光纤是什么

光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是“光的全反射”。

前香港中文大学校长高锟和 George A. Hockham 首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得 2009 年诺贝尔物理学奖。

定义

微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode,LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。

通常光纤与光缆两个名词会被混淆。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。光纤外层的保护层和绝缘层可防止周围环境对光纤的伤害，如水、火、电击等。

光缆分为：缆皮、芳纶丝、缓冲层和光纤。光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。

在多模光纤中，芯的直径是 50μm 和 62.5μm 两种， 大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为 8μm~10μm，常用的是 9/125μm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套， 俗称包层，包层使得光线保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，即涂覆层，用来保护包层。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。 纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆，易断裂，因此需要外加一保护层。

说明：9/125μm 指光纤的纤核为 9μm，包层为 125μm，9/125μm 是单模光纤的一个重要的特征，50/125μm 指光纤的纤核为 50μm，包层为 125μm，50/125μm 是多模光纤的一个重要的特征。

其中金砖国家光缆计划是直接连通 5 个金砖国家的海底光缆项目，将于 2014 年初开工，2015 年中启用。该项目总长 3.4 万千米，其中直接连通 5 个金砖国家的海底光缆长约 2.4 万千米。

2013 年，全球 100G 光纤的收入预计将首次超过 10 亿美元。该公司分析了 2013 年一季度全球光网络市场的财务结果，发现了一些趋势，包括一个令人失望的趋势，即市场的总体增长仍然是困难的，只有日本的富士公司利润逐年增长。

虽然光纤市场在第一季度出现衰退的情况并不少见，但这次下降令人担忧是因为这已经是连续第五个季度市场有所下降，并且季度收入达到六年来的最低值。

100G 光纤的情况较为乐观，不管环比、同比都表现出强劲增长。2013 年一季度，100G 光纤的出货量较 2012 年四季度增长了 41%，收入较 2012 年四季度增长了 24%。以此计算，年收入有望首次超过 10 亿美元。2013 年一季度，有 20 家供应商出售 100G 光纤，将有更多的厂商加入市场竞争。供应商持谨慎乐观的态度，短期订单量看涨，长期订单量并不乐观。

发展历史

发明

1870 年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。

人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是光的全反射的作用，由于水等介质密度比周围的物质（如空气）大，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。

后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。

原理种类

光及其特性：

1.光是一种电磁波

可见光部分波长范围是：390~760nm（纳米）。大于 760nm 部分是红外光，小于 390nm 部分是紫外光。光纤中应用的是：850nm，1310nm，1550nm 三种。

2.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。

1.光纤裸纤一般分为三层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为 50 或 62.5μm），中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为 125μm），最外是加强用的树脂涂层。光线在纤芯传送，当光纤射到纤芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，会全部反射回来，继续在纤芯内向前传送，而包层主要起到保护的作用。

2.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（AT&T CORNING）。

3.光纤的种类：

光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。但对于有线电视和通信用的光纤，其设计和制造的原则基本相同，诸如：

①损耗小；

②有一定带宽且色散小；

③接线容易；

④易于成统；

⑤可靠性高；

⑥制造比较简单；

⑦价廉等。光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上作一归纳的，兹将各种分类举例如下。

（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85μm、1.3μm、1.55μm）。

（2）折射率分布：阶跃（SI）型光纤、近阶跃型光纤、渐变（GI）型光纤、其它（如三角型、W 型、凹陷型等）。

（3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。

（4）原材料：石英光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤、复合材料光纤（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。

（5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法（Rod intube）和双坩锅法等。

传输优点

直到 1960 年，美国科学家 Maiman 发明了世界上第一台激光器后，为光通讯提供了良好的光源。随后二十多年，人们对光传输介质进行了攻关，终于制成了低损耗光纤，从而奠定了光通讯的基石。从此，光通讯进入了飞速发展的阶段。

光纤传输有许多突出的优点：

结构原理

光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成。内层为光内芯，直径在几微米至几十微米，外层的直径 0.1～0.2mm。一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大 1%。根据光的折射和全反射原理,当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。

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。

人为衰减

在实际的工作中，有时也有必要进行人为的光纤衰减，如用于光通信系统当中的调试光功率性能、调试光纤仪表的定标校正，光纤信号衰减的光纤衰减器。

生产方法

通信中所用的光纤一般是石英光纤。石英的化学名称叫二氧化硅（SiO2），它和我们日常用来建房子所用的砂子的主要成分是相同的。但是普通的石英材料制成的光纤是不能用于通信的。通信光纤必须由纯度极高的材料组成；不过，在主体材料里掺入微量的掺杂剂，可以使纤芯和包层的折射率略有不同，这是有利于通信的。

