一、光纖傳輸的特點

㈠傳輸損耗低

    損耗是傳輸介質的重要特性，它只決定了傳輸信號所需中繼的距離。光纖作為光信號的傳輸介質具有低損耗的特點。如使用62.5/125μm的多模光纖，850nm波長的衰減約為3.0dB/km、1300nm波長更低，約為1.0ddB/km。如果使用9/25μm單模光纖，1300nm波長的衰減僅為0.4dB/km、1550nm波長衰減為0.3dB/km，所以一般的LD光源可傳輸15至20km。目前已經出現傳輸100公里的產品。

㈡傳輸頻帶寬

    光纖的頻寬可達1GHz以上。一般圖像的帶寬為6MHz左右，所以用一芯光纖傳輸一個通道的圖像綽綽有余。光纖高頻寬的好處不僅僅可以同時傳輸多通道圖像，還可以傳輸語音、控制信號或接點信號，有的甚至可以用一芯光纖通過特殊的光纖被動元件達到雙向傳輸功能。

㈢抗干擾性強

    光纖傳輸中的載波是光波，它是頻率極高的電磁波，遠遠高于一般電波通訊所使用的頻率，所以不受干擾，尤其是強電干擾。同時由于光波受束于光纖之內，因此無輻射、對環境無污染，傳送信號無泄露，保密性強。

㈣安全性能高

    光纖采用的玻璃材質，不導電，防雷擊；光纖傳輸不像傳統電路因短路或接觸不良而產生火花，因此在易燃易爆場合下特別適用。光纖無法像電纜一樣進行竊聽，一旦光纜遭到破壞馬上就會發現，因此安全性更強。

㈤重量輕，機械性能好

    光纖細小如絲，重量相當輕，即使是多芯光纜，重量也不會因為芯數增加而成倍增長，而電纜的重量一般都與外徑成正比。

二、光纖結構與傳輸機理

    光纖是光波傳輸的介質，是由介質材料構成的圓柱體，分為芯子和包層兩部分。光波沿芯子傳播。在實際工程應用中，光纖是指由預制棒拉制出纖絲經過簡單被復后的纖芯，纖芯再經過被復，加強和防護，成為能夠適應各種工程應用的光纜。

㈠光纖傳光機理

    光波在光纖中的傳播過程是一個復雜的電磁場的邊界問題，一般來說，光纖芯子的直徑要比傳播光的波長高幾十倍以上，因此利用幾何光學的方法定性分析是足夠的，而且對問題的理解也很簡明、直觀。

    當一束光纖投射到兩個不同折射率的介質交界面上時，發生折射和反射現象。對于多層介質形成的一系列界面，若折射率n1＞n2＞n3…＞nm，則入射光線在每個界面的入射角逐漸加大，直到形成全反射。由于折射率的變化，入射光線受到偏轉的作用，傳播方向改變。

光纖由芯子、包層和套層組成。套層的作用是保護光纖，對光的傳播沒有什么作用。芯子和包層的折射率不同，豈折射率的分布主要有兩種形式：連續分布型（又稱梯度分布型）和間斷分布型（又稱階躍分布型）。

    當入射光經過光纖端面的折射后進入光纖，除了與軸向方向一致的光沿直線傳播外，其余的光線則投射到芯子和包層的交界面：一種在界面形成全反射，這些光線將與光軸保持不變的夾角，呈鋸齒狀無損耗地在光纖芯子內向前傳播，稱之為傳播光；另外一種在界面處只有一部分形成反射，還有一部分折射進入包層，最后被套層吸收，反射的光線再次到達界面時又會有一部分損耗，因而不能傳播，稱為非傳播光。

    實際上進入光線的大部分不是上面所將的軸面光，因此還有一種稱為泄漏光，如果芯子和包層的界面十分平坦，這些光線將形成全反射而得到傳播，但事實上僅部分反射，盡管損耗比非傳播光小還是不能很好地傳播。對于長距離傳輸來說只有傳播光是有意義的。

進入光纖的光線在向芯子包層界面傳播時，由于芯子折射率逐漸減小，受到一個向心偏轉的作用，與軸線夾角θ小于一定值的光纖不能到達界面或到達界面形成全反射，因而受束于芯子內、呈波浪狀無損耗地向前傳播，成為傳播光。其余的光由于有一部分在界面處折射進入包層，逐漸被吸收掉而不能傳播。

    因此，光纖芯子和包層的折射率及折射率的分布與光纖的轉播特性有密切關系。

㈡光纖的分類

    可以從不同的角度對光纖進行分類，如構成光纖的材料、制造方法、光纖芯子包層折射率的分布和光纖可以傳播光的模數等。

構成光纖芯子和包層的材料主要有：多組合玻璃、高純度石英玻璃和低損耗鹵化物材料等。不同的材料其預制棒的制備和光纖的拉制方法也不同。目前應用叫多的是高純度石英玻璃光纖（石英光纖），其材料制備技術、光纖的傳輸特性和強度等方面具有綜合的優越性。

