一、光纤传输的特点

㈠传输损耗低

    损耗是传输介质的重要特性，它只决定了传输信号所需中继的距离。光纤作为光信号的传输介质具有低损耗的特点。如使用62.5/125μm的多模光纤，850nm波长的衰减约为3.0dB/km、1300nm波长更低，约为1.0ddB/km。如果使用9/25μm单模光纤，1300nm波长的衰减仅为0.4dB/km、1550nm波长衰减为0.3dB/km，所以一般的LD光源可传输15至20km。目前已经出现传输100公里的产品。

㈡传输频带宽

    光纤的频宽可达1GHz以上。一般图像的带宽为6MHz左右，所以用一芯光纤传输一个通道的图像绰绰有余。光纤高频宽的好处不仅仅可以同时传输多通道图像，还可以传输语音、控制信号或接点信号，有的甚至可以用一芯光纤通过特殊的光纤被动元件达到双向传输功能。

㈢抗干扰性强

    光纤传输中的载波是光波，它是频率极高的电磁波，远远高于一般电波通讯所使用的频率，所以不受干扰，尤其是强电干扰。同时由于光波受束于光纤之内，因此无辐射、对环境无污染，传送信号无泄露，保密性强。

㈣安全性能高

    光纤采用的玻璃材质，不导电，防雷击；光纤传输不像传统电路因短路或接触不良而产生火花，因此在易燃易爆场合下特别适用。光纤无法像电缆一样进行窃听，一旦光缆遭到破坏马上就会发现，因此安全性更强。

㈤重量轻，机械性能好

    光纤细小如丝，重量相当轻，即使是多芯光缆，重量也不会因为芯数增加而成倍增长，而电缆的重量一般都与外径成正比。

二、光纤结构与传输机理

    光纤是光波传输的介质，是由介质材料构成的圆柱体，分为芯子和包层两部分。光波沿芯子传播。在实际工程应用中，光纤是指由预制棒拉制出纤丝经过简单被复后的纤芯，纤芯再经过被复，加强和防护，成为能够适应各种工程应用的光缆。

㈠光纤传光机理

    光波在光纤中的传播过程是一个复杂的电磁场的边界问题，一般来说，光纤芯子的直径要比传播光的波长高几十倍以上，因此利用几何光学的方法定性分析是足够的，而且对问题的理解也很简明、直观。

    当一束光纤投射到两个不同折射率的介质交界面上时，发生折射和反射现象。对于多层介质形成的一系列界面，若折射率n1＞n2＞n3…＞nm，则入射光线在每个界面的入射角逐渐加大，直到形成全反射。由于折射率的变化，入射光线受到偏转的作用，传播方向改变。

光纤由芯子、包层和套层组成。套层的作用是保护光纤，对光的传播没有什么作用。芯子和包层的折射率不同，岂折射率的分布主要有两种形式：连续分布型（又称梯度分布型）和间断分布型（又称阶跃分布型）。

    当入射光经过光纤端面的折射后进入光纤，除了与轴向方向一致的光沿直线传播外，其余的光线则投射到芯子和包层的交界面：一种在界面形成全反射，这些光线将与光轴保持不变的夹角，呈锯齿状无损耗地在光纤芯子内向前传播，称之为传播光；另外一种在界面处只有一部分形成反射，还有一部分折射进入包层，最后被套层吸收，反射的光线再次到达界面时又会有一部分损耗，因而不能传播，称为非传播光。

    实际上进入光线的大部分不是上面所将的轴面光，因此还有一种称为泄漏光，如果芯子和包层的界面十分平坦，这些光线将形成全反射而得到传播，但事实上仅部分反射，尽管损耗比非传播光小还是不能很好地传播。对于长距离传输来说只有传播光是有意义的。

进入光纤的光线在向芯子包层界面传播时，由于芯子折射率逐渐减小，受到一个向心偏转的作用，与轴线夹角θ小于一定值的光纤不能到达界面或到达界面形成全反射，因而受束于芯子内、呈波浪状无损耗地向前传播，成为传播光。其余的光由于有一部分在界面处折射进入包层，逐渐被吸收掉而不能传播。

    因此，光纤芯子和包层的折射率及折射率的分布与光纤的转播特性有密切关系。

㈡光纤的分类

    可以从不同的角度对光纤进行分类，如构成光纤的材料、制造方法、光纤芯子包层折射率的分布和光纤可以传播光的模数等。

构成光纤芯子和包层的材料主要有：多组合玻璃、高纯度石英玻璃和低损耗卤化物材料等。不同的材料其预制棒的制备和光纤的拉制方法也不同。目前应用叫多的是高纯度石英玻璃光纤（石英光纤），其材料制备技术、光纤的传输特性和强度等方面具有综合的优越性。