制造光纤的方法很多，主要有：管内 CVD（化学汽相沉积）法，棒内 CVD 法，PCVD（等离子体化学汽相沉积）法和 VAD（轴向汽相沉积）法。但不论用哪一种方法，都要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光纤芯线。光纤的制造要求每道工序都要相称精密，由计算机控制。在制造光纤的过程中，要注重：

①光纤原材料的纯度必须很高。

②必须防止杂质污染，以及气泡混入光纤。

③要准确控制折射率的分布;

④正确控制光纤的结构尺寸;

⑤尽量减小光纤表面的伤痕损害，提高光纤机械强度。

施工方法

在实际应用中，光纤与光纤的连接，一般采用热熔接和冷接两种方法来进行施工。

热熔接法

使用光纤熔接机的高压电弧将两根光纤熔化后连接起来，这种方法早期一般用于长距离通讯施工，不过随着国民对网速需求的提高和光纤入户的兴起，热熔接法也用于短距离光纤铺设施工（如小区宽带网和光纤入户等），已成为国际上主流的光纤施工方法。

冷接法

冷接法是相对于热熔接法而言的，指不需要高压电弧放电来融化光纤，而使用光纤冷接子来将光纤连接起来或将光纤接入到光通讯设备中。

光纤分类

根据不同光纤的分类标准的分类方法，同一根光纤将会有不同的名称。

按光纤的材料分类

按照光纤的材料，可以将光纤的种类分为石英光纤和全塑光纤。

石英光纤一般是指由掺杂石英芯和掺杂石英包层组成的光纤。这种光纤有很低的损耗和中等程度的色散。通信用光纤绝大多数是石英光纤。

全塑光纤是一种通信用新型光纤，尚在研制、试用阶段。全塑光纤具有损耗大、纤芯粗（直径 100～600μm）、数值孔径（NA）大（一般为 0.3～0.5，可与光斑较大的光源耦合使用）及制造成本较低等特点。目全塑光纤适合于较短长度的应用，如室内计算机联网和船舶内的通信等。

按光纤剖面折射率分布分类

按照光纤剖面折射率分布的不同，可以将光纤的种类分为阶跃型光纤和渐变型光纤。

按传输模式分类

按照光纤传输的模式数量，可以将光纤的种类分为多模光纤和单模光纤。

单模光纤是只能传输一种模式的光纤。单模光纤只能传输基模（最低阶模），不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的模场直径仅几微米（μm），其带宽一般比渐变型多模光纤的带宽高一两个数量级。因此，它适用于大容量、长距离通信。

按照国际标准规定分类（按照 ITU-T 建议分类）

为了使光纤具有统一的国际标准，国际电信联盟（ITU-T）制定了统一的光纤标准（G 标准）。按照 ITU-T 关于光纤的建议，可以将光纤的种类分为：

G.651 光纤（50/125μm 多模渐变型折射率光纤）

G.652 光纤（非色散位移光纤）

G.653 光纤（色散位移光纤 DSF）

G.654 光纤（截止波长位移光纤）

G.655 光纤（非零色散位移光纤）。

为了适应新技术的发展需要，G.652 类光纤已进一步分为了 G.652A、G.652B、G.652C 三个子类，G.655 类光纤也进一步分为了 G.655A、G.655B 两个子类。

按照 IEC 标准分类，IEC 标准将光纤的种类分为

A 类多模光纤：

A1a 多模光纤（50/125μm 型多模光纤）

A1b 多模光纤（62.5/125μm 型多模光纤）

A1d 多模光纤（100/140μm 型多模光纤）

B 类单模光纤：

B1.1 对应于 G652 光纤，增加了 B1.3 光纤以对应于 G652C 光纤

B1.2 对应于 G654 光纤

B2 光纤对应于 G.653 光纤

B4 光纤对应于 G.655 光纤

系统运用

高分子光导纤维开发之初，仅用于汽车照明灯的控制和装饰。主要用于医学、装饰、汽车、船舶等方面，以显示元件为主。在通信和图像传输方面，高分子光导纤维的应用日益增多，工业上用于光导向器、显示盘、标识、开关类照明调节、光学传感器等。