    光纖芯子和包層的折射率分布與光纖材料、拉制方法以及光纖的結構有關，除了前面提到的梯度分布型和階躍分布型外還有單材料光纖、環形光纖、W型光纖等都屬于階躍分布型光纖，結構上各有特點。

    也可以按照傳播光的模數來區分。我們可以將一條光線理解為代表一個模，或者是不同的模代表不同的角度的入射光，光的波動原理認為光纖只能允許有限的離散樹木的光（或模）傳播。光纖中可傳播的數目是芯子的橫截面積和芯子中心與包層間的折射率差的函數，與其成正比關系。當光纖就只允許一個模的光傳播就是單模光纖。單模光纖由于只傳播軸線關，因此不存在模色散，具有很大的信息載送容量。多模光纖一般可有幾百和低損耗的傳播模。容易與光源和大面積探測器耦合。

    按照制造方法還可以分為CVD（化學汽相沉淀法）、MCVD（改進化學汽相沉積法）等。

㈢光纖的特性

    光纖的特性包括傳播特性、幾何參數和芯子包層折射率差等基本特性。傳輸特性則主要表現在光纖的損耗和帶寬兩個方面。

⒈數值孔徑NA

    它代表光纖芯子與包層之間的折射率差，是光纖一個最重要的基本特性。NA是反映光纖芯子包層折射率關系的參數，折射率差越大，NA越大，光纖可以接收并傳播的光越多，即與光纖可傳播的模數成正比。因此在某種意義上數值孔徑表示了光纖集光的能力。

⒉傳輸損耗

    這是光纖一項重要的光學特性，它很大程度上決定了傳輸信號所需中繼的距離，也關系到系統經濟性。引起光纖損耗的原因有材料吸收、散射損耗和結構缺陷等。

    材料吸收是一種損耗機理。由于光纖不可能是完美的圓柱體，某些參數會沿長度方向呈周期的變化，這些參數既可以是折射率分布，也可以是幾何參數，即可以是沿長度方向的變化，也可以是軸線相對于直線的偏離。這就會引起一個傳播上光功率部分地轉移到另一模上去，這就是散射。如果轉移模為非傳播模就產生了散射損耗。散射損耗是按1/λ4的比例形成的，因此選擇長波工作是有好處的。有些小的參數變化，如材料成分、應力等是可以通過改進制作技術來減小的，但有些小的折射率變化是光纖拉制過程中熱擾動形成的不能完全消除，它決定了光纖散射損耗的最低極限。

    光纖結果缺陷，如芯子包層界面不光滑、氣泡、應力、直徑的變化和軸線彎曲等都會引起光纖的傳輸損耗，所以提高光纖結構的完美和一致性是拉纖工藝的重要任務致意。

光纖的損耗是以每公里分貝（dB/km）來計量。石英光纖有三個低損耗波長區——0.85μm、1.3μm、1.55μm。氟化物光纖的損耗更低。

⒊傳輸帶寬

    它表示光纖的傳輸速率，主要受到光纖色散的限制。當光脈沖沿光纖傳播時，每個脈沖都會隨著距離的增加而展寬，最后相鄰的脈沖發生重迭，這就限制了光纖傳送信息的速率，限制了光纖傳輸帶寬，導致光脈沖展寬的機理是光纖的色散，包括材料色散、波導色散和模色散。

    材料色散的物理意義是：光在介質中的傳播速度與折射率成反比，光纖材料的折射率是隨波長變化的，因此不同波長的光在光纖中傳播的速度不同。波長越短，色散越嚴重。

波導色散是由于波長不同的光線在光纖中運行的軌跡不同、渡越時間也不同所造成的。對于同一模來說，不同波長的光在光纖中將走循不同的軌跡，有著不同的渡越時間，引起波導色散。與材料色散相反，波長越長波導色散越嚴重，同時光纖芯子直徑越小，波導色散越嚴重。

    模色散也稱模間色散。對于同一波長的入射光，不同入射角的光纖代表不同的模，不同模在光纖中行走的路徑不同，渡越時間也不同，從而形成模色散。模色散隨著光纖芯子直徑的減小而減小，當直徑小到一定程度時光纖成為只允許傳輸一個模的單模光纖，就不存在模色散了。

    在1.3μm波長處，光纖的波導色散與材料色散相抵消，因此理論上可以制造1.3μm的零色散單模光纖，如果將石英單模光纖的零色散波長1.3μm移到最低損耗波長1.55μm處，就可以制造色散移位（DS）單模光纖。如果能夠在長波長范圍內的兩個零色散波長，使光纖在寬范圍內色散都很低，即可制成色散平坦單模光纖。

    光纖的色散與光纖的長度或信號的傳輸距離有關，因此光纖的傳輸帶寬是傳輸距離的函數，常用帶寬距離乘積來計量光纖的傳輸帶寬，而對單模光纖則常用色散值來表示傳輸特性。