光纤的光传输基础学习知识原理是什么

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2024年3月22日发(作者：)

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光纤的光传输原理是什么？

1.光纤通信原理——简介 光纤通信(Fiber-optic

communication)，也作光纤通讯。光纤通信是以光作为信

息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式，首先将电信号

转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线

通信的一种。光经过调变后便能携带资讯。自1980年代

起，光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性 ，同时也在

数位时代里扮演非常重要的角色。光纤通信传输容量大，

保密性好等优点。光纤通信现在已经成为当今最主要的有

线通信方式。2.光纤通信原理——组成部分 最基本的

光纤通信系统由光发信机、光收信机、光纤线路、中继器

以及无源器件组成。其中光发信机负责将信号转变成适合

于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光

收信机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电

信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。 (1)

光发信机----由光源、驱动器和调制器组成，实现电/光转

换的光端机。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发

出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信

号耦合到光纤或光缆去传输。 (2)光收信机----由光检

测器和光放大器组成，实现光/电转换的光端机。其功能是

将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信

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号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的

电平，送到接收端的电端级去。 (3)光纤线路----其功

能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距

离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息

任务。 (4)中继器----由光检测器、光源和判决再生电

路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传

输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。

(5)无源器件----包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间

的连接、光纤与光端机的连接及耦合。3.光纤通信原理

光纤通信的原理就是：在发送端首先要把传送的信息(如话

音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光

的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤经过

光的全反射原理传送;在接收端，检测器收到光信号后把它

变换成电信号，经解调后恢复原信息。 光通信正是利

用了全反射原理，当光的注入角满足一定的条件时，光便

能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。光

纤的导光特性基于光射线在纤芯和包层界面上的全反射，

使光线限制在纤芯中传输。光纤中有两种光线，即子午光

线和斜射光线，子午光线是位于子午面上的光光线，而斜

射光线是不经过光纤轴线传输的光线。 下面以光线在

阶跃光纤中传输为例解释光通信的原理。 如图所示为

阶跃型光纤，纤芯折射率为n1，包层的折射率为n2，且

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n1>n2，空气折射率为n0。在光纤内传输的子午光线，简

称内光线，遇到纤芯与包层的分界面的入射角大于θc时，

才能保证光线在纤芯内产生多次反射，使光线沿光纤传

输。然而，内光线的入射角大小又取决于从空气中入射的

光线进入纤芯中所产生折射角θ2，因此，空气和纤芯界面

上入射光的入射角θi就限定了光能否在光纤中以全反射形

式传输，与内光线入射角的临界角θc相对应，光纤入射光

的入射角θi 有一个最大值θmax。 当光线以θi>θmax

入射到纤芯端面上时，内光线将以小于θc 的入射角投射到

纤芯和包层界面上。这样的光线在包层中折射角小于90

度，该光线将射入包层，很快就会露出光纤。 当光线

以 θi4、有关光线的基本相关概念电磁波谱通信波段划分

及相应传输媒介光的折射/反射和全反射因光在不同物质中

的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质

时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折

射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角

度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被

反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光

的折射角度是不同的（即不同的物质有不同的光折射率），

相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯

就是基于以上原理而形成的。反射率分布：表征光学材料

的一个重要参数是折射率，用N表示，真空中的光速C与

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材料中光速V之比就是材料的折射率。N＝C/V光纤通信

用的石英玻璃的折射率约为1.5光的基本知识光纤结构光纤

裸纤一般分为三层：第一层：中心高折射率玻璃芯（芯径

一般为9-10μm,(单模）50或62.5（多模）。第二层：中间

为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm）。第三层：

最外是加强用的树脂涂层。1)纤芯 core：折射率较高，用

来传送光；2)包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形

成全反射条件；3)保护套 jacket：强度大，能承受较大冲

击，保护光纤。3mm光缆 橘色 MM 多模黄色 SM

单模光纤的尺寸外径一般为125um(一根头发平均100um)

内径：单模9um 多模50/62.5um数值孔径入射到光纤端

面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内

的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤

的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产

的光纤的数值孔径不同光纤的种类按光在光纤中的传输模

式可分为：多模（Multi-Mode） (简称：MM） 单模

（Single-Mode）(简称：SM） 多模光纤：中心玻璃芯

较粗（50或62.5μm），可传多种模式的光。但其模间色散

较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增

加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只

有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较

近，一般只有几公里。单模光纤：中心玻璃芯较细（芯径

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一般为9或10μm），只能传一种模式的光。实际上是阶跃

型光纤的种，只是纤芯径很小，理论上只允许单一传播途

径的直进光入射至光纤内，并在纤芯内作直线传播。光纤

脉冲几乎没有展宽。因此，其模间色散很小，适用于远程

通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的

谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

光纤的分类按材料分类：玻璃光纤：纤芯与包层都是玻

璃，损耗小，传输距离长，成本高；胶套硅光纤：纤芯是

玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；

塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很

短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传

输。按最佳传输频率窗口:常规型单模光纤和色散位移型单

模光纤。常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在

单一波长的光上，如1300nm。色散位移型：光纤生产长

家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300nm

和1550nm。突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是

突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通讯，

如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤

都采用突变型。 渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层

的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能

减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较

高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。常用光纤规格光纤

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尺寸：1)单模纤芯直径：9/125μm，10/125μm 2)

