光纖是又細(xì)又長(zhǎng)而且非常純的玻璃絲，直徑和人的頭發(fā)相仿。光纖成束排列在光纜中，用于遠(yuǎn)距離傳輸
光信號(hào)。
單根光纖的組成部分
近距離觀察單根光纖時(shí)，可以看到它具有以下部分：
纖芯——光纖的細(xì)玻璃中心，光在此傳播 覆層——覆蓋纖芯的外部光學(xué)材料，可將光反射到纖芯 緩沖涂層——保護(hù)光纖免受損壞和潮濕的塑料涂層
光纜中一束一束地排列了成百上千根這樣的光纖，這些光纖受光纜的外部護(hù)套（稱(chēng)為絕緣層）保護(hù)。
光纖有兩種類(lèi)型：
單模光纖 多模光纖
有關(guān)相關(guān)說(shuō)明，請(qǐng)參見(jiàn)
Tpub.com：模理論。
單模光纖的纖芯較?。ㄖ睆郊s為9微米），用于傳輸紅外
激光（波長(zhǎng)=1300到1550納米）。多模光纖的纖芯較大（直徑約為62.5微米），用于傳輸來(lái)自
發(fā)光二極管(LED)的紅外線（波長(zhǎng)=850到1300納米）。
還有些光纖可用塑料制成。這些光纖的纖芯較大（直徑為1毫米），用于傳輸來(lái)自LED的可見(jiàn)紅光（波長(zhǎng)=650納米）。
下面介紹光纖的工作原理。
光纖是如何傳輸光的？
假設(shè)您希望手電筒的光束照亮又長(zhǎng)又直的走廊，那么只需將光束順著走廊方向照去即可，光線是沿直線傳播的，這沒(méi)什么問(wèn)題；那么如果走廊不是直的呢？您可以在拐彎處放一面鏡子，在拐角周?chē)瓷涔馐荒敲慈绻呃扔泻芏喙諒澞兀磕赡苄枰貕Ψ胖迷S多面鏡子來(lái)反射光束，使其沿著走廊不斷反射。這就是光纖的工作原理。
光纖的全內(nèi)反射示意圖
光纜中的光在纖芯（走廊）中通過(guò)不斷反射到覆層（裝滿(mǎn)鏡子的墻）來(lái)進(jìn)行傳播，這就是全內(nèi)反射的原理。由于覆層并不會(huì)從纖芯中吸收任何光，因此光波能夠傳播很遠(yuǎn)的距離。然而，有些光信號(hào)在光纖內(nèi)會(huì)發(fā)生衰減，這主要是由于玻璃中含有雜質(zhì)。信號(hào)衰減的程度由玻璃的純度和傳輸?shù)墓獾牟ㄩL(zhǎng)決定（例如，850納米時(shí)衰減率為60%-75%/公里；1300納米時(shí)衰減率為50%-60%/公里；1550納米時(shí)衰減率則超過(guò)50%/公里）。有些優(yōu)質(zhì)光纖的信號(hào)衰減率非常低，1550納米時(shí)衰減率僅為不到10%/公里。
光纖中繼系統(tǒng)
若要了解光纖在通信系統(tǒng)中的使用原理，我們不妨看看二戰(zhàn)電影或檔案中的例子。艦隊(duì)中的兩艘軍艦需要互相進(jìn)行通信，而此時(shí)
無(wú)線電卻始終沒(méi)有聲音或艦隊(duì)正處于風(fēng)暴中。其中一艘在另外一艘旁邊停下，艦長(zhǎng)將消息發(fā)送給甲板上的水手，水手將消息翻譯成摩斯碼（點(diǎn)和破折號(hào)），然后使用信號(hào)燈（裝有軟百葉簾的泛光燈）將消息發(fā)送到另一艘軍艦。另一艘軍艦甲板上的水手看到摩斯碼消息后，將其解碼成英語(yǔ)并報(bào)告給艦長(zhǎng)。
現(xiàn)在，假設(shè)兩艘軍艦在海上相隔數(shù)千公里，而兩艦之間具有光纖通信系統(tǒng)。光纖中繼系統(tǒng)包括以下部件：
發(fā)送器——產(chǎn)生光信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行編碼 光纖——遠(yuǎn)距離傳導(dǎo)光信號(hào) 光學(xué)再生器——有利于推進(jìn)光信號(hào)（對(duì)于遠(yuǎn)距離） 光學(xué)接收器——接收光信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行解碼
