光纤你知道多少,看完这篇就够了

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一、光纤是怎么诞生的人类从未放弃过对理想光传输介质的寻找，经过不懈的努力，人们发现了透明度很高的石英玻璃丝可以传光。这种玻璃丝叫做光学纤维，简称“光纤”。但是它的衰减损耗很大，只能传送很短的距离。光的损耗程度是用每千米的分贝为单位来衡量的。直到20世纪60年代，最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在每公里1000分贝以上。每公里1000分贝的损耗是什么概念呢？每公里10分贝损耗就是输入的信号传送1公里后只剩下了十分之一，20分贝就表示只剩下百分之一，30分贝是指只剩千分之一……1000分贝的含意就是只剩下亿百分之一，是无论如何也不可能用于通信的。因此，当时有很多科学家和发明家认为用玻璃纤维通信希望渺茫，失去了信心，放弃了光纤通信的研究。激光器和光纤的发明，使人们看到了光通信的曙光。而要实现光纤通信，还需要在激光器和光纤的性能上有重大的突破。但是在这两方面的突破遇到了许多困难，尤其是光纤的损耗要达到可用于通信的要求，从每千米损耗1000分贝降低到20分贝似乎不太可能，以致很多科学家对实现光纤通信失去了信心。就在这种情况下，出生于上海的英藉华人高锟（K.C.Kao）博士，通过在英国标准电信实验室所作的大量研究的基础上，对光波通信作出了一个大胆的设想。他认为，既然电可以沿着金属导线传输，光也应该可以沿着导光的玻璃纤维传输。1966年7月，高锟就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文，论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因，大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到20分贝／公里，从而有可能用于通信。世界上第一根低损耗的石英光纤――1970年，美国康宁玻璃公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了传输损耗每千米只有20分贝的光纤。1970年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始从理想变成可能，这立即引起了各国电信科技人员的重视，他们竞相进行研究和实验。1974年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作扌一一CVD法（汽相沉积法），使光纤损耗降低到1分贝/公里；1977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时（实用中10年左右）的半导体激光器，从而有了真正实用的激光器。1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速率为45Mb/s。进入实用阶段以后，光纤通信的应用发展极为迅速，应用的光纤通信系统已经多次更新换代。70年代的光纤通信系统主要是用多模光纤，应用光纤的短波长（850纳米）波段，（1纳米=1000兆分之一米，即米）。80年代以后逐渐改用长波长（1310纳米），光纤逐渐采用单模光纤，到90年代初，通信容量扩大了50倍,达到2.5Gb/so进入90年代以后，传输波长又从1310纳米转向更长的1550纳米波长，并且开始使用光纤放大器、波分复用（WDM）技术等新技术。通信容量和中继距离继续成倍增长。广泛地应用于市内电话中继和长途通信干线，成为通信线路的骨干。二、光纤的分类和优点从材料角度分按照制造光纤所用的材料分类，有石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤等。塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)制成的。它的特点是制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。按传输模式分按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤。单模光纤芯径约在1〜10ym之间，在给定的工作波长上，只传输单一基模，适于大容量长距离通信系统。多模光纤能传输多个模式的光波，芯径约在50〜60ym之间，传输性能比单模光纤差。按最佳传输频率窗口分常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300um。色散位移型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300um和1550um。按折射率分布分按折射率分布情况分：阶跃型和渐变型光纤。阶跃型：光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突变光纤。这种光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高，传输频带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用于短途低速通讯，比如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。这是研究开发较早的一种光纤，现在已逐渐被淘汰了。为了解决阶跃光纤存在的弊端，人们又研制、开发了渐变折射率多模光纤，简称渐变光纤。渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样，为均匀的。渐变光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层界面上按折射定律产生折射，进入低折射率层中去，因此，光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。同样的过程不断发生，直至光在某一折射率层产生全反射，使光改变方向，朝中心较高的折射率层行进。这时，光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度，在各折射率层中每折射一次，其值就增大一次，最后达到中心折射率最大的地方。