（一）光纤的结构和类型

1．光纤的结构

光纤的结构和同轴电缆很相似，只是没有网状屏蔽层。光纤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涂层。外面包围着一层折射率比纤芯低的玻璃封套，简称包层，以使光线保持在光纤内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有护套保护。

现在，国际电信联盟和国际电工委员会（IEC）都对大多数单模光纤和多模光纤产品的几何尺寸、传输性能和测量方法做了详细的技术规范。光纤主要是由二氧化硅或硅酸盐玻璃制造而成。现在经常用的光纤有石英光纤、塑料光纤和卤化物光纤。

（1）玻璃光纤。这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的SiO2掺有适当的杂质制成的。目前，这种光纤的损耗最低、强度和可靠性最高、应用最广泛，但价格也较高。

（2）卤化物玻璃纤维。1975年Rennes大学的研究人员发现氯化物玻璃在光波频谱的中段直到红外波段有极低的传输损耗，其最低损耗窗口在2.55um附近。氯化物玻璃是卤化物玻璃家族中的一员，卤化物中的负离子来自于元素周期表中的第Ⅶ组元素，例如氟、氯、溴、碘。

（3）塑料光纤。伴随着高速业务需求的日益增长，促使光纤研发人员去研发高带宽的用于用户接入的梯度折射率聚合物光纤（POF）。这类光纤的纤芯，既可以是有机玻璃，也可以是加氯的聚合物，这两类物质构成纤芯的光纤分别称为PMMAPOF和PFPPOF。尽管塑料光纤与玻璃光纤相比有更大的光信号衰减，但它们具有更好的韧性，更加耐用。

2．光的传播特性

光属电磁能量，在空气中的传播速度大约为3×108m/s。所有频率的光波在空气中的传播速率都是一样的。光在均匀介质中沿直线传播。光从光疏介质到光密介质传播时，电磁波速度会降低，光线向法线方向折射；相反，光从光密介质到光疏介质传播时，电磁波速度提高，光线偏离法线方向折射。

3．光线在光纤中的传播

所谓光纤就是工作在光频的介质波导，光纤波导通常是做成圆柱形的。光可按照反射和折射两种方式沿光纤波导传播，传播方式主要取决于光纤的传播和折射率分布。光纤可以约束光波的电磁能量位于波导表面以内，并引导电磁能量沿光纤轴方向传播。光波导的传播特性取决于它的结构参数，这些结构参数将决定光信号在光纤中传播时所受到的影响。光纤的结构基本确定了它的信息承载容量。

光纤波导最常用的结构是单一固体电介质圆柱。这个介质圆柱就是通常所说的纤芯。从原理上分析，当光在纤芯中传播时，包层并不是必需的，之所以采用包层结构是基于以下几种考虑，首先包层可以减少散射损耗，而散射损耗则是由纤芯表面电介质的不连续性造成的；其次包层可以增加光纤的机械强度，还可以防止纤芯受污染。

低损耗和中损耗光纤一般使用玻璃作为纤芯材料，而包层则可以是另一种玻璃或是塑料。高损耗的塑料芯光纤其包层也为塑料，这种光纤同样有广泛的用途。另外，大多数光纤都密封在一层富有弹性、耐腐蚀的塑料护套中。这一层材料可以进一步增加光纤的强度，保护或减缓因小的几何不规则、变形和表面粗糙所造成的机械损伤。

如果一种光纤的纤芯折射率是均匀的，在纤芯与包层的界面有一个折射率突变（或阶跃），此类光纤称为阶跃折射率光纤；如果光纤折射率作为从光纤中心向外的径向距离的函数而渐变，这类光纤称为梯度折射率光纤。

4．光纤的分类

在光纤技术中，“模”的概念简单说就是“路径”。如果只有一条光径沿光缆传播，则称为单模；如果多于一条，则称为多模。无论是阶跃型还是梯度型折射率光纤，均可分为单模光纤和多模光纤两类。

下面分别来讲述单模光纤和多模光纤的特点。

（1）单模阶跃型光纤。

①优点：

·在这三种光纤中，单模阶跃型光纤色散最小。由于光线几乎沿同一路径传播，具有相同的轴向速度，因此系统消除了模间色散干扰，适用于高速率长距离系统。

·接收端还原光信号的高精确度，使单模阶跃型光纤比其他光纤具有更宽的可用带宽和更高的传输速率。

②缺点：

·由于纤芯极细，使光进出光纤的耦合十分困难，耦合效率低，光源的入射孔径也最小。

·同样由于纤芯极细，在使用单模阶跃型光纤时，对光源的要求较高。

·造价高，制造相对困难。

（2）多模阶跃型光纤。

①优点：

·造价低，制造相对容易。

·有较大的射入孔径，光耦合容易。

②缺点：(www.daowen.com)