包层外径（2D）＝125μm3)一次涂敷外径＝250μm4)尾

纤：300μm5)多模：50/125μm，欧洲标准62.5/125μ

m，美国标准6)工业，医疗和低速网络：100/140μm，

200/230μm 7)塑料：98/1000μm，

用于汽车控制光纤衰减造成光纤衰减的主要因素有：本

征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。本征：是光纤

的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。弯曲：光纤

弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。

挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。杂

质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损

失。不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。对

接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴（单模光纤同轴

度要求小于0.8μm），端面与轴心不垂直，端面不平，对接

心径不匹配和熔接质量差等。光缆的种类1)按敷设方式分

有：自承重架空光缆，管道光缆，铠装地埋光缆和海底光

缆。2)按光缆结构分有：束管式光缆，层绞式光缆，紧抱式

光缆，带式光缆，非金属光缆和可分支光缆。3)按用途分

有：长途通讯用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物

内用光缆。光缆的接续与成端光缆的接续与成端是光缆线

路维护人员必须掌握的基本技能。光缆的接续技术分类：1)

光纤的接续技术和光缆的接续技术两部分。2)光缆的成端类

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似光缆的接续，只不过由于接头材料不同而操作该当也有

所不同。光纤接续的种类光缆接续一般可分为两大类：1)光

纤的固定接续（俗称死接头）。一般采用光纤熔接机；用于

光缆直接头。2)光纤的活动接头（俗称活接头）。用能够拆

卸的连接器连接（俗称活接头）。用于光纤跳线、设备连接

等地方由于光纤端面的不完整性和光纤端面压力的不均匀

性，一次放电熔接光纤的接头损耗还比较大，现在采用二

次放电熔接法。先对光纤端面预热放电，给端面整形，去

除灰尘和杂物，同时通过预热使光纤端面压力均匀。光纤

连接损耗的监测方法光纤连接损耗的监测方法有三种：1、

在熔接机上进行监测。2、光源、光功率计监测。3、OTDR

测量法光纤接续的操作方法光纤接续操作一般分为：1、光

纤端面的处理。2、光纤的接续安装。3、光纤的熔接。4、

光纤接头的保护。5、余纤的盘留五个步骤。通常整个光缆

的接续按以下步骤进行：第一步：大量好长度，开剥光

缆，除去光缆护套；第二步：清洗、去除光缆内的石油填

充膏。第三步：捆扎好光纤。第四步：检查光纤心数，进

行光纤对号，核对光纤色标是否有误；第五步：加强心接

续；第六步：各种辅助线对，包括公务线对、控制线对、

屏蔽地线等接续（如果有上述线对。第七步：光纤的接

续。第八步：光纤接头保护处理；第九步：光纤余纤的盘

库留处理；第十步：完成光缆护套的接续；第十一步：光

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缆接头的保护。光纤的损耗1310 nm : 0.35 ~ 0.5

dB/Km1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km850 nm : 2.3 ~ 3.4

dB/Km光纤熔接点损耗：0.08dB/点光纤熔接点 1点

/2km常见光纤名词1)衰减衰减：光在光纤中传输时的能量

损耗单模光纤1310nm 0.4~0.6dB/km，1550nm

0.2~0.3dB/km，塑料多模光纤300dB/km2)色散色散

(Dispersion)：光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽

变粗。它是限制传输速率的主要因素。模间色散：只发生

在多模光纤，因为不同模式的光沿着不同的路径传输。材

料色散：不同波长的光行进速度不同。波导色散：发生原

因是光能量在纤芯及包层中传输时，会以稍有不同的速度

行进。在单模光纤中，通过改变光纤内部结构来改变光纤

的色散非常重要。光纤类型G.652零色散点在1300nm左

右G.653零色散点在1550nm左右G.654负色散光纤

G.655色散位移光纤全波光纤3)散射由于光线的基本结构

不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好

的方向性。光纤系统基础知识基本光纤系统的构架及其功

能介绍：1.发送单元：把电信号转换成光信号；2.传输单

元：载送光信号的介质；3.接收单元：接收光信号并转换成

电信号；4.连接器件：连接光纤到光源、光检测以及其它光

纤。常用连接器类型连接头端面类型耦合器（coupler）主

要功能再分配光信号重要应用在光纤网络尤其是应用在局

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域网在波分复用器件上应用基本结构耦合器是双向无源器

件基本形式有树型、星型——与耦合器对应的有分路器

（splitter）以图形表示波分复用器WDM—Wavelength

Division Multiplexer在一条光纤中传输多个光信号，这些

光信号频率不同，颜色不同。波分复用器就是要把多个光

信号耦合进同一根光纤中；解波分复用器就是从一根光纤

中把多个光信号区分出来。波分复用器（图例）发送单元

接收单元放大器光纤数字通信数字系统中脉冲的定义：1.振

幅：脉冲的高度在光纤系统中表示光功率能量。2.上升时

间：脉冲从最大振幅的10%上升到90%所需要的时间。3.

下降时间：脉冲从振幅的90%下降到10%所需要的时间。

4.脉冲宽度：脉冲在50%振幅位置的宽度，用时间表示。

5.周期：脉冲特定的时间，就是完成一个循环所需要的工作

时间。6.消光比：1信号光功率于0信号光功率的比值。

本文标签： 光纤光缆传输信号接续