光纤的光传输原理是什么

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2024年3月22日发(作者：)

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62.5/125μm，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，

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