探索光纖之謎 從本世紀(jì)70年代初至今，尤其是近20年來，光纖通信迅猛發(fā)展，現(xiàn)已在長途干線網(wǎng)中逐步取代同軸電纜、微波等而成為主要傳輸手段。可以預(yù)計，在不久的將來，光纖通信將進入用戶網(wǎng)，逐步取代用戶網(wǎng)中的音頻電纜，從而走進千家萬戶。所謂光纖通信，是指將要傳送的語音、圖像和數(shù)據(jù)信號等調(diào)制在光載波上，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。而光纖是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最適合傳導(dǎo)光的傳輸媒介，是光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。 光纖的導(dǎo)光原理 在解釋導(dǎo)光原理之前，我們必須先了解光纖的結(jié)構(gòu)。光纖有不同的結(jié)構(gòu)形式，目前實用的光纖絕大多數(shù)采用由“纖芯”和“包層”兩個同心圓組成的結(jié)構(gòu)形式。 正因為我們是利用全反射原理將光能量限制在光導(dǎo)纖維中，所以在制作光纖時，必須使得纖芯材料的折射率大于包層的折射率，這樣才能保證光波在光纖中治纖芯傳播。 為了達到傳導(dǎo)光波的目的，纖芯折射率n1必須稍大于包層折射率n2。為什么必須這樣設(shè)計呢？ 首先，光波是一種電磁波，具有電磁波的一般特性，即波動性。光波的波長的電磁波譜中偏于較短的一側(cè)，因而又具有其“個性”，即光波的傳播更接近“射線”的形式。現(xiàn)在我們利用射線光學(xué)理論，來解釋光波在光纖中傳播的物理現(xiàn)象，用這種方法分析雖然不太完整，但卻簡單、直觀。 射線光學(xué)是指光波長與光纖尺寸相比很短時，用射線代表光能量傳輸路線的分析方法。射線光學(xué)又稱為幾何光學(xué)。它有光的直線傳播定律、光的反射定律和光的折射定律三個基本定律。 光的直線傳播定律是，光在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播，交具有一定的速度。光波在真空中的傳播速度：C=3*108M/S;光波在其它媒質(zhì)的傳播速度：v=C/n。其中n是媒質(zhì)的折射率，在空氣中，由于n≈1,光波的傳播速度接近于C；二氧化硅（SiO2）玻璃的折射率n≈1.5。 光的反射定律是，光在傳播過程中碰到兩種媒質(zhì)的交界面時會發(fā)生反射，且反射角等于入射角。 光的折射定律是：光從一種媒質(zhì)進入第二種媒質(zhì)時，傳輸方向會發(fā)生改變。 正因為我們是利用全反射原理將光能量限制在光導(dǎo)纖維中，所以在制作光纖時，必須使得纖芯材料的折射率大于包層的折射率，這樣才能保證光波在光纖中沿纖芯傳播。 光纖的分類 光纖的種類很多。按照其模截面上折射率的分布可分為階躍型（或突變型）光纖和漸變型（或自聚焦）光纖；按照傳輸模式的多少可分為單模光纖和多模光纖；按照其工作波長可分為短波長（0.8－0.9pm）光纖、長波長（1.0－1.7pm）光纖和超長波長（>2pm）光纖；按照光纖組成的材料劃分有石英玻璃光纖。多組份玻璃光纖、氟化物光纖、塑料光纖和液芯光纖。 目前通信中普遍使用的是石英玻璃光纖。石英玻璃光纖可分為三種類型；階躍型多模光纖、漸變型多模光纖和單模光纖。 光纖與傳統(tǒng)傳輸媒介的比較 光纖可以用于傳輸光，這使得光纖通信系統(tǒng)具有極大的帶寬，通信容量極大。 光纖通信系統(tǒng)，在一根光纖上可同時傳輸三萬多路電話，而以前電通信中容量最大的同軸電纜，通信容量僅同時傳輸一千多路電話。 盡管光波有著極大的帶寬，但在1961－1970年，人們主要研究利用大氣傳輸光信號，實踐證實，由于受到氣候環(huán)境的嚴(yán)重影響，無法實現(xiàn)正常的通信。在人們考慮的其它傳輸介質(zhì)中，用石英玻璃材料制成的光導(dǎo)纖維（即光纖）來傳輸光信號成為研究的重點。這是因為光線在光導(dǎo)纖維內(nèi)部被全反射，從而使光波只在光纖內(nèi)部傳輸。但是當(dāng)時普通石英玻璃材料的損耗高達1000dB／km，傳輸距離很有限。在1966年，英籍華裔科學(xué)家高銀博士指出：光纖的高損耗并不是其本身固有的，而是由材料中所含的雜質(zhì)引起的。如果降低材料中的雜質(zhì)含量，可使得光纖的損耗降至20dB／km，甚至更小。1970年，美國康寧（Corning）玻璃有限公司成功地研制了損耗為 20 dB／km的低損耗石英光纖，這使得光纖完全能勝任作為傳輸光波的傳輸媒介，也開辟了光纖通信的新紀(jì)元。 與傳統(tǒng)電纜相比，光纖具有損耗小、傳輸距離長的優(yōu)點。目前使用的石英光纖在0.8－1.8pm波長范圍內(nèi)的損耗比所有傳統(tǒng)的電傳輸線低，尤其在光纖最低損耗窗口的1.55pm處,光纖損耗可做到0.2dB／km。由于光纖傳輸損耗低，所以其中繼距離達到幾十公里至上百公里，而傳統(tǒng)的電傳輸線中繼距離僅為幾公里。 光纖具有抗干擾性好、保密性強、使用安全等特點。光纖是非金屬介質(zhì)材料，具有很強的抗電磁干擾能力，這是傳統(tǒng)的電通信所無法比擬的。光信號束縛在光纖芯子中傳輸，在芯子外很快衰減，這樣不會產(chǎn)生光纖間的串光現(xiàn)象，所以其保密性好且能保證同～光纜中不同光纖間光信號的傳輸質(zhì)量。光纖具有抗高暖和耐腐蝕的性能，因而可以抵御惡劣的工作環(huán)境。 光纖的體積小、重量輕，便于敷設(shè)。光纖細(xì)如發(fā)絲，其外直徑僅為125pm，加塑套后的外徑也小于1mm，再加上光纖材料比重小。因而制成光纜后，直徑比電纜細(xì)，重量也輕很多。例如一根18芯的光纜每公里約重150kg，而18芯同軸電纜每公里約重11噸。經(jīng)過表面涂敷的光纖具有很好的可撓性，便于敷設(shè)，可架空值理或置入管道。 制作光纖的原材料豐富。石英光纖的主要成分是二氧化硅（SiO2），這是地球最主要的成分之一。而傳統(tǒng)通信電纜的主要材料為稀有金屬銅，其資源嚴(yán)重緊缺，這樣使用光纖作為傳輸媒介可以節(jié)省大量的越來越寶貴的金屬材料。 總之，利用光纖光纜線路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬傳輸線路是必然的趨勢。而且隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，光纖通信系統(tǒng)會朝著大容量、遠距離、全光化和超小型方向發(fā)展，將會在未來的信息社會中占據(jù)越來越重要的位置。