什么是光纖？

退休工程師 2011-10-30

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光纖是又細又長而且非常純的玻璃絲，直徑和人的頭發(fā)相仿。光纖成束排列在光纜中，用于遠距離傳輸光信號。

單根光纖的組成部分

近距離觀察單根光纖時，可以看到它具有以下部分：

纖芯——光纖的細玻璃中心，光在此傳播
覆層——覆蓋纖芯的外部光學材料，可將光反射到纖芯
緩沖涂層——保護光纖免受損壞和潮濕的塑料涂層

光纜中一束一束地排列了成百上千根這樣的光纖，這些光纖受光纜的外部護套（稱為絕緣層）保護。

光纖有兩種類型：

單模光纖
多模光纖

有關(guān)相關(guān)說明，請參見Tpub.com：模理論。

單模光纖的纖芯較小（直徑約為9微米），用于傳輸紅外激光（波長=1300到1550納米）。多模光纖的纖芯較大（直徑約為62.5微米），用于傳輸來自發(fā)光二極管(LED)的紅外線（波長=850到1300納米）。

還有些光纖可用塑料制成。這些光纖的纖芯較大（直徑為1毫米），用于傳輸來自LED的可見紅光（波長=650納米）。

下面介紹光纖的工作原理。

光纖是如何傳輸光的？

假設(shè)您希望手電筒的光束照亮又長又直的走廊，那么只需將光束順著走廊方向照去即可，光線是沿直線傳播的，這沒什么問題；那么如果走廊不是直的呢？您可以在拐彎處放一面鏡子，在拐角周圍反射光束；那么如果走廊有很多拐彎呢？您可能需要沿墻放置許多面鏡子來反射光束，使其沿著走廊不斷反射。這就是光纖的工作原理。

光纖的全內(nèi)反射示意圖

光纜中的光在纖芯（走廊）中通過不斷反射到覆層（裝滿鏡子的墻）來進行傳播，這就是全內(nèi)反射的原理。由于覆層并不會從纖芯中吸收任何光，因此光波能夠傳播很遠的距離。然而，有些光信號在光纖內(nèi)會發(fā)生衰減，這主要是由于玻璃中含有雜質(zhì)。信號衰減的程度由玻璃的純度和傳輸?shù)墓獾牟ㄩL決定（例如，850納米時衰減率為60%-75%/公里；1300納米時衰減率為50%-60%/公里；1550納米時衰減率則超過50%/公里）。有些優(yōu)質(zhì)光纖的信號衰減率非常低，1550納米時衰減率僅為不到10%/公里。

光纖中繼系統(tǒng)

若要了解光纖在通信系統(tǒng)中的使用原理，我們不妨看看二戰(zhàn)電影或檔案中的例子。艦隊中的兩艘軍艦需要互相進行通信，而此時無線電卻始終沒有聲音或艦隊正處于風暴中。其中一艘在另外一艘旁邊停下，艦長將消息發(fā)送給甲板上的水手，水手將消息翻譯成摩斯碼（點和破折號），然后使用信號燈（裝有軟百葉簾的泛光燈）將消息發(fā)送到另一艘軍艦。另一艘軍艦甲板上的水手看到摩斯碼消息后，將其解碼成英語并報告給艦長。

現(xiàn)在，假設(shè)兩艘軍艦在海上相隔數(shù)千公里，而兩艦之間具有光纖通信系統(tǒng)。光纖中繼系統(tǒng)包括以下部件：

發(fā)送器——產(chǎn)生光信號并對其進行編碼
光纖——遠距離傳導光信號
光學再生器——有利于推進光信號（對于遠距離）
光學接收器——接收光信號并對其進行解碼

發(fā)送器

發(fā)送器類似于發(fā)送方軍艦甲板上的水手它接收并指導光學設(shè)備按正確順序“開”和“關(guān)”燈，由此生成光信號。

發(fā)送器的物理位置與光纖相鄰，有時還會設(shè)置透鏡以便將光匯聚到光纖。激光比LED具有更多能量，但其能量大小隨溫度變化而有所不同，也更為昂貴。光信號最常見的波長為850納米、1300納米和1550納米（紅外、光譜中的不可見部分）。

光學再生器

正如上面提到的，光在光纖中傳播（例如使用海底電纜）時，會發(fā)生信號衰減，尤其是傳播距離較長（約1公里）時。因此，電纜中排列了一個或多個光學再生器，以便推進衰減的光信號。

