率最大的地方。

之后继续重复上述相同的过程，从而实现光波的传输。可以看到，光在渐变光纤中会有意识地调整，最终到达目的地，这就是所谓的自聚焦。

按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤。

短波长光纤是指0.8 ~ 0.9微米光纤；瞧

目前单模光纤的国际标准主要是ITU-T系列：G.650《单模光纤相关参数的定义和测试方法》、G.652《单模光纤和光缆特性》、G.653《色散位移单模光纤和光缆特性》、G.654《截止波长位移单模光纤和光缆特性》、G.655《非零色散位移单模》。多模光纤的ITU-T标准是g . 651“50/125 m多模渐变折射率光纤和光缆的特性”。

单模光纤

普通单模光纤

普通单模光纤是指在1310nm窗口内零色散波长的单模光纤，也称为色散位移光纤或普通光纤。国际电信联盟(ITU-T)已经将这种光纤标准化为G.652光纤。

G.652属于第一代单模光纤，是1310nm波长性能最好的单模光纤。工作波长为1310nm时，色散系数D为0 ~ 3.5 PS/nmkm，但损耗较大，约为0.3 ~ 0.4 dB/km。此时，系统的传输距离主要受光纤衰减的限制。

在1550nm，损耗较小，约为0.19 ~ 0.25 dB/km，但色散较大，约为20ps/nmkm。传统上，在G.652上开通的PDH系统大多使用1310nm零色散窗口。而近几年开通的SDH系统采用了1550nm的最小衰减窗口。

此外，由于ErbiumDopedFiberAmplifier (EDFA)和密集波分复用(DWDM)的实用性，1550nm窗口已经成为G.652光纤的主要工作窗口。

对于基于2.5Gb/s及以下的DWDM系统，G.652光纤是最佳选择。但是，由于1550nm波段色散较大，如果传输10Gb/s的信号，传输距离超过50km就需要昂贵的色散补偿模块，增加了系统的总成本。色散补偿模块将引入大的衰减。因此，色散补偿模块通常与EDFA一起工作，并放置在两级EDFA放大之间，以避免占用链路的功率冗余。

G.652光纤的一些光学特性参数和任意特性参数。

G.652光纤进一步分为四个子类：A、B、C和D:

G.652A光纤主要适用于ITU-TG.951规定的SDH传输系统和G.691规定的光放大达到STM-16的SDH传输系统，只能支持2.5Gb/s及以下的系统。

G.652B光纤主要适用于ITU-T G.957规定的SDH传输系统、G.691规定的光放大单通道SDH传输系统和光放大高达STM-64的ITU-T G.692波分复用传输系统，可支持10 Gb/s速率，参数要求为PMD。