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探索光纤之谜

2/14/2005来源:光纤通信人气:10627

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, 实践证明,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。光纤具有抗高温和耐腐蚀的性能,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。