光纤的工作原理

摘要：每当人们谈论电话系统、有线电视系统或互联网时，你都会听到光纤电缆。根据《大英百科全书》的介绍，光纤可以被描述为光通过细纤维传输数据、声音和图像的科学。

光纤线路给长途电话、有线电视和互联网带来了革命性的变化。

每当人们谈论电话系统、有线电视系统或互联网时，你都会听到光纤电缆。根据《大英百科全书》的介绍，光纤可以被描述为光通过细纤维传输数据、声音和图像的科学。

光纤线路是像人的头发一样细的光学纯玻璃线，可以远距离传输数字信息。它们也用于医学成像和机械工程检测。它们实际上已经取代了电信行业中老式的铜线技术。

什么是光纤？

典型单模光纤的结构为：1：纤芯，2：包层，3：缓冲，4：护套。

光纤是由非常纯净的玻璃制成的长而细的线，直径约为人类头发的直径。它们被排列成一束，称为光缆，用于长距离传输光信号。

如果你仔细观察一根光纤，你会发现它由以下几个部分组成：

·纤芯——光纤中光传播的薄中心

·包层-围绕在核心周围的外层光学材料，将光反射回核心

·缓冲器-直接涂在光纤上的保护性塑料涂层

·护套-电缆的外层保护层，保护光纤免受损坏和受潮

成百上千根这样的光纤成束地排列在光缆中。

光纤有两种类型：

1.单模光纤

2.多模光纤

单模光纤芯小（直径约9微米），可传输波长为1300 ~ 1550纳米的红外激光。多模光纤具有更大的纤芯（直径约62.5微米），并传输来自发光二极管的红外光（波长= 850至1,300 nm）。

让我们来看看光纤是如何工作的。

光纤是如何传输光的？

假设你想用手电筒照着一条又长又直的走廊。只要把光束对准走廊就行了——光是沿直线传播的，所以没有问题。如果走廊有个弯道呢？你可以在拐弯处放一面镜子来反射拐角处的光束。如果走廊非常曲折，有多个弯道怎么办？你可以在墙上装上镜子，把光束照成一定的角度，这样它就可以沿着走廊从一边反射到另一边。这正是在光纤中发生的事情。

光纤电缆中的光通过不断地从包层（镜面墙）反弹穿过核心（走廊），这一原理被称为全内反射。因为包层不吸收任何来自核心的光，所以光波可以传播很远的距离。

然而，随着传输距离的增加，光纤中的一些信号会丢失。信号衰减的程度取决于玻璃的纯度、光纤弯曲的数量或连接部分光纤的接头以及传输光的波长。

例如，对于多模光纤，直径为850nm = 3db /km；1300nm = 1db /km。对于单模电缆，1310 nm = 0.5 dB/km；1,550 nm = 0.4 dB/km)。

光纤中继系统

为了了解光纤在通信系统中的应用，让我们看一个二战电影或纪录片中的例子，其中舰队中的两艘海军舰艇需要在保持无线电静默或在暴风雨的海上相互通信。一艘船靠在另一艘船的旁边。一艘船的船长给甲板上的水手发了一条信息。水手将信息翻译成摩尔斯电码（点和线），并使用信号灯（带有百叶窗的泛光灯）将信息发送给另一艘船。另一艘船甲板上的一名水手看到了摩尔斯电码信息，将其解码成英语，并将信息发送给船长。

现在，想象一下，当两艘船在大洋的两边相隔数千英里的时候，你在两艘船之间有一个光纤通信系统。光纤中继系统由以下部分组成：

·发射器-产生并编码光信号

·光纤——将光信号传输一段距离

·光学再生器-可能需要增强光信号（远距离）

·光接收器——接收并解码光信号

发射机

发送者就像在发送船甲板上的水手。它接收并指导光学装置按正确的顺序“开”和“关”光，从而产生光信号。

发射器在物理上靠近光纤，甚至可以有一个透镜将光聚焦到光纤中。激光比led有更大的功率，但随着温度的变化变化更大，而且更昂贵。最常见的光信号波长是850纳米，1300纳米和1550纳米（红外，光谱的不可见部分）。

光再生器

如上所述，当光通过光纤传输时，特别是在长距离（如海底电缆）传输时，会发生一些信号丢失。因此，沿着电缆拼接一个或多个光再生器来增强退化的光信号。

光学再生器由带有特殊涂层（掺杂）的光纤组成。掺杂部分用激光“抽运”。当降级的信号进入掺杂涂层时，来自激光器的能量允许掺杂分子本身成为激光器。然后，掺杂的分子发出一个新的、更强的光信号，与入射的弱光信号具有相同的特征。基本上，再生器是一个输入信号的激光放大器。