光學再生器由采用特殊涂層（半導體摻雜涂層）的光纖組成，摻雜部分由激光充能。當衰減信號到達摻雜涂層時，激光提供的能量幫助摻雜分子成為激光。然后，摻雜分子放射出新的與傳入的弱光信號具有相同特征的強光信號?；旧峡梢哉f，再生器是傳入信號的激光放大器。

光學接收器

光學接收器類似于接收方軍艦甲板上的水手。它負責接收傳入的數(shù)字光信號，將其解碼成電子信號，然后將信號發(fā)送到其他用戶的計算機、電視或電話（接收方軍艦的艦長）。接收器使用光電池或光電二極管來檢測光。

光纖的優(yōu)點

為什么說光纖系統(tǒng)徹底改變了電信業(yè)呢？與傳統(tǒng)金屬線纜（銅線）相比，光纖具有以下優(yōu)點：

成本較低——光纜造價比同等長度的銅線更低。這樣就可以節(jié)省服務(wù)提供商（有線電視、互聯(lián)網(wǎng)）和您的費用。
較纖細——光纖的直徑可比銅線更小。
傳輸性能較高——由于光纖比銅線更細，因此集合成一定直徑的電纜所用的光纖數(shù)比銅線更多。這樣，相同的電纜可以容納更多電話線路，同樣也能為有線電視盒傳輸更多頻道。
信號衰減率較低——光纖的信號衰減率比銅線低。
光信號——與銅線中的電子信號不同，同一根光纜的光纖中的光信號之間不會互相干擾。這樣可確保電話通話質(zhì)量更高，電視接收信號更清晰。
低能耗——由于光纖中的信號衰減率較低，因此可以使用低能耗發(fā)送器，而無需使用為銅線配備的高壓電發(fā)送器，這同樣能節(jié)省服務(wù)提供商和您的費用。
數(shù)字信號——光纖是傳輸數(shù)字信息的理想介質(zhì)，對于計算機網(wǎng)絡(luò)尤為有用。
不易燃——由于光纖中沒有電流通過，因此沒有火災(zāi)隱患。
重量更輕——光纜比相同長度的銅線重量更輕。光纜在地面下占用的空間也更少。
柔軟性——由于光纖柔軟度高，同時又能傳輸和接收光，因此廣泛用于許多靈活的數(shù)碼相機中，主要用途有：
- 醫(yī)學成像——用在氣管鏡、內(nèi)診鏡、腹腔鏡中
- 機械成像——檢查管道和發(fā)動機中的機械焊接（用在飛機、火箭、航天飛機、汽車中）
- 管道工程——用于檢查下水管線

正是這些優(yōu)點，使得光纖在諸多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其中最突出的是電信和計算機網(wǎng)絡(luò)。例如，通過電話在美國和歐洲之間通話，并且由通信衛(wèi)星傳輸信號時，就經(jīng)常會在線路上聽到回音。但是通過跨大西洋光纜直接連接時就不會產(chǎn)生回音。

光纖的制作過程

現(xiàn)在我們知道了光纖系統(tǒng)的工作原理以及優(yōu)點，那么這一切是怎么實現(xiàn)的呢？光纖是由純度非常高的光學玻璃制成。我們知道玻璃窗是透明的，但是玻璃越厚，透明性就越差，因為玻璃中含有雜質(zhì)。而光纖中的玻璃比窗戶中的玻璃純度高很多，雜質(zhì)很少。有公司這樣介紹玻璃的質(zhì)量：如果站在由固態(tài)纖芯光纖玻璃組成的、深達數(shù)公里的海洋面上，您仍能清楚地看到海底。

光纖的制作過程包括下列步驟：

制作預成形玻璃模具
從預成形模具中拉出細絲
測試細絲

制作預成形模具

預成形玻璃通過名為改進化學汽相沉積法(MCVD)的工藝而制成。

Fibercore Ltd. 供圖
制作預成形模具的MCVD工藝

在MCVD中，通過氯化硅 (SiCl4) 溶液、氯化鍺 (GeCl4) 溶液和/或其他化學物質(zhì)生成氧氣。這種精心配制的混合物能管理各種物理和光學屬性（折射率、延展系數(shù)、熔點等）。然后在特制車床中將蒸氣導入合成硅或石英管（覆層）內(nèi)部。機床開始旋轉(zhuǎn)后，將有一支噴槍在管外部上下移動。噴槍產(chǎn)生的高熱將導致兩個變化：

