光导纤维-光纤

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一、光导纤维

光导纤维，或称光学纤维（英语：Optical fiber），简称光纤，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光在这些纤维中以全内反射原理传输的光传导工具。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常光纤的一端的发射设备使用发光二极管或一束激光将光脉冲发送至光纤中，光纤的另一端的接收设备使用光敏组件检测脉冲。包含光纤的线缆称为光缆。由于信息在光导纤维的传输损失比电在电线传导的损耗低得多，更因为主要生产原料是硅，蕴藏量极大，较易开采，所以价格很便宜，促使光纤被用作长距离的信息传递介质。随着光纤的价格进一步降低，光纤也被用于医疗和娱乐的用途。

光纤主要分为两类，渐变光纤与突变光纤。前者的折射率是渐变的，而后者的折射率是突变的。另外还分为单模光纤及多模光纤。近年来，又有新的光子晶体光纤问世。

光导纤维是双重构造，纤芯部分是高折射率玻璃，表层部分是低折射率的玻璃或塑料，光在纤芯内传输，并在表层交界处不断进行全反射，沿“之”字形向前传输。这种纤维比头发稍粗，这样细的纤维要有折射率截然不同的双重结构分布，是一个非常惊人的技术。各国科学家经过多年努力，创造了内附着法、MCVD法、VAD法等等，制成了超高纯石英玻璃，特制成的光导纤维传输光的效率有了非常明显的提高。现在较好的光导纤维，其光传输损失每公里只有零点二分贝；也就是说传播一公里后只损耗4.5％。

二、原理

光纤是圆柱形的介质波导，应用全内反射原理来传导光线。光纤的结构大致分为里面的纤芯部分与外面的包覆部分。为了要局限光信号于纤芯，包层的折射率必须小于纤芯的折射率。渐变光纤的折射率是缓慢改变的，从轴心到包覆，逐渐地减小；而突变光纤在核心-包覆边界区域的折射率是急剧改变的。

折射率

折射率可以用来计算在物质里的光线速度。在真空里，及外太空，光线的传播速度最快，大约为3亿米／秒。一种物质的折射率是真空光速除以光线在这物质里传播的速度。所以，根据定义，真空折射率是1。折射率越大，光线传播的速度越慢。通常光纤的核心的折射率是1.48，包覆的折射率是1.46。所以，光纤传导信号的速度粗算大约为2亿米／秒。电话信号，经过光纤传导，从纽约到悉尼，大约12000公里距离，会有最低0.06秒时间的延迟。

全内反射

当移动于密度较高的介质的光线，以大角度入射于核心-包覆边界时，假若这入射角（光线与边界面的法线之间的夹角）的角度大于临界角的角度，则这光线会被完全地反射回去。光纤就是应用这种效应来局限传导光线于核心。在光纤内部传播的光线会被边界反射过来，反射过去。由于光线入射于边界的角度必须大于临界角的角度，只有在某一角度范围内射入光纤的光线，才能够通过整个光纤，不会泄漏损失。这角度范围称为光纤的受光锥角，是光纤的核心折射率与包覆折射率的差值的函数。

更简单地说，光线射入光纤的角度必须小于受光角的角度，才能够传导于光纤核心。受光角的正弦是光纤的数值孔径。数值孔径越大的光纤，越不需要精密的熔接和操作技术。单模光纤的数值孔径比较小，需要比较精密的熔接和操作技术。

三、种类

多模光纤

核心直径较大的光纤（大于10 微米）的物理性质，可以用几何光学的理论来分析，这种光纤称为多模光纤，用于通信用途时，线材会以橘色外皮做为识别。

在一个多模突变光纤内，光线靠着全反射传导于核心。当光线遇到核心-包覆边界时，假若入射角大于临界角，则光线会被完全反射。临界角的角度是由核心折射率与包覆折射率共同决定。假若入射角小于临界角，则光线会折射入包覆，无法继续传导于核心。临界角又决定了光纤的受光角，通常以数值孔径来表示其大小。较高的数值孔径会允许光线，以较近轴心和较宽松的角度，传导于核心，造成光线和光纤更有效率的耦合。但是，由于不同角度的光线会有不同的光程，通过光纤所需的时间也会不同，所以，较高的数值孔径也会增加色散。有些时候，较低的数值孔径会是更适当的选择。

渐变光纤的核心的折射率，从轴心到包覆，逐渐地减低。这会使朝着包覆传导的光线，平滑缓慢地改变方向，而不是急剧地从核心-包覆边界反射过去。这样，大角度光线会花更多的时间，传导于低折射率区域，而不是高折射率区域。因此，所形成的曲线路径，会减低多重路径色散。工程师可以精心设计渐变光纤的折射率分布，使得各种光线在光纤内的轴传导速度差值，能够极小化。这理想折射率分布应该会非常接近于抛物线分布。

单模光纤

核心直径小于传播光波波长约十倍的光纤，不能用几何光学理论来分析其物理性质。替而代之，必须改用麦克斯韦方程组来分析，导出相关的电磁波方程式。视为光学波导，光纤可以传播多于一个横模的光波。只允许一种横模传导的光纤称为单模光纤。用于通信用途时，线材会以黄色外皮做为识别。大直径核心、多横模的光纤的物理性质，也可以用电磁波波动方程式分析。结果会显示出，这种光纤允许多于一个横模的光波。这样的解析多模光纤，所得到的结果，与几何光学的解析结果大致相同。

波导分析显示，在光纤内的光波的能量，并不是全部局限于核心里。令人惊讶地，特别是在单模光纤里，有很大一部分的能量是以渐逝波的形式传导于包覆。

最常见的一种单模光纤，核心直径大约为7.5–9.5 微米，专门用于传导近红外线。多模光纤的核心直径可以小至50微米，或者大至几百微米。

衰减机制

在介质内，光纤的衰减，又称为传输损失，指的是随着传输距离的增加，光束（或信号）强度会减低。由于现代光传输介质的高质量透明度，光纤的衰减系数的单位通常是dB/km（每公里长度介质的分贝）。因为石英玻璃纤维能够满足严格的规定，局限光束于内部，传输介质材料大多是由石英玻璃纤维制成的。

阻碍数字信号远距离传输的一个重要因素就是衰减。因此，减少衰减是光纤光学研究的必然目标。经过多次实验得到的结果，显示出散射和吸收是造成光纤衰减的主要原因之一。

四、光纤的接头

• FC Ferrule Connector圆型带螺纹（配线架上用的最多）
• SC Snap-in Connector卡接式方型（路由器交换机上用的最多）
• S/PDIF Sony/Philips Digital Interface Format(数字音频传输接口)

五、光纤的应用

目前用于通信中的光纤主要是玻璃纤维，其外径约为250微米，中心通光部分直径为10~60微米。在医学上，光纤用于医疗诊病用的内视镜(endoscope)；在娱乐方面，常用于音响的信号线。

六、光纤熔接

光纤熔接技术主要是用熔纤机将光纤和光纤或光纤和尾纤连接，把光缆中的裸纤和光纤尾纤熔合在一起变成一个整体，而尾纤则有一个单独的光纤头。通过与光纤收发器连接，将光纤和双绞线连接，接到信息插座。在光纤的熔接过程中用到的主要工具有：光端盒、光纤收发器、尾纤、耦合器、专用剥线钳、光纤切割刀等。剥皮后用光纤切割刀切割且保证切面平整，再用熔纤机对接。