發(fā)送器
發(fā)送器類(lèi)似于發(fā)送方軍艦甲板上的水手它接收并指導(dǎo)光學(xué)設(shè)備按正確順序“開(kāi)”和“關(guān)”燈，由此生成光信號(hào)。
發(fā)送器的物理位置與光纖相鄰，有時(shí)還會(huì)設(shè)置透鏡以便將光匯聚到光纖。激光比LED具有更多能量，但其能量大小隨溫度變化而有所不同，也更為昂貴。光信號(hào)最常見(jiàn)的波長(zhǎng)為850納米、1300納米和1550納米（紅外、
光譜中的不可見(jiàn)部分）。
光學(xué)再生器
正如上面提到的，光在光纖中傳播（例如使用海底電纜）時(shí)，會(huì)發(fā)生信號(hào)衰減，尤其是傳播距離較長(zhǎng)（約1公里）時(shí)。因此，電纜中排列了一個(gè)或多個(gè)光學(xué)再生器，以便推進(jìn)衰減的光信號(hào)。
光學(xué)再生器由采用特殊涂層（半導(dǎo)體摻雜涂層）的光纖組成，摻雜部分由
激光充能。當(dāng)衰減信號(hào)到達(dá)摻雜涂層時(shí)，激光提供的能量幫助摻雜分子成為激光。然后，摻雜分子放射出新的與傳入的弱光信號(hào)具有相同特征的強(qiáng)光信號(hào)?；旧峡梢哉f(shuō)，再生器是傳入信號(hào)的激光放大器。
光學(xué)接收器
光學(xué)接收器類(lèi)似于接收方軍艦甲板上的水手。它負(fù)責(zé)接收傳入的數(shù)字光信號(hào)，將其解碼成電子信號(hào)，然后將信號(hào)發(fā)送到其他用戶(hù)的
計(jì)算機(jī)、
電視或
電話（接收方軍艦的艦長(zhǎng)）。接收器使用光電池或光電二極管來(lái)檢測(cè)光。
光纖的優(yōu)點(diǎn)
為什么說(shuō)光纖系統(tǒng)徹底改變了電信業(yè)呢？與傳統(tǒng)金屬線纜（銅線）相比，光纖具有以下優(yōu)點(diǎn)： 成本較低——光纜造價(jià)比同等長(zhǎng)度的銅線更低。這樣就可以節(jié)省服務(wù)提供商（有線電視、互聯(lián)網(wǎng)）和您的費(fèi)用。
較纖細(xì)——光纖的直徑可比銅線更小。
傳輸性能較高——由于光纖比銅線更細(xì)，因此集合成一定直徑的電纜所用的光纖數(shù)比銅線更多。這樣，相同的電纜可以容納更多電話線路，同樣也能為有線電視盒傳輸更多頻道。
信號(hào)衰減率較低——光纖的信號(hào)衰減率比銅線低。
光信號(hào)——與銅線中的電子信號(hào)不同，同一根光纜的光纖中的光信號(hào)之間不會(huì)互相干擾。這樣可確保電話通話質(zhì)量更高，電視接收信號(hào)更清晰。
低能耗——由于光纖中的信號(hào)衰減率較低，因此可以使用低能耗發(fā)送器，而無(wú)需使用為銅線配備的高壓電發(fā)送器，這同樣能節(jié)省服務(wù)提供商和您的費(fèi)用。
數(shù)字信號(hào)——光纖是傳輸數(shù)字信息的理想介質(zhì)，對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)尤為有用。
不易燃——由于光纖中沒(méi)有電流通過(guò)，因此沒(méi)有火災(zāi)隱患。
重量更輕——光纜比相同長(zhǎng)度的銅線重量更輕。光纜在地面下占用的空間也更少。
柔軟性——由于光纖柔軟度高，同時(shí)又能傳輸和接收光，因此廣泛用于許多靈活的