    光纤芯子和包层的折射率分布与光纤材料、拉制方法以及光纤的结构有关，除了前面提到的梯度分布型和阶跃分布型外还有单材料光纤、环形光纤、W型光纤等都属于阶跃分布型光纤，结构上各有特点。

    也可以按照传播光的模数来区分。我们可以将一条光线理解为代表一个模，或者是不同的模代表不同的角度的入射光，光的波动原理认为光纤只能允许有限的离散树木的光（或模）传播。光纤中可传播的数目是芯子的横截面积和芯子中心与包层间的折射率差的函数，与其成正比关系。当光纤就只允许一个模的光传播就是单模光纤。单模光纤由于只传播轴线关，因此不存在模色散，具有很大的信息载送容量。多模光纤一般可有几百和低损耗的传播模。容易与光源和大面积探测器耦合。

    按照制造方法还可以分为CVD（化学汽相沉淀法）、MCVD（改进化学汽相沉积法）等。

㈢光纤的特性

    光纤的特性包括传播特性、几何参数和芯子包层折射率差等基本特性。传输特性则主要表现在光纤的损耗和带宽两个方面。

⒈数值孔径NA

    它代表光纤芯子与包层之间的折射率差，是光纤一个最重要的基本特性。NA是反映光纤芯子包层折射率关系的参数，折射率差越大，NA越大，光纤可以接收并传播的光越多，即与光纤可传播的模数成正比。因此在某种意义上数值孔径表示了光纤集光的能力。

⒉传输损耗

    这是光纤一项重要的光学特性，它很大程度上决定了传输信号所需中继的距离，也关系到系统经济性。引起光纤损耗的原因有材料吸收、散射损耗和结构缺陷等。

    材料吸收是一种损耗机理。由于光纤不可能是完美的圆柱体，某些参数会沿长度方向呈周期的变化，这些参数既可以是折射率分布，也可以是几何参数，即可以是沿长度方向的变化，也可以是轴线相对于直线的偏离。这就会引起一个传播上光功率部分地转移到另一模上去，这就是散射。如果转移模为非传播模就产生了散射损耗。散射损耗是按1/λ4的比例形成的，因此选择长波工作是有好处的。有些小的参数变化，如材料成分、应力等是可以通过改进制作技术来减小的，但有些小的折射率变化是光纤拉制过程中热扰动形成的不能完全消除，它决定了光纤散射损耗的最低极限。

    光纤结果缺陷，如芯子包层界面不光滑、气泡、应力、直径的变化和轴线弯曲等都会引起光纤的传输损耗，所以提高光纤结构的完美和一致性是拉纤工艺的重要任务致意。

光纤的损耗是以每公里分贝（dB/km）来计量。石英光纤有三个低损耗波长区——0.85μm、1.3μm、1.55μm。氟化物光纤的损耗更低。

⒊传输带宽

    它表示光纤的传输速率，主要受到光纤色散的限制。当光脉冲沿光纤传播时，每个脉冲都会随着距离的增加而展宽，最后相邻的脉冲发生重迭，这就限制了光纤传送信息的速率，限制了光纤传输带宽，导致光脉冲展宽的机理是光纤的色散，包括材料色散、波导色散和模色散。

    材料色散的物理意义是：光在介质中的传播速度与折射率成反比，光纤材料的折射率是随波长变化的，因此不同波长的光在光纤中传播的速度不同。波长越短，色散越严重。

波导色散是由于波长不同的光线在光纤中运行的轨迹不同、渡越时间也不同所造成的。对于同一模来说，不同波长的光在光纤中将走循不同的轨迹，有着不同的渡越时间，引起波导色散。与材料色散相反，波长越长波导色散越严重，同时光纤芯子直径越小，波导色散越严重。

    模色散也称模间色散。对于同一波长的入射光，不同入射角的光纤代表不同的模，不同模在光纤中行走的路径不同，渡越时间也不同，从而形成模色散。模色散随着光纤芯子直径的减小而减小，当直径小到一定程度时光纤成为只允许传输一个模的单模光纤，就不存在模色散了。

    在1.3μm波长处，光纤的波导色散与材料色散相抵消，因此理论上可以制造1.3μm的零色散单模光纤，如果将石英单模光纤的零色散波长1.3μm移到最低损耗波长1.55μm处，就可以制造色散移位（DS）单模光纤。如果能够在长波长范围内的两个零色散波长，使光纤在宽范围内色散都很低，即可制成色散平坦单模光纤。

    光纤的色散与光纤的长度或信号的传输距离有关，因此光纤的传输带宽是传输距离的函数，常用带宽距离乘积来计量光纤的传输带宽，而对单模光纤则常用色散值来表示传输特性。