在什么方面光纤与其他常用

光纤在通信和其它方面的应用

徐长发，华中科技大学，2019.10.3.

光纤通信是利用光波作载波的，用光纤把光信号从一处传至另一处，其传输方式类似于电流通过电缆传输，所以光纤通信被称之为“有线”的光通信。因为用光纤传输信号远优于电缆的传输，所以它已成为世界通信中的主要传输方式。

英籍华人高锟1976年，早就发明了光纤，但在很长一段时间内不能实用；随着高速度的微电子技术和高速度的激光技术的发展，才真正把光纤传输商用起来，人们这才认识到“光纤的发明引发了通信技术的一场革命!”，所以，直到2010年，时隔24年，高琨才获得诺贝尔奖。

光纤现在是家喻户晓了，可是光纤是如何用于光通信的，这里面存在许多高新科技的问题，本文介绍光纤通信的原理，关键技术，还介绍光纤在其它方面的一些应用。

一．光纤通信的优点和不足

我们知道光纤通信有很多优点：

1.通信容量大、传输距离远。一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。光纤传输信号的损耗极低，比任何其它传输媒质的损耗都低。通常使用光纤传输的距离可达几十、甚至上百公里。

2.信号干扰小、保密性能好。外界信号不会影响光纤内的信号。

3.抗电磁干扰、传输质量佳。电缆通信不能解决各种电磁干扰问题，但光纤通信不受各种电磁干扰。

4.无辐射，难于窃听。用电缆传输信号，可以在电缆外面获取这些传输信号；可是光纤传输的光波不能跑出光纤以外，人们无法在光纤外面窃取传输信号。

5.材料来源丰富，环境保护好，有利于节约金属导体铜。

6.光纤尺寸小、重量轻，便于铺设和运输。

7.光缆适应性强，寿命长。

光纤也有些缺点：

8.质地脆，机械强度差。

9.光纤的切断和连接需要特殊的工具、设备和技术。

10.分路、耦合不够灵活。

11.光纤光缆的弯曲半径不能过小（>20cm）。

现在，光纤通信也普遍了，但是光纤通信是怎么实现的？粗略地说，光纤通信需要如下设备：

信号发送端设备。它的作用是，把电信号转变为光信号，用于光纤传输。它它主要由电端机、光发信机组成。

信号中继设备。它的作用是，传输光信号，让光信号传递更远。它由中继器和光纤光缆组成。

信号接受端设备。它的作用是，把光信号转换为电信号，转变为人们所认知的信号。它主要由光收信机和电端机组成。

二．发送端的作用

在发送端，“电端机”主要作用是把模拟信号变为二进制（由0和1组成）的数字信号。无论是连续的模拟电信号，还是数字的电信号，都要变化为符合要求的二进制的数字电信号。

在发送端，要把二进制的电信号变为“调制光信号”（是脉冲信号），这就是“光端机”的作用。调制办法之一是，把有强弱变化的脉冲电信号，输入到“光源”上，“光源”能随着输入电压的不同发出强度不同的光束，这就实现了光束的光强度能够随着电信号的变化而发生变化，这就是“调制光信号”。于是，调制好的光信号就可以通过光纤发送出去了。

在发送端，可以按照单个模式转换为光信号，这称为“单模”；也可以把多个模式的“调制光信号”合在一起，由一根光纤传输多个信号，这就是“多模”。

光源具有非常重要的地位。可作为光纤光源的有白炽灯、激光器和半导体光源等。半导体光源是利用半导体的 PN结将电能转换成光能的，常用的半导体光源有半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD） 。

半导体光源因其体积小、重量轻、结构简单、使用方便、与光纤易于相容等优点，在光纤传输系统中得到了广泛的应用。

三．接受端的作用

在接受端，“光端机”把调制光信号照射到光敏元件上，调制光信号的强弱变化导致电信号的强弱变化，这就达到了光信号的解调作用。

在接受端，解调的光信号经“电端机”作用，就还原为数字电信号，这是和发送端一样的数字电信号。在发送端如果发送的是“多模”光信号；在接收端，需经分波器将多种模式的光信号分开。

接受端的工作过程是接收端的逆过程。

四．光纤的结构

粗略地讲，光纤是由纤芯、内包层、外包层构成的。

纤芯的基本材料是高纯度石英玻璃，也就是二氧化硅，纤芯是只有头发粗细1／10的细丝。高纯度的二氧化硅怎么制作出来？要用到化学蒸汽沉积法。高纯度石英玻璃丝对光信号的损耗低。光损耗越低，光信号传输的质量越高，传输的距离越远。

内包层的光折射率要求比纤芯的光折射率低，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。这样，可保证光信号主要限制在纤芯里传输。最新的内包层材料是在纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。掺杂的作用是降低内包层材料的光折射率。

内包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐。涂料的作用是保护光纤不受外来的损害，用以增加光纤的机械强度。

光纤的外包层是套层，它是一种塑料管，也是起保护作用的，不同颜色的塑料管还可以用来区别各条光纤通道。

再来谈及纤芯的材料，最常见的是石英玻璃光纤，也就是二氧化硅材料，根据不同的目的，可以在其中参入不同量的稀有元素。掺杂的目的主要是改变玻璃光纤的折射率、改变信道范围、改变软化温度。如果需要纤芯提高折射率，可掺杂二氧化锗；如果需要降低折射率，可掺杂氟元素。

其实，纤芯只要能传输光就行，所以也可以用塑料制作光纤，也可以在石英玻璃中参入多种组分，如参入氧化钠、氧化钾、氧化钙、氧化硼等其它氧化物，

也可以掺入饵、铷、镨等稀土元素。但是，每种掺杂光纤都必须科学测试其应用性能，例如要测试频带范围，最适宜传输哪类频率的光信号；例如要测试光信号的传输衰减情况，测试光信号传多远就必须使用中继器放大光信号，等等。

近年来还研发出新的光纤材料，如ZrF4、LaF3和BaF2的氟玻璃，其性能优于二氧化硅，光损失更小，上万公里光信号传输不需要任何中继站。

光功率计英文为optical power meter，是指用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器。在光纤系统中，测量光功率是最基本的测量，像电子学中的万用表；在光纤测量中，光功率计是常用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。

对于任何光纤传输系统的生产制造、安装、运行和维护，光功率测量是必不可少的。在光纤领域，没有光功率计，任何工程、实验室、生产车间或电话维护设施都无法工作。例如：光功率计可用于测量激光光源和LED光源的输出功率；用于确认光纤链路的损耗估算；其中最重要的是，它是测试光学元器件(光纤、连接器、接续子、衰减器等)的性能指标的关键仪器。

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