探索光纤之谜
从本世纪70年代初至今，尤其是近20年来，光纤通信迅猛发展，现已在长途干线网
中逐步取代同轴电缆、微波等而成为主要传输手段。可以预计，在不久的将来，光纤通
信将进入用户网，逐步取代用户网中的音频电缆，从而走进千家万户。所谓光纤通信，
是指将要传送的语音、图像和数据信号等调制在光载波上，以光纤作为传输媒介的通信
方式。而光纤是迄今为止发现的最适合传导光的传输媒介，是光纤通信系统中不可缺少
的组成部分。
光纤的导光原理
在解释导光原理之前，我们必须先了解光纤的结构。光纤有不同的结构形式，目前
实用的光纤绝大多数采用由“纤芯”和“包层”两个同心圆组成的结构形式。
正因为我们是利用全反射原理将光能量限制在光导纤维中，所以在制作光纤时，必
须使得纤芯材料的折射率大于包层的折射率，这样才能保证光波在光纤中治纤芯传播。
为了达到传导光波的目的，纤芯折射率n1必须稍大于包层折射率n2。为什么必须这
样设计呢？
首先，光波是一种电磁波，具有电磁波的一般特性，即波动性。光波的波长的电磁
波谱中偏于较短的一侧，因而又具有其“个性”，即光波的传播更接近“射线”的形式。
现在我们利用射线光学理论，来解释光波在光纤中传播的物理现象，用这种方法分析虽
然不太完整，但却简单、直观。
射线光学是指光波长与光纤尺寸相比很短时，用射线代表光能量传输路线的分析方
法。射线光学又称为几何光学。它有光的直线传播定律、光的反射定律和光的折射定律
三个基本定律。
光的直线传播定律是，光在均匀媒质中沿直线传播，交具有一定的速度。光波在真
空中的传播速度：C=3*108M/S;光波在其它媒质的传播速度：v=C/n。其中n是媒质的折射
率，在空气中，由于n≈1,光波的传播速度接近于C；二氧化硅（SiO2）玻璃的折射率n≈
1.5。
光的反射定律是，光在传播过程中碰到两种媒质的交界面时会发生反射，且反射角
等于入射角。
光的折射定律是：光从一种媒质进入第二种媒质时，传输方向会发生改变。
正因为我们是利用全反射原理将光能量限制在光导纤维中，所以在制作光纤时，必
须使得纤芯材料的折射率大于包层的折射率，这样才能保证光波在光纤中沿纤芯传播。
光纤的分类
光纤的种类很多。按照其模截面上折射率的分布可分为阶跃型（或突变型）光纤和
渐变型（或自聚焦）光纤；按照传输模式的多少可分为单模光纤和多模光纤；按照其工
作波长可分为短波长（0.8－0.9pm）光纤、长波长（1.0－1.7pm）光纤和超长波长（2
pm）光纤；按照光纤组成的材料划分有石英玻璃光纤。多组份玻璃光纤、氟化物光纤、
塑料光纤和液芯光纤。
目前通信中普遍使用的是石英玻璃光纤。石英玻璃光纤可分为三种类型；阶跃型多
模光纤、渐变型多模光纤和单模光纤。
光纤与传统传输媒介的比较
光纤可以用于传输光，这使得光纤通信系统具有极大的带宽，通信容量极大。
光纤通信系统，在一根光纤上可同时传输三万多路电话，而以前电通信中容量最大
的同轴电缆，通信容量仅同时传输一千多路电话。
尽管光波有着极大的带宽，但在1961－1970年，人们主要研究利用大气传输光信号，
实践证实，由于受到气候环境的严重影响，无法实现正常的通信。在人们考虑的其它传
输介质中，用石英玻璃材料制成的光导纤维（即光纤）来传输光信号成为研究的重点。
这是因为光线在光导纤维内部被全反射，从而使光波只在光纤内部传输。但是当时普通
石英玻璃材料的损耗高达1000dB／km，传输距离很有限。在1966年，英籍华裔科学家高
银博士指出：光纤的高损耗并不是其本身固有的，而是由材料中所含的杂质引起的。如
果降低材料中的杂质含量，可使得光纤的损耗降至20dB／km，甚至更小。1970年，美国
康宁（Corning）玻璃有限公司成功地研制了损耗为 20 dB／km的低损耗石英光纤，这使
得光纤完全能胜任作为传输光波的传输媒介，也开辟了光纤通信的新纪元。
与传统电缆相比，光纤具有损耗小、传输距离长的优点。目前使用的石英光纤在0.8
－1.8pm波长范围内的损耗比所有传统的电传输线低，尤其在光纤最低损耗窗口的1.55pm
处,光纤损耗可做到0.2dB／km。由于光纤传输损耗低，所以其中继距离达到几十公里至
上百公里，而传统的电传输线中继距离仅为几公里。
光纤具有抗干扰性好、保密性强、使用安全等特点。光纤是非金属介质材料，具有
很强的抗电磁干扰能力，这是传统的电通信所无法比拟的。光信号束缚在光纤芯子中传
输，在芯子外很快衰减，这样不会产生光纤间的串光现象，所以其保密性好且能保证同
～光缆中不同光纤间光信号的传输质量。光纤具有抗高暖和耐腐蚀的性能，因而可以抵
御恶劣的工作环境。
光纤的体积小、重量轻，便于敷设。光纤细如发丝，其外直径仅为125pm，加塑套后
的外径也小于1mm，再加上光纤材料比重小。因而制成光缆后，直径比电缆细，重量也轻
很多。例如一根18芯的光缆每公里约重150kg，而18芯同轴电缆每公里约重11吨。经过表
面涂敷的光纤具有很好的可挠性，便于敷设，可架空值理或置入管道。
制作光纤的原材料丰富。石英光纤的主要成分是二氧化硅（SiO2），这是地球最主要
的成分之一。而传统通信电缆的主要材料为稀有金属铜，其资源严重紧缺，这样使用光纤
作为传输媒介可以节省大量的越来越宝贵的金属材料。
总之，利用光纤光缆线路代替传统的金属传输线路是必然的趋势。而且随着技术的进
一步发展，光纤通信系统会朝着大容量、远距离、全光化和超小型方向发展，将会在未来
的信息社会中占据越来越重要的位置。
转自：动态网制作指南 www.knowsky.com