·由于光纤中接收端到达光有不同的传播路径，存在模间色散，对系统性能影响比较严重。

·可用带宽和传输速率均低于其他的光纤。

（3）多模渐变型光纤。

多模渐变型光纤性能介于单模和多模阶跃型光纤之间。它比单模阶跃型光纤更易于光的耦合，但比多模阶跃型光纤困难；受多条传播路径的影响，其色散比单模阶跃型光纤大，但小于多模阶跃型光纤；比单模阶跃型光纤容易制造，但又难于多模阶跃型光纤。

（二）光纤的损耗

传输损耗是光纤的另一个重要性能指标，它会造成光能的减弱，引起系统带宽、传输速率、有效性以及整个系统通信能力的下降。主要损耗：吸收损耗、瑞利散射、辐射损耗、连接器损耗。

1．吸收损耗

光纤中的吸收损耗与金属电缆的功率损耗相似，其中的杂质吸收光能并将它转换成热能。造成吸收损耗的因素主要有3个：紫外吸收、红外吸收和离子谐振吸收。

（1）紫外吸收。紫外吸收是因制造光纤的硅材料中的价电子引起的。光将这些价电子电离，而电离作用本身在光学领域就相当于一种损耗，因而造成光纤传输的损耗。

（2）红外吸收。红外吸收是因玻璃纤芯中的原子吸收光子引起的。被吸收的光子产生无规则的机械振动，通常这就是热能。

（3）离子谐振吸收。离子谐振吸收是因光纤制造过程中含有H离子的水分子渗入光纤材料而引起的。此外，铁、铜、铬等金属离子也会造成离子吸收。

2．瑞利散射（材料散射）损耗

在光纤制造过程中，玻璃经过热压（拉伸成细长的光纤）处在一种可塑状态（既非液态也非固态），作用其上的拉力引起逐渐冷却的玻璃内部发生亚微观的形变，而且永久地固化在光纤中。当沿光纤传播的光遇到这些不规则的地方时，就会向不同的方向折射，发生散射。散射光有的继续沿光纤传播，但有的折射入包层，这就是光能的损失，即是通常所称的瑞利散射损耗。

3．辐射损耗

辐射损耗是因为光纤的微小弯曲和缺陷引起的。弯曲有两种形式：微弯曲和固定曲率半径弯曲。纤芯与包层材料之间热收缩率不同造成的弯曲称为微弯曲，它即是光纤中发生瑞利散射的间断点；固定曲率半径弯曲是光纤在成缆或安装过程中发生的弯曲。

4．连接器损耗

光纤的连接器损耗发生在这样几个光转接处：光源—光纤的连接、光纤—光纤的连接、光纤—光电检波器的连接。连接没对准是造成连接损耗的主要原因，一般有这样几种情况：横向位移、连接位移、连接间隙、倾斜位移、截面不平整。

（三）光纤的色散

光的折射率与波长有关，如光源采用复色光，则不同波长的光有不同的光速。因此，由光源同时发出的光线经光纤传输后不会同时到达远端，接收到的信号会发生畸变，这种畸变就称为色度畸变，它可用单色光源来消除。光纤的色散可以分为材料色散、波导色散、模间色散和偏振模色散。

1．材料色散

材料色散的产生是因为折射率是光波长的函数。材料色散作为一种模内色散，其影响对于单模波导和LED系统（因为LED的发射频谱比半波导体激光器宽得多）显得尤为突出。

2．波导色散

当一个光脉冲进入光纤后，它的能量被分散到许多种导波模上，这些不同的模式以各自的群时延在不同的时刻到达光纤的另一端，从而使光脉冲发生展宽。对于多模光纤，波导色散写材料色散相比要小得多，因而可以忽略。

3．偏振模色散

光信号中不同偏振状态的双折射现象是导致脉冲展宽的另一个因素。这种因素对于长途大容量的光纤链路的影响尤为严重。这种链路系统一般工作在光纤的零色散波长附近。双折射的产生是因为光纤本身的缺陷，如纤芯的几何形状不规则、内部应力不均匀等。哪怕纤芯的非圆程度还不到1%，可在高速系统中的影响就很明显了。另外，外部的因素如弯曲、扭曲、挤压光纤时，也会导致双折射。在任何野外铺设的光纤中，上述这些影响都会不同程度地存在，所以在光纤线路上双折射的大小是不断变化的。

光信号的一个基本特性是它的偏振状态。所谓偏振是指光信号中的电场矢量的取向，它会沿着光纤的长度显著变化。信号的能量在给定的波长处分解成两个正交的偏振模。由于沿着光纤方向的双折射程度不断变化，因此两个偏振模传播的速率稍有差别，而且偏振方向也会发生旋转。这两个正交的偏振模最终所产生的时延差就会导致脉冲的展宽，这就是所谓的偏振模色散（PMD）。

4．模间色散

最后一个导致信号劣化的原因是模间色散，它的产生是因为在同一频率点上不同模式具有不同的群时延。模式阶数越高，与光纤轴线之间的夹角越大，因而它的轴向群速率就越慢。模式之间的群速率差导致了群时延差，由此产生模间色散。这种色散对单模光纤没有影响，但对多模光纤却是至关重要的。