光导纤维与光通信_光通信与光纤通信区别

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摘要：在今日，社会上充斥的各种信息，在世界范围内迅速传播。人们可以在互联网上方便快捷查阅任何想要的资料、可以足不出户就了解世界各地的最新时事、可以欣赏高清晰电视转播节目、可以与千里之外的友人通话。这些改变着人类生活的一切，要归功于英籍华裔科学家高锟发明的“光导纤维”，即“光纤”。被誉为“光纤之父”的高锟，用他的发明为人类连通了信息时代。诺贝尔奖评委会这样描述说：“光流动在细小如线的玻璃丝中，它携带着各种信息数据传递向每一个方向，文本、音乐、图片和视频因此能在瞬间传遍全球。”

关键词：光导纤维、光纤通信、原理

光导纤维和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯——在多模光纤中，芯的直径是15mm~50mm，大致与人的头发的粗细相当；在单模光纤中，芯的直径为8mm~10mm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层（如图1所示）。当然，发展至今日，光纤不再局限与石英玻璃，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。

光纤自身不能发光，但光线可以传光。先来看这样一个实验：用一只盛满水的器皿，让水从器皿的侧孔中流出，这是投射在水中的光也随着水流传导出来。这是英国皇家学会的约翰•丁达尔向英国皇家学会演示的一个著名的实验，首次科学的阐述了光在透明柱体中通过多次全反射向前传播的现象。

要想仔细了解光纤传光原理，就要先了解一些几何光学的知识。几何光学是研究光在均匀介质中的传播特性，通常采用直线来描述，它是研究光在介质中传播的基础光学理论。几何光学理论的四大基本定律为，分别为——光的直线传播定律、光的独立传播定律、光的反射定律、光的折射定律。

全反射是一种特殊的折射现象，当光线从一种介质1射向另一种介质2时，本来应该有一部分光进入介质2，称为折射光，另一部分光反射回介质1，称为反射光。但当介质1的折射率大于介质2的折射率，既光从光密介质射向光疏介质时，折射角是大于入射角的，所以当增大入射角，折射角也增大，但折射角先增大到90度，此时（入射角叫临界角）折射光消失，只剩下反射光，称为全反射现象（如图2所示）。

公式为n=sin90`/sinc=1/sincsinc=1/n(c为临界角）

光导纤维传光利用的就是全反射的道理，光纤在结构上有中心和外皮两种不同介质，光从中心传播时遇到光纤弯曲处，会发生全反射现象，而保证光线不会泄漏到光纤外。光在均匀透明的，即使是弯曲的玻璃棒的光滑内壁上,借助于接连不断地全反射,可以从一端传导到另一端（如图3所示）。当棒的截面直径很小，甚至到数微米数量级，传导的效果也不变，这种导光的细玻璃丝称光学纤维。光在纤维中的传导有专门的波导理论来论述，但是也不妨用光的全反射来作一般的解释。

设想一根放大了的光学纤维的一段断面（如图4所示），它的内芯的折射率为ng，外皮层的折射率为nb，并且nbnb，所以当在分界面上的入射角全反射大于全反射时就产生全反射，也就是只要光线在A端的入射角不大于光线在玻璃芯内就能连续不断地产生全反射，从而由纤维的A端传导到另一端。人们通常称nαsinic为光学纤维的数值孔径。

如果玻璃纤维弯曲得很厉害，以致于某些光线在弯曲处在芯与外皮层的分界面上的入射角小于临界角，则相应的光线会透过分界面，由外皮层漏掉。不过，只要弯曲的曲率半径比纤维的截面半径大10倍以上，则所述的漏光并不严重。所以，一般弯曲的光学纤维，只要它的玻璃芯的透明度高、均匀，并且芯与外皮层之间的分界面光滑，就是一根好的光导管。

光纤主要分以下两大类——传输点模数类和折射率分布类。第一，传输点模数类，分单模光纤(Single Mode Fiber)和多模光纤(Multi Mode Fiber)。单模光纤的纤芯直径很小,在给定的工作波长上只能以单一模式传输,传输频带宽,传输容量大。多模光纤是在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输的光纤。与单模光纤相比,多模光纤的传输性能较差。第二，折射率分布类，光纤可分为跳变式光纤和渐变式光纤。跳变式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。在纤芯和保护层的交界面,折射率呈阶梯型变化。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小,在纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物线（如图5所示）。

光纤最大的应用便是光纤通信。光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式，包括以下几个主要部分:光纤光缆技术、传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。光纤通信系统是以光波为载体、光导纤维为传输媒体的通信方式，起主导作用的是光源、光纤、光发送机和光接收机。光源是光波产生的根源；光纤是传输光波的导体；光发送机的功能是产生光束,将电信号转变成光信号,再把光信号导入光纤；光接收机的功能负责接收从光纤上传输的光信号,并将它转变成电信号,经解码后再作相应处理（如图6所示）。

光纤通信系统的主要优点有——第一，传输频带宽,通信容量大；第二，线路损耗低,传输距离远；第三，抗干扰能力强,应用范围广；第四，线径细,重量轻；第五，抗化学腐蚀能力强；第六，光纤制造资源丰富。正是这些优势，使光纤通信技术从光通信中脱颖而出,成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术,其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的,也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

对于未来光纤及光纤通信的研究与发展，我想主要在于以下几个方面——第一，是对于光纤通信更长距离传输以及更大容量传输的研究；第二，是对于新型光导纤维的研究与开发，以期在节约成本和提高性能或特色性能方面得到提高；第三，是对于光纤通信范围进一步扩大化以及对其他一些通信的取代方面的研究。另外，目前塑料光纤的研究还不成熟，但塑料光纤又在某些方面有着很大优势，所以塑料光纤技术的成熟化应该也是未来的一大研究方向。

在整个历史长河中看光纤通信的发展，我觉得这实在是一个伟大的创举。光纤通信曾是一大研究热点，但到了19世纪60年代，许多科学家因为在诸多研究后，发现玻璃纤维的衰减损耗仍在每公里1000分贝以上，而放弃了光纤通信的研究；而高锟博士在英国标准电信实验室作了大量研究，在此基础上，提出大胆设想，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，解决好玻璃纯度和成分等问题，就有可能是光线的损耗从每公里100分贝将得到20分贝。1966年，在高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文后，有人称之为匪夷所思，也有人对此大加褒扬，在争论中，高锟的设想逐步变成现实。这给了我三点启示：第一，所有的科学事实都是建立在实验的基础上，只有亲自作了大量的实验，才有足够的数据，只有有了足够的数据，才能做出归纳总结，由此，才可能有所发现；第二，在科学的探道路上，没有平坦之途，我们必须敢于大胆地猜想假设并提出自己的想法，来接受大家的质疑与真理的检验，并且在这个设想之上，不断地探索与研究来为自己的设想提供科学的依据甚至将设想变为现实；第三，不要被眼前的现象所迷惑，或是被公认的理论所局限，要善于提出疑问，要善于自我思考，要善于换个角度思考问题，善于发现公众所没有注意到的细微之处，并据此实现突破。

参考资料：

1.百度文库《光通信从了解到精通(光纤及光无源器件)》

网址：

2.论文《塑料光纤传光原理》

作者：江源/刘玉庆时间：2007-11-24 12:46:00来源：论文天下论文网

网址：

3.《光纤通信原理技术》

4.百度百科《全反射》

网址：

5.《光纤光缆和通信电缆的技能发展与思考》光纤在线编辑部 2011-03-26 17:12:25网址：http://baike.baidu.com/view/45238.htm