在这以后。和上述完全相同的过程不断重复进行，由此实现了光波的传输。可以看出，光在渐变光纤中会自觉地进行调整，从而最终到达目的地，这叫做自聚焦。按工作波长分按光纤的工作波长分类，有短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。常用光纤规格单模：8/125um，9/125um，10/125um多模：50/125um欧洲标准62.5/125um美国标准工业，医疗和低速网络：100/140um，200/230um塑料光纤：98/1000um用于汽车控制。光纤的优点1.光纤的通频带很宽，理论可达30亿兆赫兹。无中继段长，几十到100多公里，铜线只有几百米。不受电磁场和电磁辐射的影响。重量轻，体积小。例如：通2万1千话路的900对双绞线，其直径为3英寸，重量8吨/KM。而通讯量为其十倍的光缆，直径为0.5英寸，重量450T/KM。光纤通讯不带电，使用安全可用于易燃，易暴场所。使用环境温度范围宽。化学腐蚀，使用寿命长。（三）“62.5”的兴衰和“50”的崛起62.5ym芯径多模光纤比50ym芯径多模光纤芯径大、数值孔径高，能从LED光源耦合入更多的光功率，因此62.5/125gm多模光纤首先被美国采用为多家行业标准。如AT&T的室内配线系统标准、美国电子工业协会（EIA）的局域网标准、美国国家标准研究所（ANSI）的100Mb/s令牌网标准、IBM的计算机光纤数据通信标准等。50/125gm多模光纤主要在日本、德国作为数据通信标准使用，至今已有18年历史。但由于北美光纤用量大和美国光纤制造及应用技术的先导作用，包括我国在内的多数国家均将62.5/125gm多模光纤作为局域网传输介质和室内配线使用。自八十年代中期以来，62.5/125gm光纤几乎成为数据通信光纤市场的主流产品。上述形势一直维持到九十年代中后期。近几年随局域网传输速率不断升级，50gm芯径多模光纤越来越引起人们的重视。自1997年开始，局域网向1Gb/s发展，以LED作光源的62.5/125gm多模光纤几百兆的带宽显然不能满足要求。与62.5/125gm相比，50/125gm光纤数值孔径和芯径较小，带宽比62.5/125gm光纤高，制作成本也可降低1/3。因此，各国业界纷纷提出重新启用50/125gm多模光纤。经过研究和论证，国际标准化组织制订了相应标准。但考虑到过去已有相当数量的62.5/125gm多模光纤在局域网中安装使用，IEEE802.3Z千兆比特以太网标准中规定50/125gm和62.5/125gm多模光纤都可以作为1GMbit/s以太网的传输介质使用。但对新建网络，一般首选50/125gm多模光纤。50/125gm多模光纤的重新启用，改变了62.5/125gm多模光纤主宰多模光纤市场的局面。（四）光纤理论与光纤结构和制造（1）光及其特性：光是一种电磁波可见光部分波长范围是：390〜760nm（毫微米）。大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的是：850，1300，1550三种。光的折射，反射和全反射。因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的（即不同的物质有不同的光折射率），相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。（2）光纤结构：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62.5pm）,中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125pm），最外是加强用的树脂涂层。光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。图1示出光纤的外形。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2,光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。纤芯和包层的相对折射率差△=（叫-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%〜0.6%，多模光纤为1%〜2%。△越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。图1光纤的外形（3）光纤制造：目前通信中所用的光纤一般是石英光纤。石英的化学名称叫二氧化硅（SiO2）,它和我们日常用来建房子所用的砂子的主要成分是相同的。但是普通的石英材料制成的光纤是不能用于通信的。通信光纤必须由纯度极高的材料组成；不过，在主体材料里掺入微量的掺杂剂，可以使纤芯和包层的折射率略有不同，这是有利于通信的。现在光纤制造方法主要有：管内CVD（化学汽相沉积）法，棒内CVD法,PCVD（等离子体化学汽相沉积）法和VAD（轴向汽相沉积）法。但不论用哪一种方法，都要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光纤芯线。光纤的制造要求每道工序都要相当精密，由计算机控制。在制造光纤的过程中，要注意：光纤原材料的纯度必须很高。必须防止杂质污染，以及气泡混入光纤。要正确控制折射率的分布；正确控制光纤的结构尺寸；尽量减小光纤表面的伤痕损害，提高光纤机械强度。（五）光纤特性（1）描述光纤线路传输特性的基本参数有哪些？包括损耗、色散、带宽、截止波长、模场直径等。插入损耗是什么？答：是指光传输线路中插入光学部件（如插入连接器或耦合器）所引起的衰减。光纤的带宽与什么有关？答：光纤的带宽指的是：在光纤的传递函数中，光功率的幅值比零频率的幅值降低50%或3dB时的调制频率。光纤的带宽近似与其长度成反比，带宽长度的乘积是一常量。光纤的色散有几种？与什么有关？答：光纤的色散是指一根光纤内群时延的展宽，包括模色散、材料色散及结构色散。取决于光源、光纤两者的特性。信号在光纤中传播的色散特性怎样描述？答：可以用脉冲展宽、光纤的带宽、光纤的色散系数三个物理量来描述。什么是截止波长？答：是指光纤中只能传导基模的最短波长。对于单模光纤，其截止波长必须短于传导光的波长。光纤的色散对光纤通信系统的性能会产生什么影响？答：光纤的色散将使光脉冲在光纤中传输过程中发生展宽。影响误码