數(shù)碼相機(jī)中，主要用途有： 醫(yī)學(xué)成像——用在氣管鏡、內(nèi)診鏡、腹腔鏡中 機(jī)械成像——檢查管道和發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)械焊接（用在
飛機(jī)、
火箭、
航天飛機(jī)、
汽車(chē)中） 管道工程——用于檢查下水管線
正是這些優(yōu)點(diǎn)，使得光纖在諸多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其中最突出的是電信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。例如，通過(guò)電話在美國(guó)和歐洲之間通話，并且由通信
衛(wèi)星傳輸信號(hào)時(shí)，就經(jīng)常會(huì)在線路上聽(tīng)到回音。但是通過(guò)跨大西洋光纜直接連接時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生回音。
光纖的制作過(guò)程
現(xiàn)在我們知道了光纖系統(tǒng)的工作原理以及優(yōu)點(diǎn)，那么這一切是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？光纖是由純度非常高的光學(xué)玻璃制成。我們知道玻璃窗是透明的，但是玻璃越厚，透明性就越差，因?yàn)椴Ａе泻须s質(zhì)。而光纖中的玻璃比窗戶(hù)中的玻璃純度高很多，雜質(zhì)很少。有公司這樣介紹玻璃的質(zhì)量：如果站在由固態(tài)纖芯光纖玻璃組成的、深達(dá)數(shù)公里的海洋面上，您仍能清楚地看到海底。
光纖的制作過(guò)程包括下列步驟：
制作預(yù)成形玻璃模具 從預(yù)成形模具中拉出細(xì)絲 測(cè)試細(xì)絲
制作預(yù)成形模具
預(yù)成形玻璃通過(guò)名為改進(jìn)化學(xué)汽相沉積法(MCVD)的工藝而制成。
Fibercore Ltd. 供圖
制作預(yù)成形模具的MCVD工藝
在MCVD中，通過(guò)氯化硅 (SiCl4) 溶液、氯化鍺 (GeCl4) 溶液和/或其他化學(xué)物質(zhì)生成氧氣。這種精心配制的混合物能管理各種物理和光學(xué)屬性（折射率、延展系數(shù)、熔點(diǎn)等）。然后在特制車(chē)床中將蒸氣導(dǎo)入合成硅或石英管（覆層）內(nèi)部。機(jī)床開(kāi)始旋轉(zhuǎn)后，將有一支噴槍在管外部上下移動(dòng)。噴槍產(chǎn)生的高熱將導(dǎo)致兩個(gè)變化：
Fibercore Ltd. 供圖
用于制作預(yù)成形模具的機(jī)床
硅和鍺與氧發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化硅(SiO2)和二氧化鍺(GeO2)。
二氧化硅和二氧化鍺在管內(nèi)堆積熔合，形成玻璃。
機(jī)床不斷旋轉(zhuǎn)，使得涂層均勻，模具平滑。通過(guò)在氣體傳輸系統(tǒng)（閥組、管道、封口）中使用抗腐蝕塑料，并精確控制混合物的流速和成分，可以保持玻璃的純度。預(yù)成形模具的制作過(guò)程是高度自動(dòng)化的，制作時(shí)間需數(shù)小時(shí)。待預(yù)成形模具冷卻后，還要檢查質(zhì)量控制（
折射率）。
從預(yù)成形模具中拉出細(xì)絲
完成對(duì)預(yù)成形模具的測(cè)試后，將其裝入拉絲塔架中。
用于從預(yù)成形模具中拉出光纖玻璃絲的拉絲塔架示意圖