Fibercore Ltd. 供圖
用于制作預成形模具的機床

硅和鍺與氧發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化硅(SiO2)和二氧化鍺(GeO2)。
二氧化硅和二氧化鍺在管內(nèi)堆積熔合，形成玻璃。

機床不斷旋轉(zhuǎn)，使得涂層均勻，模具平滑。通過在氣體傳輸系統(tǒng)（閥組、管道、封口）中使用抗腐蝕塑料，并精確控制混合物的流速和成分，可以保持玻璃的純度。預成形模具的制作過程是高度自動化的，制作時間需數(shù)小時。待預成形模具冷卻后，還要檢查質(zhì)量控制（折射率）。

從預成形模具中拉出細絲

完成對預成形模具的測試后，將其裝入拉絲塔架中。

用于從預成形模具中拉出光纖玻璃絲的拉絲塔架示意圖

將預成形模具下部放入石墨爐（攝氏1900到2200度），從末端開始熔化，熔化的液珠因重力落下。落下后，即冷卻并形成細絲。

操作人員將這些細絲穿過一系列涂層容器（緩沖涂層）和紫外固化爐，最后固定到牽引機控制的轉(zhuǎn)軸上。牽引機從加熱的預成形模具中緩緩拉出細絲，通過激光測微計測量細絲的直徑，并將測量信息反饋給牽引機，從而來精確地控制此過程。拉絲速度為10到20米/秒，成品會被纏繞在線軸上。線軸通常能承載長度超過2.2公里的光纖。

測試成品光纖

成品光纖要測試以下內(nèi)容：

拉伸強度——必須能夠承受至少6.9x108/m²的壓力。
折射率剖面——決定數(shù)字光圈以及光學探測的屏幕
光纖幾何特征——纖芯直徑、覆層規(guī)格以及涂層直徑應(yīng)一致
衰減性——決定各種波長的光信號隨距離變化的衰減程度
信息傳輸能力（帶寬）——每次可傳輸?shù)男盘柫浚ǘ嗄９饫w）
色散——將通過纖芯的光的各種波長分解開來（對于帶寬尤其重要）
操作溫度/濕度范圍
衰減性的溫度相關(guān)性
水下導光能力——對于海底電纜尤其重要

光纖通過質(zhì)量控制之后，將銷售給電話公司、電纜公司和網(wǎng)絡(luò)提供商。很多公司當前都在將基于銅線的舊系統(tǒng)替換為基于光纖的新系統(tǒng)，以提高速度、能力和清晰度。

全內(nèi)反射的物理意義

光從具有某種折射率(m1)的介質(zhì)傳輸?shù)搅硪环N具有較低折射率(m2)的介質(zhì)時，會從一條與表面垂直的假想線（法線）開始發(fā)生彎曲或折射。通過m1的光線與法線之間的夾角越大，通過m2折射的光線就偏離法線越遠。

在某個特定角度（臨界角），折射光將不再進入m2，而是沿兩種介質(zhì)之間的表面?zhèn)鞑ィ?STRONG>sine[臨界角]=n2/n1，其中n1和n2是折射率[n1 大于 n2]）。如果通過m1的光線大于臨界角，則折射光將全部返回到m1（全內(nèi)反射），即使m2是透明的！

從物理意義上來講，臨界角是根據(jù)法線確定的。在光纖中，臨界角是根據(jù)沿光纖中部的平行軸心確定的。因此，光纖臨界角=（90度-物理臨界角）。

光纖中的全內(nèi)反射

在光纖中，由于光線的角度通常大于臨界角，因此光能通過不斷從覆層（m2，折射率較低）反射在纖芯（m1，折射率高）中傳播。不管光纖本身的彎曲程度如何，即使彎成圓形，光線也能從覆層反射。

由于覆層并不會從纖芯中吸收任何光，因此光波能夠傳播很遠的距離。然而，有些光信號在光纖內(nèi)會發(fā)生衰減，這主要是由于玻璃中含有雜質(zhì)。信號衰減的程度由玻璃的純度和傳輸?shù)墓獾牟ㄩL決定（例如，850納米時衰減率為60%到75%/公里；1300納米時的衰減率為50%到60%/公里；1550納米時衰減率超過50%/公里）。有些優(yōu)質(zhì)光纖的信號衰減率非常低，1550納米時衰減率不到10%/公里。

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