光纖，完整名稱叫做光導(dǎo)纖維，英文名是OPTIC FIBER。

它是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。

光纖的主要用途，是通信。目前通信用的光纖，基本上是石英系光纖，其主要成分是高純度石英玻璃，即二氧化硅(SiO2) 。

光纖通信系統(tǒng)，就是利用光纖來(lái)傳輸攜帶信息的光波，以達(dá)到通信的目的。

▎光纖通信的發(fā)展歷史

1880年，亞歷山大·貝爾Alexander Graham Bell發(fā)明了“光話機(jī)”。

1887年，英國(guó)科學(xué)家Charles Vernon Boys在實(shí)驗(yàn)室里拉出了第一條光纖。

1938年，美國(guó)Owens Illinois Glass公司與日本日東紡績(jī)公司開始生產(chǎn)玻璃長(zhǎng)纖維。

1951年，光物理學(xué)家Brian O’Brian提出了包層的概念。

1956年，密歇根大學(xué)的一位學(xué)生制作了第一個(gè)玻璃包層光纖，他用一個(gè)折射率低的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。

1960年，Theodore Maiman 向人們展示了第一臺(tái)激光器。這燃起了人們對(duì)光通信的興趣，激光看起來(lái)是很有前途的通信方式，可以解決傳輸帶寬問題，很多實(shí)驗(yàn)室開始了實(shí)驗(yàn)。

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕指出了利用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

1970 年，美國(guó)康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。

1973 年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室取得了更大成績(jī)，光纖損耗降低到2.5dB/km。

1976 年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長(zhǎng)1.2μm)。

▎光纖通信的特點(diǎn)

• 通信容量巨大

從理論上講，一根光纖可以同時(shí)傳輸100億個(gè)話路，目前同時(shí)傳輸50萬(wàn)個(gè)話路的試驗(yàn)已經(jīng)成功，比傳統(tǒng)同軸電纜、微波等高出幾千乃至幾十萬(wàn)倍。

• 中繼距離長(zhǎng)

光纖具有極低的衰耗系數(shù)，配以適當(dāng)?shù)墓獍l(fā)送、光接收設(shè)備、光放大器、前向糾錯(cuò)與RZ編碼調(diào)制技術(shù)等，可使其中繼距離達(dá)數(shù)千公里以上，而傳統(tǒng)電纜只能傳送1.5km，微波50km，根本無(wú)法與之相比擬。

• 保密性能好
• 適應(yīng)能力強(qiáng)

具有不怕外界強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)

• 體積小、重量輕
• 原材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉

▎光纖的構(gòu)造

光纖的典型結(jié)構(gòu)是 多層同軸圓柱體 ，主要由 纖芯 、 包層 、涂覆層組成。

• 纖芯

位于光纖的中心部位，成分為高純度的二氧化硅，摻有極少量摻雜劑。纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。

• 包層

位于纖芯的周圍，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。

• 涂覆層

光纖的最外層，由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成。涂覆層保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械擦傷。

▎光纖的工作原理

• 全反射原理

若使光束從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)時(shí)，則折射角大于入射角，如圖所示。

如果不斷增大θ0可使折射角θ1達(dá)到90°, 這時(shí)的θ1稱為臨界角。

當(dāng)光線從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì), 且入射角大于臨界角時(shí), 就會(huì)產(chǎn)生全反射現(xiàn)象。

光纖就是利用這種全反射來(lái)傳輸光信號(hào)的。

▎光纖的色散

• 光纖色散的原因

在光纖中，光信號(hào)是由很多不同的成分組成的，由于信號(hào)的各頻率成分或各模式成分的傳播速度不同，經(jīng)過(guò)光纖傳輸一段距離后，不同成分之間出現(xiàn)時(shí)延差，引起傳輸信號(hào)波形失真，脈沖展寬，這種現(xiàn)象稱為光纖色散。

• 光纖色散的影響

光纖色散的存在使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖畸變和展寬，從而產(chǎn)生碼間干擾。為了保證通信質(zhì)量，必須增大碼間間隔，即降低信號(hào)的傳輸速率，這就限制了光纖系統(tǒng)的通信容量和傳輸距離。

• 光纖色散的分類

按照色散產(chǎn)生的原因，光纖色散可分為模式色散，材料色散、波導(dǎo)色散和極化色散。

▎光纖的電磁波頻譜

▎光纖的損耗

光纖的損耗是指：光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后，由于吸收、散射等原因引起光功率的減小。

光纖損耗的分類

普通單模光纖的衰減隨波長(zhǎng)變化示意圖