將預(yù)成形模具下部放入石墨爐（攝氏1900到2200度），從末端開(kāi)始熔化，熔化的液珠因
重力落下。落下后，即冷卻并形成細(xì)絲。
操作人員將這些細(xì)絲穿過(guò)一系列涂層容器（緩沖涂層）和紫外固化爐，最后固定到牽引機(jī)控制的轉(zhuǎn)軸上。牽引機(jī)從加熱的預(yù)成形模具中緩緩拉出細(xì)絲，通過(guò)激光測(cè)微計(jì)測(cè)量細(xì)絲的直徑，并將測(cè)量信息反饋給牽引機(jī)，從而來(lái)精確地控制此過(guò)程。拉絲速度為10到20米/秒，成品會(huì)被纏繞在線軸上。線軸通常能承載長(zhǎng)度超過(guò)2.2公里的光纖。
測(cè)試成品光纖
成品光纖要測(cè)試以下內(nèi)容：
拉伸強(qiáng)度——必須能夠承受至少6.9x108/m2的壓力。
折射率剖面——決定數(shù)字光圈以及光學(xué)探測(cè)的屏幕
光纖幾何特征——纖芯直徑、覆層規(guī)格以及涂層直徑應(yīng)一致
衰減性——決定各種波長(zhǎng)的光信號(hào)隨距離變化的衰減程度
信息傳輸能力（帶寬）——每次可傳輸?shù)男盘?hào)量（多模光纖）
色散——將通過(guò)纖芯的光的各種波長(zhǎng)分解開(kāi)來(lái)（對(duì)于帶寬尤其重要）
操作溫度/濕度范圍
衰減性的溫度相關(guān)性
水下導(dǎo)光能力——對(duì)于海底電纜尤其重要
光纖通過(guò)質(zhì)量控制之后，將銷(xiāo)售給電話公司、電纜公司和網(wǎng)絡(luò)提供商。很多公司當(dāng)前都在將基于銅線的舊系統(tǒng)替換為基于光纖的新系統(tǒng)，以提高速度、能力和清晰度。
全內(nèi)反射的物理意義
光從具有某種
折射率(m1)的介質(zhì)傳輸?shù)搅硪环N具有較低折射率(m2)的介質(zhì)時(shí)，會(huì)從一條與表面垂直的假想線（法線）開(kāi)始發(fā)生彎曲或
折射。通過(guò)m1的光線與法線之間的夾角越大，通過(guò)m2折射的光線就偏離法線越遠(yuǎn)。
在某個(gè)特定角度（臨界角），折射光將不再進(jìn)入m2，而是沿兩種介質(zhì)之間的表面?zhèn)鞑ィ╯ine[臨界角]=n2/n1，其中n1和n2是折射率[n1 大于 n2]）。如果通過(guò)m1的光線大于臨界角，則折射光將全部返回到m1（全內(nèi)反射），即使m2是透明的！
從物理意義上來(lái)講，臨界角是根據(jù)法線確定的。在光纖中，臨界角是根據(jù)沿光纖中部的平行軸心確定的。因此，光纖臨界角=（90度-物理臨界角）。
光纖中的全內(nèi)反射
在光纖中，由于光線的角度通常大于臨界角，因此光能通過(guò)不斷從覆層（m2，折射率較低）反射在纖芯（m1，折射率高）中傳播。不管光纖本身的彎曲程度如何，即使彎成圓形，光線也能從覆層反射。
由于覆層并不會(huì)從纖芯中吸收任何光，因此光波能夠傳播很遠(yuǎn)的距離。然而，有些光信號(hào)在光纖內(nèi)會(huì)發(fā)生衰減，這主要是由于玻璃中含有雜質(zhì)。信號(hào)衰減的程度由玻璃的純度和傳輸?shù)墓獾牟ㄩL(zhǎng)決定（例如，850納米時(shí)衰減率為60%到75%/公里；1300納米時(shí)的衰減率為50%到60%/公里；1550納米時(shí)衰減率超過(guò)50%/公里）。有些優(yōu)質(zhì)光纖的信號(hào)衰減率非常低，1550納米時(shí)衰減率不到10%/公里。
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