探索光纤之谜

探索光纤之谜 从本世纪70年代初至今，尤其是近20年来，光纤通信迅猛发展，现已在长途干线网中逐步取代同轴电缆、微波等而成为主要传输手段。可以预计，在不久的将来，光纤通信将进入用户网，逐步取代用户网中的音频电缆，从而走进千家万户。所谓光纤通信，是指将要传送的语音、图像和数据信号等调制在光载波上，以光纤作为传输媒介的通信方式。而光纤是迄今为止发现的最适合传导光的传输媒介，是光纤通信系统中不可缺少的组成部分。 光纤的导光原理 在解释导光原理之前，我们必须先了解光纤的结构。光纤有不同的结构形式，目前实用的光纤绝大多数采用由“纤芯”和“包层”两个同心圆组成的结构形式。 正因为我们是利用全反射原理将光能量限制在光导纤维中，所以在制作光纤时，必须使得纤芯材料的折射率大于包层的折射率，这样才能保证光波在光纤中治纤芯传播。 为了达到传导光波的目的，纤芯折射率n1必须稍大于包层折射率n2。为什么必须这样设计呢？ 首先，光波是一种电磁波，具有电磁波的一般特性，即波动性。光波的波长的电磁波谱中偏于较短的一侧，因而又具有其“个性”，即光波的传播更接近“射线”的形式。现在我们利用射线光学理论，来解释光波在光纤中传播的物理现象，用这种方法分析虽然不太完整，但却简单、直观。 射线光学是指光波长与光纤尺寸相比很短时，用射线代表光能量传输路线的分析方法。射线光学又称为几何光学。它有光的直线传播定律、光的反射定律和光的折射定律三个基本定律。 光的直线传播定律是，光在均匀媒质中沿直线传播，交具有一定的速度。光波在真空中的传播速度：C=3*108M/S;光波在其它媒质的传播速度：v=C/n。其中n是媒质的折射率，在空气中，由于n≈1,光波的传播速度接近于C；二氧化硅（SiO2）玻璃的折射率n≈1.5。 光的反射定律是，光在传播过程中碰到两种媒质的交界面时会发生反射，且反射角等于入射角。 光的折射定律是：光从一种媒质进入第二种媒质时，传输方向会发生改变。 正因为我们是利用全反射原理将光能量限制在光导纤维中，所以在制作光纤时，必须使得纤芯材料的折射率大于包层的折射率，这样才能保证光波在光纤中沿纤芯传播。 光纤的分类 光纤的种类很多。按照其模截面上折射率的分布可分为阶跃型（或突变型）光纤和渐变型（或自聚焦）光纤；按照传输模式的多少可分为单模光纤和多模光纤；按照其工作波长可分为短波长（0.8－0.9pm）光纤、长波长（1.0－1.7pm）光纤和超长波长（>2pm）光纤；按照光纤组成的材料划分有石英玻璃光纤。多组份玻璃光纤、氟化物光纤、塑料光纤和液芯光纤。 目前通信中普遍使用的是石英玻璃光纤。石英玻璃光纤可分为三种类型；阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和单模光纤。 光纤与传统传输媒介的比较 光纤可以用于传输光，这使得光纤通信系统具有极大的带宽，通信容量极大。 光纤通信系统，在一根光纤上可同时传输三万多路电话，而以前电通信中容量最大的同轴电缆，通信容量仅同时传输一千多路电话。 尽管光波有着极大的带宽，但在1961－1970年，人们主要研究利用大气传输光信号，实践证实，由于受到气候环境的严重影响，无法实现正常的通信。在人们考虑的其它传输介质中，用石英玻璃材料制成的光导纤维（即光纤）来传输光信号成为研究的重点。这是因为光线在光导纤维内部被全反射，从而使光波只在光纤内部传输。但是当时普通石英玻璃材料的损耗高达1000dB／km，传输距离很有限。在1966年，英籍华裔科学家高银博士指出：光纤的高损耗并不是其本身固有的，而是由材料中所含的杂质引起的。如果降低材料中的杂质含量，可使得光纤的损耗降至20dB／km，甚至更小。1970年，美国康宁（Corning）玻璃有限公司成功地研制了损耗为 20 dB／km的低损耗石英光纤，这使得光纤完全能胜任作为传输光波的传输媒介，也开辟了光纤通信的新纪元。 与传统电缆相比，光纤具有损耗小、传输距离长的优点。目前使用的石英光纤在0.8－1.8pm波长范围内的损耗比所有传统的电传输线低，尤其在光纤最低损耗窗口的1.55pm处,光纤损耗可做到0.2dB／km。由于光纤传输损耗低，所以其中继距离达到几十公里至上百公里，而传统的电传输线中继距离仅为几公里。 光纤具有抗干扰性好、保密性强、使用安全等特点。光纤是非金属介质材料，具有很强的抗电磁干扰能力，这是传统的电通信所无法比拟的。光信号束缚在光纤芯子中传输，在芯子外很快衰减，这样不会产生光纤间的串光现象，所以其保密性好且能保证同～光缆中不同光纤间光信号的传输质量。光纤具有抗高暖和耐腐蚀的性能，因而可以抵御恶劣的工作环境。 光纤的体积小、重量轻，便于敷设。光纤细如发丝，其外直径仅为125pm，加塑套后的外径也小于1mm，再加上光纤材料比重小。因而制成光缆后，直径比电缆细，重量也轻很多。例如一根18芯的光缆每公里约重150kg，而18芯同轴电缆每公里约重11吨。经过表面涂敷的光纤具有很好的可挠性，便于敷设，可架空值理或置入管道。 制作光纤的原材料丰富。石英光纤的主要成分是二氧化硅（SiO2），这是地球最主要的成分之一。而传统通信电缆的主要材料为稀有金属铜，其资源严重紧缺，这样使用光纤作为传输媒介可以节省大量的越来越宝贵的金属材料。 总之，利用光纤光缆线路代替传统的金属传输线路是必然的趋势。而且随着技术的进一步发展，光纤通信系统会朝着大容量、远距离、全光化和超小型方向发展，将会在未来的信息社会中占据越来越重要的位置。