光接收器

光学接收器就像接收船甲板上的水手。它接收输入的数字光信号，对其进行解码，并将电信号发送到其他用户的计算机、电视或电话（接收船长）。接收器使用光电池或光电二极管来探测光。

光纤的优点

为什么光纤系统会给电信业带来革命性的变化？与传统金属线（铜线）相比，光纤：

都比较便宜。光纤电缆比铜线贵，但它也需要更少的维护。从长远来看，它节省了你和你的互联网提供商的钱。

更薄。光纤可以拉成比铜线更小的直径。

具有较高的承载能力。由于光纤比铜线细，因此在给定直径的电缆中可以比铜线捆绑更多的光纤。这允许更多的电话线通过同一根电缆或更多的频道通过电缆进入你的有线电视盒。

信号衰减小。光纤中的信号损耗比铜线中的信号损耗小。

不受光信号干扰。与铜线中的电信号不同，来自一根光纤的光信号不会干扰同一电缆中其他光纤的光信号。这意味着更清晰的电话通话或电视接收。

拥有更低的权力。由于光纤中的信号衰减较小，因此可以使用低功率的发射机来代替铜线所需的高压电力发射机。同样，这为您和您的供应商节省了资金。

有数字信号。光纤非常适合于传输数字信息，这在计算机网络中尤其有用。

不易燃的。因为没有电通过光纤，它不会产生热量，减少了火灾的风险。

是轻量级的。光缆的重量比铜线电缆轻。光纤电缆在地面上占用的空间也更小。

是灵活的。由于光纤非常灵活，可以传输和接收光，因此在许多柔性数码相机中用于以下目的：

·医学成像-支气管镜，内窥镜，腹腔镜

·机械成像-检查管道和发动机（飞机、火箭、航天飞机、汽车）的机械焊缝

·管道——检查下水管道

由于这些优点，你可以在许多行业看到光纤，尤其是电信和计算机网络。例如，如果你从美国用固定电话给欧洲打电话（反之亦然），信号从通信卫星反射回来，你就会经常听到线路上的回声。但有了跨大西洋光纤电缆，你就有了没有回声的直接连接。

光纤是如何制成的？

既然我们知道了光纤系统是如何工作的以及它们为什么有用，那么它们是如何制造的呢？光纤是由极纯的光学玻璃制成的。我们认为玻璃窗是透明的，但玻璃越厚，由于玻璃中的杂质，它的透明度就越低。然而，光纤中的玻璃比窗玻璃的杂质少得多。

制作光纤的步骤如下：

·制造预成型玻璃圆筒

·从预成型器中抽出纤维

·测试纤维

使预成形空白

用于预成型的玻璃是通过一种称为改性化学气相沉积（MCVD）的工艺制成的。

在MCVD中，氧气在四氯化硅（SiCl4）、四氯化锗（GeCl4）、三氯化磷（PoCl3）和/或其他化学物质的溶液中气泡化。精确的混合物决定了各种物理和光学性质（折射率、膨胀系数、熔点等）。然后将气体蒸汽输送到专用车床上的合成二氧化硅或石英管（包层）的内部。当车床转动时，火炬在管子的外面上下移动。火炬的高温会导致两件事发生：

·硅和锗与氧反应，生成二氧化硅（SiO2）和二氧化锗（GeO2）。

·二氧化硅和二氧化锗沉积在管的内部并融合在一起形成玻璃。

车床连续转动，使涂层均匀，毛坯一致。通过在气体输送系统（阀块、管道、密封件）中使用耐腐蚀塑料，并通过精确控制混合物的流量和成分，可以保持玻璃的纯度。制作预制坯的过程是高度自动化的，需要几个小时。在坯冷却后，进行质量控制测试（折射率）。

一旦预制坯经过测试，它就会被装入纤维拉伸塔。

毛坯被放入石墨炉（1900至2200摄氏度），尖端被熔化，直到熔化的球体在重力作用下落下。当它下落时，它冷却并形成一根线。

操作人员通过一系列涂层杯（缓冲涂层）和紫外线固化炉将股线穿过拖拉机控制的线轴。牵引机构缓慢地将纤维从加热的预制坯中拉出，并通过激光测微仪测量纤维的直径并将信息反馈给牵引机构进行精确控制。

纤维以高达20米/秒的速度从毛坯中抽出，成品缠绕在线轴上。单个线轴包含数英里或数公里的光纤并不罕见。

光纤成品测试

成品光纤的测试内容如下：

·抗拉强度。必须承受100,000 lb/in2或更多

·折射率剖面。确定数值孔径以及筛检光学缺陷

·纤维几何。芯径、包层尺寸、涂层直径均匀