school of medicine:什么是光纤？

光纤是又细又长而且非常纯的玻璃丝，直径和人的头发相仿。光纤成束排列在光缆中，用于远距离传输光信号。

单根光纤的组成部分
近距离观察单根光纤时，可以看到它具有以下部分：
纤芯——光纤的细玻璃中心，光在此传播 覆层——覆盖纤芯的外部光学材料，可将光反射到纤芯 缓冲涂层——保护光纤免受损坏和潮湿的塑料涂层
光缆中一束一束地排列了成百上千根这样的光纤，这些光纤受光缆的外部护套（称为绝缘层）保护。
光纤有两种类型：
单模光纤 多模光纤
有关相关说明，请参见Tpub.com：模理论。
单模光纤的纤芯较小（直径约为9微米），用于传输红外激光（波长=1300到1550纳米）。多模光纤的纤芯较大（直径约为62.5微米），用于传输来自发光二极管(LED)的红外线（波长=850到1300纳米）。
还有些光纤可用塑料制成。这些光纤的纤芯较大（直径为1毫米），用于传输来自LED的可见红光（波长=650纳米）。
下面介绍光纤的工作原理。
光纤是如何传输光的？

假设您希望手电筒的光束照亮又长又直的走廊，那么只需将光束顺着走廊方向照去即可，光线是沿直线传播的，这没什么问题；那么如果走廊不是直的呢？您可以在拐弯处放一面镜子，在拐角周围反射光束；那么如果走廊有很多拐弯呢？您可能需要沿墙放置许多面镜子来反射光束，使其沿着走廊不断反射。这就是光纤的工作原理。

光纤的全内反射示意图
光缆中的光在纤芯（走廊）中通过不断反射到覆层（装满镜子的墙）来进行传播，这就是全内反射的原理。由于覆层并不会从纤芯中吸收任何光，因此光波能够传播很远的距离。然而，有些光信号在光纤内会发生衰减，这主要是由于玻璃中含有杂质。信号衰减的程度由玻璃的纯度和传输的光的波长决定（例如，850纳米时衰减率为60%-75%/公里；1300纳米时衰减率为50%-60%/公里；1550纳米时衰减率则超过50%/公里）。有些优质光纤的信号衰减率非常低，1550纳米时衰减率仅为不到10%/公里。
光纤中继系统

若要了解光纤在通信系统中的使用原理，我们不妨看看二战电影或档案中的例子。舰队中的两艘军舰需要互相进行通信，而此时无线电却始终没有声音或舰队正处于风暴中。其中一艘在另外一艘旁边停下，舰长将消息发送给甲板上的水手，水手将消息翻译成摩斯码（点和破折号），然后使用信号灯（装有软百叶帘的泛光灯）将消息发送到另一艘军舰。另一艘军舰甲板上的水手看到摩斯码消息后，将其解码成英语并报告给舰长。
现在，假设两艘军舰在海上相隔数千公里，而两舰之间具有光纤通信系统。光纤中继系统包括以下部件：
发送器——产生光信号并对其进行编码 光纤——远距离传导光信号 光学再生器——有利于推进光信号（对于远距离） 光学接收器——接收光信号并对其进行解码
发送器
发送器类似于发送方军舰甲板上的水手它接收并指导光学设备按正确顺序“开”和“关”灯，由此生成光信号。
发送器的物理位置与光纤相邻，有时还会设置透镜以便将光汇聚到光纤。激光比LED具有更多能量，但其能量大小随温度变化而有所不同，也更为昂贵。光信号最常见的波长为850纳米、1300纳米和1550纳米（红外、光谱中的不可见部分）。
光学再生器
正如上面提到的，光在光纤中传播（例如使用海底电缆）时，会发生信号衰减，尤其是传播距离较长（约1公里）时。因此，电缆中排列了一个或多个光学再生器，以便推进衰减的光信号。
光学再生器由采用特殊涂层（半导体掺杂涂层）的光纤组成，掺杂部分由激光充能。当衰减信号到达掺杂涂层时，激光提供的能量帮助掺杂分子成为激光。然后，掺杂分子放射出新的与传入的弱光信号具有相同特征的强光信号。基本上可以说，再生器是传入信号的激光放大器。
光学接收器
光学接收器类似于接收方军舰甲板上的水手。它负责接收传入的数字光信号，将其解码成电子信号，然后将信号发送到其他用户的计算机、电视或电话（接收方军舰的舰长）。接收器使用光电池或光电二极管来检测光。
光纤的优点

为什么说光纤系统彻底改变了电信业呢？与传统金属线缆（铜线）相比，光纤具有以下优点： 成本较低——光缆造价比同等长度的铜线更低。这样就可以节省服务提供商（有线电视、互联网）和您的费用。
较纤细——光纤的直径可比铜线更小。
传输性能较高——由于光纤比铜线更细，因此集合成一定直径的电缆所用的光纤数比铜线更多。这样，相同的电缆可以容纳更多电话线路，同样也能为有线电视盒传输更多频道。
信号衰减率较低——光纤的信号衰减率比铜线低。
光信号——与铜线中的电子信号不同，同一根光缆的光纤中的光信号之间不会互相干扰。这样可确保电话通话质量更高，电视接收信号更清晰。
低能耗——由于光纤中的信号衰减率较低，因此可以使用低能耗发送器，而无需使用为铜线配备的高压电发送器，这同样能节省服务提供商和您的费用。
数字信号——光纤是传输数字信息的理想介质，对于计算机网络尤为有用。
不易燃——由于光纤中没有电流通过，因此没有火灾隐患。
重量更轻——光缆比相同长度的铜线重量更轻。光缆在地面下占用的空间也更少。
柔软性——由于光纤柔软度高，同时又能传输和接收光，因此广泛用于许多灵活的数码相机中，主要用途有： 医学成像——用在气管镜、内诊镜、腹腔镜中 机械成像——检查管道和发动机中的机械焊接（用在飞机、火箭、航天飞机、汽车中） 管道工程——用于检查下水管线
正是这些优点，使得光纤在诸多行业中得到广泛应用，其中最突出的是电信和计算机网络。例如，通过电话在美国和欧洲之间通话，并且由通信卫星传输信号时，就经常会在线路上听到回音。但是通过跨大西洋光缆直接连接时就不会产生回音。
光纤的制作过程

