一文了解光纤通信

弱电智能化系统中，当链路传输距离超过100米后，我们就会考虑使用光纤传输，光纤具有抗干扰能力强，传输距离远，带宽大等优势，今天我们就来一起聊聊光纤的基础知识！

光纤

光纤是一种柔软、纤细的固态玻璃介质，主要是由涂覆层、纤芯、包层3部分组成，利用光在玻璃或塑料纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用在长距离的信息传递。光纤，完整名称叫做光导纤维，英文名是OPTIC FIBER。

它是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。

光纤的主要用途，是通信。目前通信用的光纤，基本上是石英系光纤，其主要成分是高纯度石英玻璃，即二氧化硅(SiO2) 。

光纤通信系统，就是利用光纤来传输携带信息的光波，以达到通信的目的。

也许有人会说：我只用4G上网，不用光纤。其实不然，4G信号只是从基站到你的手机，基站到基站的连接全部是由光纤完成。你要是想从广州到北京给朋友发一条消息，先用4G发到广州的基站，然后通过光纤一路走到北京，再由北京的基站发送4G信号到对方的手机。即使你给广州的朋友发消息，也离不开光纤，因为4G的基站覆盖范围不大（大约1-3公里），你们很可能处于不同基站的覆盖下；而将来5G信号的基站覆盖范围可能只有100-300米，光纤的作用也愈发重要。

光能传得很远，且还很少衰减

我们日常上网可能体会不到光纤的优越性，因为4G网已经相当快了。但4G速度快的代价是覆盖范围小，因为无线信号向四面八方扩散，显然会很快地衰减，不能输送到很远的地方，换句话说，虽然我们用的4G网速很快，但一个基站只要管一块小区域内为数不多的人，所以实际提供的带宽并不大。就好比你家里的路由器，自己用还挺快，但如果来了很多客人一起抢就会变卡；在人很密集的地区，手机信号也会很差。带宽一定的情况下，用户越少，分配到每个人的“网速”也就越大。所以4G网速快的前提是每个基站所要管的人不多。

而在背后支持全国299万个4G基站的，正是深埋地下的光纤。之前的超能课堂已经讲过，无线信号的频率较低，所能提供的带宽也较小，目前最好的4G网络带宽也不过100Mbps，5G可以达到1Gbps，网线则最大可以达到10Gbps。而由于光的频段极高（比如可见光的频率为380-790THz），理论上能提供几乎是无限大的带宽，所以一根直径为8微米的普通光纤，可以轻松达到10Tbps的带宽，这是4G的十万倍、5G带宽的一万倍！

光纤传输的原理很简单：全反射

其实光纤的原理很简单，利用的就是我们生活中最简单的折射现象。筷子插进水中会变弯，是因为筷子反射的光线在进入空气时发生了折射，如下图，由S点发出的光线，在人眼看来就好像是在S’一样，这也是为什么看游泳池的水底好像总是很浅，跳下去才知道不是那么回事。

现在各位试想这样一个情况，如果从水中往空气射的这根光线和水面的夹角很小，会出现什么结果？

没错，按照折射的规律，当这根光线过于倾斜的时候，就没办法再折射出去了！这种现象就叫全反射，所有能量都被反射而不会从边界泄露（折射）出去。光纤就是这样一种结构以利用全反射来实现光的长距离传输。光纤的结构因此是超简单，理论上有“水”和“空气”就可以了，在光纤结构中，“水”就是纤芯，“空气”就是包层。

光纤纤芯的折射率高，就像水一样，而包层的折射率低，就像空气一样，当光在其中传输的时候，满足一定的角度关系，就会发生全反射现象，光就能很好地约束在光纤中而不泄露了。光纤的结构因而也非常简单，纤芯就是纯度很高的石英玻璃，包层则是一些特殊工艺涂覆在纤芯上的化学材料，既可以满足折射率全反射的光学要求，还能起到保护纤芯的作用，否则比头发丝还细好多倍的玻璃纤芯很容易折断。最外层的保护套则跟普通网线差不多。

电缆通信的中继距离只有几千米，因为长距离的电缆不可避免地会有很大的电阻导致电信号衰减；最长的微波通信（收音机）是 50 千米左右；而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千米，正是因为光纤对光的限制保护作用，使得在很长的距离内光都很少衰减。

光通信的原理其实和所有其他通信是一样的，因为光本身是电磁波——比如在网线中我们传输的是电脉冲，而光通信就是把代表信息的电脉冲先注入到激光器中，通过电脉冲控制激光器的输出光，就把信息调制到了光（载波）上，经过光纤传输到目的地，再把光中的信息解调成电信号，就可以被我们的计算机识别了。

光纤的优势还很多

1、抗电磁干扰能力强。对于通信系统而言，最主要的干扰是电磁干扰。电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设，因为电磁干扰会影响通信系统。光纤属绝缘体，不怕雷电和高压，电磁干扰不了频率比它们高得多的光信号。

2、保密性强。只要在电缆附近 (甚至几公里以外) 设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。无线电波更是在大气中传播，甚至充斥全球，很容易被人窃听。光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波，要想获取光纤中的信息，就必须破坏光纤，这样就立刻被发现了。