通信应用

光导纤维可以用在通信技术里。1979 年 9 月，一条 3．3 公里的 120 路光缆通信系统在北京建成，几年后上海、天津、武汉等地也相继铺设了光缆线路，利用光导纤维进行通信。

多模光导纤维做成的光缆可用于通信，它的传导性能良好，传输信息容量大，一条通路可同时容纳数十人通话。可以同时传送数十套电视节目，供自由选看。

利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设 1000 公里的同轴电缆大约需要 500 吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。

辨别方法

颜色辨别

黄色的代表单模

橙色的代表多模

外套标识辨别

50/125, 62.5/125 为多模，并且可能标有 mm

9/125（g652）为单模，并且可能标有 sm

光纤磨制端头

在放大镜下可辨别，多模呈同心圆

单模中间有一黑点

熔接机熔接时从屏上可辨别

多模纤中间没白条

单模中间有一白条

同时，熔接机对多模光缆不做熔接损耗计算。再，单模与多模光纤熔接机不能熔接。

单模收发器可以用于多模光缆链路，但注意跳线要用多模的。

依据信号在光纤中传输的模式，主要分两大类：单模和多模。模式通常是指光信号在光纤内的传输路径，单模的传输路径就是中心轴线；将光纤沿中轴线切出一个刨面，光信号在刨面上利用全反射进行传输。光纤可以拥有这种刨面无限多个，所以光信号的传输路径就会有无限多条，即有无限多种模式，如此传输的光纤就被称作多模光纤。

单模的纤芯尺寸一般是 8~10um，在单模中信号沿直线进行传播，也就是一种模式。多模的纤芯比较大，50um 或是 62.5um，可以同时进行多种模式的传输。

单模的传输带宽高，传输距离远，主要用于中长距离的信号传输系统，如光纤到户、地铁和道路等长距离网络。但是，因为单模的纤芯比较小，与发射机连接时需要精确对接，从而耦合到较高的光源。这使得单模光纤网络系统的其他配件价格升高，单模光发射机的价格比多模的就贵不少。使用单模连接器进行端接时，要注意精确对接，不然会产生数值较高的插入损耗，降低光纤传输性能。

而多模能主要用于满足短距离网络的传输。事实上，多模光纤能够支持万兆以太网 550 米内的垂直子系统布线和短距离建筑群子系统布线，以及 40G/100G 网络 150 米内的数据中心布线。并且，多模光纤系统的光电转换元件比单模更便宜，现场安装和端接也更简单。

国内发展

光纤作为宽带接入一种主流的方式，有着通信容量大、中继距离长、保密性能好、适应能力强、体积小重量轻、原材料来源广价格低廉等的优点，未来在宽带互联网接入的应用可预料会非常广泛。

根据市场研究与预测公司 IDC 预计 2012 年中国光纤接入用户数将超过 2660 万户，未来 5 年保持 56.4%的年复合增长率，而且中国已成为全球最大的光网络设备市场之一。截至 2011 年底，中国光纤接入端口数已超过 1 亿个，同比增长超过 100%；中国光纤接入用户数已达 1556 万户，同比增长超过 370%。比起中国 1.58 亿的宽带用户数，光纤接入用户数还将会有非常广阔的上升空间。根据我国光纤宽带发展计划，到 2015 年全国互联网出口带宽达到 5T，城市家庭带宽接入能力基本达到 20M 以上，农村家庭带宽能力基本达到 4M 以上；家庭光纤接入覆盖超过 500 万户；无线局域网的公共运营热点规模将超过 15 万个；届时将实现全市公益性机构光纤到达率 100%，实现全部科技园区、工业园区、商务楼宇、宾馆酒店等商务类场所的光纤到楼、到办公室。

这些数据都表明，中国的宽带市场蕴藏着巨大的潜力，必将是未来宽带运营商对抗的主战场之一。而光纤宽带的普及也是大势所趋。所以未来宽带市场的斗争很大程度上是光纤宽带的斗争。

中国电信集团副总工程师靳东滨表示，中国电信光纤宽带用户数量三年后将超过 1 亿，达到世界领先水平。中国联通也明确了 2012 年新增光纤到户家庭 1000 万。中国移动在 2010 年在三大运营商光纤光缆招标量达 40%~50%。可以看出各大运营商对于光纤宽带这项前景看好的业务都给予了很大的重视。

光纤之父

光纤之父——高锟，高锟从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性。被誉为“光纤之父”。