现在我们知道了光纤系统的工作原理以及优点，那么这一切是怎么实现的呢？光纤是由纯度非常高的光学玻璃制成。我们知道玻璃窗是透明的，但是玻璃越厚，透明性就越差，因为玻璃中含有杂质。而光纤中的玻璃比窗户中的玻璃纯度高很多，杂质很少。有公司这样介绍玻璃的质量：如果站在由固态纤芯光纤玻璃组成的、深达数公里的海洋面上，您仍能清楚地看到海底。
光纤的制作过程包括下列步骤：
制作预成形玻璃模具 从预成形模具中拉出细丝 测试细丝
制作预成形模具
预成形玻璃通过名为改进化学汽相沉积法(MCVD)的工艺而制成。

Fibercore Ltd. 供图
制作预成形模具的MCVD工艺
在MCVD中，通过氯化硅 (SiCl4) 溶液、氯化锗 (GeCl4) 溶液和/或其他化学物质生成氧气。这种精心配制的混合物能管理各种物理和光学属性（折射率、延展系数、熔点等）。然后在特制车床中将蒸气导入合成硅或石英管（覆层）内部。机床开始旋转后，将有一支喷枪在管外部上下移动。喷枪产生的高热将导致两个变化：

Fibercore Ltd. 供图
用于制作预成形模具的机床
硅和锗与氧发生反应，生成二氧化硅(SiO2)和二氧化锗(GeO2)。
二氧化硅和二氧化锗在管内堆积熔合，形成玻璃。
机床不断旋转，使得涂层均匀，模具平滑。通过在气体传输系统（阀组、管道、封口）中使用抗腐蚀塑料，并精确控制混合物的流速和成分，可以保持玻璃的纯度。预成形模具的制作过程是高度自动化的，制作时间需数小时。待预成形模具冷却后，还要检查质量控制（折射率）。
从预成形模具中拉出细丝
完成对预成形模具的测试后，将其装入拉丝塔架中。

用于从预成形模具中拉出光纤玻璃丝的拉丝塔架示意图
将预成形模具下部放入石墨炉（摄氏1900到2200度），从末端开始熔化，熔化的液珠因重力落下。落下后，即冷却并形成细丝。

操作人员将这些细丝穿过一系列涂层容器（缓冲涂层）和紫外固化炉，最后固定到牵引机控制的转轴上。牵引机从加热的预成形模具中缓缓拉出细丝，通过激光测微计测量细丝的直径，并将测量信息反馈给牵引机，从而来精确地控制此过程。拉丝速度为10到20米/秒，成品会被缠绕在线轴上。线轴通常能承载长度超过2.2公里的光纤。
测试成品光纤
成品光纤要测试以下内容：
拉伸强度——必须能够承受至少6.9x108/m2的压力。
折射率剖面——决定数字光圈以及光学探测的屏幕
光纤几何特征——纤芯直径、覆层规格以及涂层直径应一致
衰减性——决定各种波长的光信号随距离变化的衰减程度
信息传输能力（带宽）——每次可传输的信号量（多模光纤）
色散——将通过纤芯的光的各种波长分解开来（对于带宽尤其重要）
操作温度/湿度范围
衰减性的温度相关性
水下导光能力——对于海底电缆尤其重要
光纤通过质量控制之后，将销售给电话公司、电缆公司和网络提供商。很多公司当前都在将基于铜线的旧系统替换为基于光纤的新系统，以提高速度、能力和清晰度。
全内反射的物理意义

光从具有某种折射率(m1)的介质传输到另一种具有较低折射率(m2)的介质时，会从一条与表面垂直的假想线（法线）开始发生弯曲或折射。通过m1的光线与法线之间的夹角越大，通过m2折射的光线就偏离法线越远。
在某个特定角度（临界角），折射光将不再进入m2，而是沿两种介质之间的表面传播（sine[临界角]=n2/n1，其中n1和n2是折射率[n1 大于 n2]）。如果通过m1的光线大于临界角，则折射光将全部返回到m1（全内反射），即使m2是透明的！
从物理意义上来讲，临界角是根据法线确定的。在光纤中，临界角是根据沿光纤中部的平行轴心确定的。因此，光纤临界角=（90度-物理临界角）。

光纤中的全内反射
在光纤中，由于光线的角度通常大于临界角，因此光能通过不断从覆层（m2，折射率较低）反射在纤芯（m1，折射率高）中传播。不管光纤本身的弯曲程度如何，即使弯成圆形，光线也能从覆层反射。
由于覆层并不会从纤芯中吸收任何光，因此光波能够传播很远的距离。然而，有些光信号在光纤内会发生衰减，这主要是由于玻璃中含有杂质。信号衰减的程度由玻璃的纯度和传输的光的波长决定（例如，850纳米时衰减率为60%到75%/公里；1300纳米时的衰减率为50%到60%/公里；1550纳米时衰减率超过50%/公里）。有些优质光纤的信号衰减率非常低，1550纳米时衰减率不到10%/公里。
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