3、体积小重量轻。电缆每米重11千克，而同等容量的光缆每米重90克，铺设起来方便。

4、原材料成本低。电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用50年左右；光纤主材：普通的石英砂，它在地壳的化学成分中占了一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭。

光纤除了通信领域，还在其他很多领域都有重要应用。比如激光手术时，有时需要手术的部位在人体腔道内，这就要求激光能拐弯，就需要用到光纤了。

光纤的基本结构

光纤裸纤一般分为三层：纤芯、包层和涂覆层。

光纤结构

光纤纤芯和包层是由不同折射率的玻璃组成，中心为高折射率玻璃纤芯(掺锗二氧化硅)，中间为低折射率硅玻璃包层(纯二氧化硅)。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（由于包层的折射率稍低于纤芯），从而可以在光纤中传播。

光纤的传输特性

光纤有两个主要的传输特性：损耗和色散。光纤的损耗是指光纤每单位长度上的衰减，单位为dB/km。光纤损耗的高低直接影响到光纤通信系统传输距离或中继站间隔距离的远近。光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号的畸变。

光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。信号不是单一模式会引起模式色散。单模光纤只传单一基模，所以只有材料色散和波导色散，没有模式色散。而多模光纤则存在模间色散。光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。

单模光纤（SM Fiber）

单模光纤(Single 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，当直径较小时，只允许一个方向的光通过，即为单模光纤；单模光纤的中心玻璃芯很细，芯径一般为8.5或9.5μm，并在1310和1550nm的波长下工作。

多模光纤（MM Fiber）

多模光纤(Multi Mode Fiber)，就是允许有多个导模传输的光纤。多模光纤的纤芯直径一般为50μm/62.5μm，由于多模光纤的芯径较大，可容许不同模式的光于一根光纤上传输。多模的标准波长分别为850nm和1300nm。还有一种新的多模光纤标准，称为WBMMF(宽带多模光纤)，它使用的波长在850nm到953nm之间。

单模光纤和多模光纤，两者的包层直径都为125μm。

单模光纤和多模光纤

使用光纤有哪些优点?

1) 光纤的通频带很宽，理论可达30T。

2) 无中继支持长度可达几十到上百公里，铜线只有几百米。

3) 不受电磁场和电磁辐射的影响。

4) 重量轻，体积小。

5) 光纤通讯不带电，使用安全可用于易燃，易暴等场所。

6) 使用环境温度范围宽。

7) 使用寿命长。

如何选择光缆?

光缆的选择除了根据光纤芯数和光纤种类以外，还要根据光缆的使用环境来选择光缆的结构和外护套。

　　1)户外用光缆直埋时，宜选用松套铠装光缆。架空时，可选用带两根或多根加强筋的黑色PE外护套的松套光缆。

　　2)建筑物内用的光缆在选用时应选用紧套光缆并注意其阻燃、毒和烟的特性。一般在管道中或强制通风处可选用阻燃但有烟的类型(Plenum)或可燃无毒的类型(LSZH)，暴露的环境中应选用阻燃、无毒和无烟的类型(Riser)。

　　3)楼内垂直或水平布缆时，可选用与建筑物内通用的紧套光缆、配线光缆或分支光缆时。

　　4)根据网络应用和光缆应用参数选择单模和多模光缆，通常室内和短距离应用以多模光缆为主，室外和长距离应用以单模光缆为主。

传输距离

单模光纤的直径较小使反射更加紧密，仅允许一种模式的光传播，从而使光信号传播的更远。随着光穿过纤芯而产生的光反射数量减少，降低了衰减并产生了信号进一步传播。由于其没有模间色散或模间色散很小，单模光纤可以传输40公里甚至更远的距离而不影响信号，因此单模光纤一般用于长距离的数据传输，广泛应用于电信公司、有线电视提供商和高等院校等。

多模光纤具有较大的直径芯，可以传播多种模式的光。在多模传输下，由于纤芯尺寸较大，模间色散较大，即光信号“扩散”较快。长距离传输时信号的质量会降低，因此多模光纤通常用于短距离、音频/视频应用和局域网(LANs)，且OM3/OM4/OM5多模光纤可支持高速率数据传输。

带宽、容量

带宽被定义为承载信息的能力。影响光纤传输带宽度的主要因素是各种色散，而其中的模式色散最为重要，单模光纤的色散小，故能把光以很宽的频带传输很长距离。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。最新一代的多模光纤带宽OM5设置为28000MHz/km，而单模光纤带宽则要大的多。

成本

如果单模光纤具有更高的带宽，并且传输距离更远，那为何还需要多模光纤？成本或许就是这个问题的关键。由于单模光纤芯径太小，较难控制光束传输，故需要激光作为光源体。由于光端机非常昂贵，故采用单模光纤的成本会比多模光纤光缆的成本高。这一事实促使大多数数据中心使用多模光纤来节省成本。

选择哪种模式的光纤，更多的取决于所需要的应用环境。