[科普中国]-光纤基本结构

由纤芯和包层构成的同心玻璃体，呈柱状，见图1。在石英系光纤中纤芯是由高纯度二氧化硅SiO2（石英玻璃）和少量掺杂剂如五氧化二磷和二氧化锗构成，掺杂剂用来提高纤芯的折射率（n1）。纤芯的直径（2a）一般为2～50μm。

基本概念介绍实用的光纤是比人的头发丝稍粗的玻璃丝，通信用光纤的外径一般为125~140 μm。一般所说的光纤是由纤芯和包层组成，纤芯完成信号的传输，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用。工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆。图2、图3给出了光纤和光缆的一般结构。

光纤的分类（1）根据光纤横截面上折射率的不同，可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤，阶跃型光纤的纤芯和包层间的折射率分别是一个常数，在纤芯和包层的交界面，折射率呈阶梯型突变。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小，在纤芯与包层交界处减小为包层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物线；

（2）按传输模式分：分为单模光纤（Single Mode Fiber）和多模光纤（Multi Mode Fiber）。光以一特定的入射角度射入光纤，在光纤和包层间发生全发射，从而可以在光纤中传播，即称为一个模式。当光纤直径较大时，可以允许光以多个入射角射入并传播，此时就称为多模光纤；当直径较小时，只允许一个方向的光通过，就称单模光纤。由于多模光纤会产生干扰、干涉等复杂问题，因此在带宽、容量上均不如单模光纤。实际通信中应用的光纤绝大多数是单模光纤。二者的区别如图4所示。1

其中，单模光纤又可以按照最佳传输频率窗口分为：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。常规型单模光纤是将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1.31 μm，相关国际标准为ITU-T G.652。色散位移型单模光纤是将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1.31 μm和1.55 μm，相关国际标准为ITU-T G .653。
设计色散位移型单模光纤的目的是使光纤较好地工作在1.55 μm处，这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31μm处移到1.55 μm附近。这种光纤也称为1.55 μm零色散单模光纤，是单信道、超高速传输的较好的传输媒介。这种光纤已用于通信干线网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。色散位移光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。因此，又出现了一种非零色散位移光纤，这种光纤将零色散点移到1.55 μm 工作区以外的1.60 μm以后或在1.53 μm以前，但在1.55 μm波长区内仍保持很低的色散，相关国际标准为ITU-T G.655。这种非零色散位移光纤不仅可用于单信道、超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介；
（3）按照制造光纤所用的材料分：可以分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。其中，塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。它的特点是制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机局域网链路、船舶内通信等。通信中普遍使用的是石英系光纤。2

包层成分包层的主要成份也是高纯度二氧化硅和少量掺杂氟或硼，掺杂用来降低包层的折射率（n2）。光纤的外径（2b）为125μm。实用的光纤中为增加光纤的机械强度，在包层之外还要加涂覆层。在涂覆层外就是塑料护套。

按折射率分类按横截面上折射率分布，光纤分为突变型和渐变型，见图5。

突变型折射率光纤 纤芯和包层的折射率都为一常数，纤芯折射率略高于包层，在两者界面处折射率有一个突变界面的光纤。突变型又称阶跃型或阶梯型。光在突变型光纤里传输呈直线锯齿形轨迹。其芯径为5μm，见图2（a），制造较容易，使用较方便，色散大，带宽低于100MHz·km，适合在短距离和信息容量小的通信系统中使用。3

渐变型折射率光纤 折射率沿芯径从中心向外逐渐变小，包层为一常数的光纤。渐变型又称梯度型。光在光纤里是沿着连续弯曲途径前进的。渐变型光纤中有代表性的是折射率沿径向按抛物线变化的光纤，这种光纤的色散小，带宽比突变型光纤大1～2个数量级，适合于中距离的光纤通信系统使用，见图2（b），

光纤几何特性参数有直径，直径偏差，不圆度，同心度误差和偏心率等。

纤芯直径：确定纤芯中心的圆的直径，纤芯中心是指能包含整个纤芯在内的最小圆的圆心。

包层直径：确定包层中心的圆的直径。包层中心是指能包含整个包层在内的最小圆的圆心。

平均纤芯直径：两条通过纤芯中心的弦长的平均值。它们分别是连接纤芯和包层分界面上两相对点的最长和最短直线。

平均包层直径：两条通过包层中心的弦长的平均值。它们分别是连接包层外表面上两相对点的最长和最短直线。

纤芯直径偏差：实际芯径同推荐标称芯径之比和1的差值的百分率。

包层表面直径偏差：包层表面直径同推荐标称包层表面直径之比和1的差值的百分率。

纤芯不圆度：两条通过纤芯中心的最长和最短弦长之差除以纤芯直径所得之商。

包层不圆度：两条通过包层中心的最长和最短弦长之差除以包层表面直径所得之商。

纤芯/包层同心度误差：纤芯中心与包层中心之间的距离除以纤芯直径所得之商 。

包层偏心率：最小包层厚度与最大包层厚度之比值。

光纤基本结构模型光纤基本结构模型是指光纤层状的构造形式。由纤芯、包层和涂覆层构成。呈同心圆柱形。常用石英系光纤的纤芯和包层均由高纯度石英玻璃和少量掺杂剂构成。掺杂剂用以使纤芯的折射率稍高于包层的折射率。涂覆层用以保护光纤免受机械损伤。

按光纤横截面上折射率分布，可分为突变型(阶跃型)光纤和渐变型光纤-前者的纤芯和包层折射率分布均为常数，而在其界面处发生折射率突变。后者的纤芯折射率沿径向由内向外逐渐变小，一般呈抛物线分布，包层折射率仍为常数。常用光纤几何特性参数表示光纤结构的几何特性。这些参数和标称尺寸在光纤通信的标准中均有明确规定。

本词条内容贡献者为:

李宗秀 - 副教授 - 黑龙江财经学院