什么是光纤？

能够将光从一端传输到另一端的柔性玻璃或塑料纤维称为光纤。这些纤维广泛用于光纤通信，与电连接相比，它允许以更大的带宽（数据传输速率）和更长的距离发送数据。由于纤维不易受电磁干扰，并且信号损耗很低，因此它们被用作金属线的替代品。纤维也用于照明和成像，以通过狭窄的空间传输光或传输图像，如光纤镜的情况。为此，它们通常成束捆绑。专用纤维还可用于广泛的其他应用，例如光纤传感器和光纤激光器。

塑料光纤可以通过拉拔或挤出制造，而玻璃光纤通常通过拉拔制造。光纤通常有一个透明的纤芯，周围环绕着折射率较低的包层材料。全内反射的性质使光纤充当波导，将光限制在纤芯内。多模光纤是指支持多个横模或传播路径的光纤，而单模光纤（SMF）是指仅支持一个模的光纤。多模光纤用于高功率传输应用和短距离通信网络。它们通常具有较大的纤芯直径。单模光纤用于大多数长度超过 1,050 米（3,440 英尺）的电子电缆。

由于光纤通信的重要性，能够以最小的损耗连接光纤至关重要。这比连接电源线或电缆更复杂；它涉及精确的光纤切割、纤芯的精确定位以及这些对齐纤芯的耦合。需要连续连接的应用通常使用熔接。在此过程中，使用电弧熔化纤维的两端。机械熔接是一种流行的工艺，使用机械力将纤维的两端固定在一起。专用光纤连接器用于创建临时或半永久连接。

光纤如何工作？

全内反射是光纤工作的基础。大量数据可以通过光线发送，但有一个缺点：光线只沿直线传播。因此，除非我们有一根长而直且没有任何弯曲的电缆，否则利用这一优势将非常耗时。相反，光学链路中的所有光线都经过精心设计而向内弯曲。当光线从光纤壁反弹并将数据从一端传输到另一端时，会发生连续的光传输。根据材料的纯度，光信号会随着距离的增加而减弱，尽管损耗比金属线小得多。光纤中继系统的组成部分如下：

1. 光信号由发射器产生，并进行编码以使其适合传输。
2. 光纤充当信号（光脉冲）的传输通道。
3. 发送的光脉冲（信号）由光接收器接收，光接收器对其进行解码以便使用。
4. 光再生器是长距离数据传输的重要组成部分。

光纤的类型

使用的材料、光传播模式和折射率都会影响光纤的种类。

以下是根据使用材料的分类：

• 塑料光纤：这些光纤中的光传输纤芯物质是聚甲基丙烯酸甲酯。
• 玻璃纤维：它由非常细的玻璃纤维组成。

以下是根据光传播方式的分类：

1. 单模光纤：单模光束可以穿过单模光纤。这种光纤具有较大的包层直径（70 微米）和较小的纤芯直径，两者之间的折射率变化非常小。没有色散，这意味着信号在通过光纤时不会衰减。激光二极管用于将其中的光发送出去。
2. 多模光纤：这种光纤允许光以多种不同的模式穿过它。通常，纤芯直径为 40 微米，而包层直径为 70 微米。此外，与单模光纤相比，相对折射率差更大。多模色散会导致信号劣化。信号的严重衰减和色散使其不适合长距离传输。根据多模光纤，可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。本质上，这些是根据折射率对光纤类型分类中的组。

由传播模式和纤芯折射率形成的四种组合类型光纤如下：

1. 阶跃型单模光纤
2. 渐变型单模光纤
3. 多模光纤的阶跃型折射率
4. 多模光纤的渐变型折射率

光纤通信的优点

• 经济实惠
• 纤薄且不易燃
• 降低能耗
• 信号衰减降低
• 易于安装且重量轻

铜线与光纤

多年来，铜线电缆一直是网络、电缆连接和电话的标准选择。但随着时间的推移，光纤作为一种替代方案越来越受欢迎。目前，大多数长途电话公司的线路都采用光缆。

由于光纤比传统铜线具有更大的带宽和更快的速度，因此它可以传输更多信息。光纤不受电磁干扰的影响，因为玻璃不导电，从而减少了信号损耗。

光纤运行

通过光纤连接，数据以脉冲光粒子或光子的形式使用光纤发送。由于玻璃光纤纤芯和包层折射率的差异，进入结构的光会以特定角度弯曲。

通过全内反射的过程，流经光纤的光波以锯齿形方式从纤芯和包层反弹回来。由于厚玻璃层，光信号的传输速度比光慢约 30%。它们不会以光速传播。

在光纤传输过程中，有时需要在远程间隔处使用中继器来补充或放大信号。这些中继器通过将光信号转换为电信号、对其进行分析，然后将光信号发送回来，来再生光信号。

目前，光纤线路可支持高达 10 Gbps 的传输。总的来说，光缆的成本随着其带宽容量的增加而增加。

工作原理

光纤是一种非导电的圆柱形电介质波导，它利用全内反射沿着其轴线传输光。光纤由包层和纤芯组成，两者都是电介质材料。为了限制光信号，纤芯的折射率必须大于包层。在阶跃型光纤中，包层-纤芯界面可能是突然的，而在渐变型光纤中，它可能是渐进的。可以使用激光器或 LED 将光注入光纤。

光纤不受电气干扰的影响，也不会从周围环境吸收噪声，也不会受到其他连接中信号之间的串扰。核装置的电磁脉冲甚至无法影响通过光纤传输的信息。

由于光缆不输电，因此它们是屏蔽高压环境（如发电厂或经常遭受雷击的地点）通信设备的理想选择。此外，通过电气隔离可以避免接地回路问题。光缆在有爆炸性气体的区域使用是安全的，因为它们不含可能引发火花的能量。与电气连接相比，窃听（在这里称为光纤窃听）更具挑战性。

金属盗贼不以光缆为目标。另一方面，自 2000 年代商品繁荣以来，铜缆网络就受到了攻击，并且需要大量的铜。

材料

虽然二氧化硅是最常用于制造玻璃光纤的材料，但其他材料，包括蓝宝石等晶体矿物以及由氟锆酸盐、氟铝酸盐和硫化物形成的玻璃，也用于特定目的，例如长波长红外光。二氧化硅的折射率和

尽管氟化物玻璃的折射率通常在 1.5-3 的范围内，但硫化物等材料的值可能高达 3。需要注意的是，包层和纤芯之间的折射率差通常保持在相对较低的水平，通常小于百分之一。这一特性在促进光纤内的全内反射、确保高效光传输方面起着至关重要的作用。

塑料光纤是阶跃型多模光纤，纤芯直径小于 0.5 毫米。由于其高衰减（通常为 1 dB/m 或高于玻璃纤维），基于 POF 的系统的范围受到限制。