2.4.3 光纤（Optical Fiber）

光纤（Optical Fiber）是光导纤维的简写，是一种由高纯度的石英玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。光纤传输有频带宽、损耗低、质量轻、保真度高和性能可靠等优点。光纤通信是以光波为载波（有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0），以光波为传输媒体的通信方式。电磁波通信的载波是电波，虽然光波和电波都是电磁波，但光纤通信用的是近红外光的频率，比电波的频率高出几个数量级，载波频率越高，意味着频带宽度越宽，信息传输速度越快。

光纤通信在发送端有光源，采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生光脉冲。接收端以光电二极管为光检测器，在检测到光脉冲时可以还原出电脉冲。图2-11为光纤通信技术原理图。

图2-11 光纤通信技术原理图

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，由高折射率的纤芯和低折射率的屏蔽层组成，图2-12为光纤的组成及光波在纤芯中的传播示意图。

图2-12 光纤的组成及光波在纤芯中的传播示意图

按照光纤的材料，可以分为石英光纤和全塑光纤。

按光纤剖面折射率分布，可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤。

按照光纤传输的模式数量，可以分为多模光纤（Mutli Mode Fiber）和单模光纤（Single Mode Fiber）。其中模式的含义是指光线的传播路径（几何光学的角度）。

多模光纤的纤芯直径比较大（50~200μm），这样从不同角度入射的光线在纤芯中就有不同的传播路径，即存在多个模式。在多模光纤中存在模式色散，指的是光线以不同的模式在光纤中传播，到达终点的时间就会不同，即各路径的传输时延不同。这样一个脉冲经过多模光纤传输后，由于存在模式色散，输出的脉冲就会展宽，即信号波形发生了失真，限制了传输带宽，而且随着距离的增加其模间色散会更加严重。因此多模光纤的传输距离就比较近，一般只有几千米，以发光二极管或激光器为光源。

单模光纤的线芯直径很小（一般只有9~10μm），接近光波长的数量级，纤芯内没有空间供光纤来回反射，光线会沿着纤芯的轴线方向传输，即只有一种模式，这样在单模光纤中，就不会存在模式色散。单模光纤不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的模场直径仅几微米，其带宽一般比渐变型多模光纤的带宽高一两个数量级。因此适用于大容量、长距离通信，甚至可达200km以上。但是单模光纤对光源要求很高，一般采用昂贵的半导体激光器LD或光谱较窄的LED作为光源，而不能使用较为便宜的发光二极管。单模光纤价格便宜，但单模设备却比同类的多模设备昂贵得多，因此一般传输距离近时用多模光纤，如果距离超过2km，只能选用单模光纤。

光纤一般不能直接在工程中使用，必须成缆。把数根、数十根光纤纽绞或疏松地置于特制的螺旋槽聚乙烯支架里，外缠塑料绑带及铝皮，再被覆塑料或用钢带锐装，加上外护套后即成为光缆。图2-13为0.9mm光缆结构示意图。

图2-13 0.9mm光缆结构示意图

由于光波的频率很高，因此光纤具有巨大的带宽，可以传输很高的数据速率，另外光纤的损耗也非常小，单模光纤的损耗可以做到0.2dB/km，因此其传输距离很长，当前的长途骨干网络已经基本光纤化。光纤通信系统的误码率也是非常低的，可以低于10-10，光信号在光线中传输也不受电磁波的干扰，因此其抗干扰能力很强。另外，光纤通信也具有很高的保密性和安全性。

光纤通信技术（Optical Fiber Communications）从光通信中脱颖而出，已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。目前，光纤技术主要应用在通信领域、医学应用、传感器应用、艺术应用、井下探测技术、光纤收发器等方面。光纤技术具有广阔的应用前景。