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[摘 要]近年来随着IP业务量的爆炸式增长，电信网正开始向下一代可持续发展的方向发展。光传输网是下一代网络的物理基础。光纤通信即将进入蓬勃发展的新高潮。本文主要介绍光纤通信的原理、优点、种类以及常见的光纤故障。
[关键词]光纤通信 原理 种类 特性
中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0367-02
光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。1966年英籍华人高锟博士首次提出了光导纤维的概念。1970年，美国康宁公司生产出了衰减为20dB/km的光导纤维，同年美国贝尔实验室实现了GaA1As半导体激光器室温下的连续工作。这两项重要成果的问世，揭开了光纤通信的序幕，一种崭新的通信方式由此诞生。
光纤通信系统经历了四代的变更，1973年～1976年研制成功的波长850nm速率为45Mbit/s的多模光纤系统称为第一代光纤通信系统；1976年～1982年第二代光纤通信系统投入使用，其波长1300nm，损耗为0.5dB/km，最小色散值近似为零，可传输中等码速的数字信号；自1982年开始，长波长单模光纤通信系统开始在世界各地陆续商用，其波长为1310nm，可传输准同步数字体系（PDH）的140Mbit～565Mbit/s的较高速信号，中继距离为50km左右，这种系统称为第三代光纤通信系统；1991年出现了第四代光纤通信系统，即同步数字体系（SDH）的光纤通信系统，目前正处于实用化的高潮阶段，最高速率已达2.5Gbit/s。
长途光纤数字通信系统的基本组成图如下所示：
其简单工作原理为：电发射端机将用户信息进行模/数转换和时分复用，光发射端机将含有用户信息的电信号转变成光信号送入光纤，光信号在光纤中传输并通过中继器到光接收端机，然后将接收到的光信号转变成电信号，经放大和处理后输出相应的电信号。电接收端机的作用是完成数/模变换和信息分路，将所传信号送给相应的用户，从而完成整个传输过程。
光纤通信之所以能够飞速发展，是由于它具有以下的突出优点而决定。
1.传输频带宽、通信容量大
由信息理论知道，载波频率越高通信容量越大，因目前使用的光波频率比微波频率高103～104倍，所以通信容量约可增加103～104 倍。
2.损耗低
目前使用的光纤均为SiO2（石英）系光纤，要减少光纤损耗，主要是靠提高玻璃纤维的纯度来达到，由于目前制成的SiO2玻璃介质的纯净度高，所以光纤的损耗极低。在光波长λ=1.55μm附近，衰减有最低点，可低至0.2dB/km，已接近理论极限值。
由于光纤的损耗低且是非金属的介质材料，因此，中继距离可以很长，在通信线路中可减少中继站的数量，降低成本且提高了通信质量，不受电磁的干扰。
3.线径细、重量轻
由于光纤的直径很小，只有0.1mm左右，因此制成光缆后，直
径要比电缆细，而且重量也轻。这样在长途干线或市内干线上，空间利用率高，而且便于制造多芯光缆。
4.资源丰富
光纤通信除上述主要优点之外，还有抗化学腐蚀等特点。当然，光纤本身也有缺点，如光纤质地脆、机械强度低；要求比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。但这些问题随着技术的不断发展，都是可以克服的。
一.光纤的结构
目前通信用的光纤是石英玻璃（SiO2）制成的横截面很小的双层同心圆柱体。未经涂覆和套塑料时称为裸光纤，由纤芯和包层组成。由于石英玻璃质地脆、易断裂，为了保护光纤表面，提高抗拉强度以及便于使用，一般需在裸光纤外面进行两次涂覆而构成光纤芯线，光纤芯线是由纤芯、包层、涂覆层及套塑四部分组成。
二.光纤的种类
1.光纤按照折射率分布不同来分均匀光纤（突变型光纤）和非均匀光纤（渐变形光纤）两种。
2.光纤按照传输的总模数来分单模光纤和多模光纤。
单模光纤（SM———Single-mode fiber）
单模光纤的纤芯直径很小约为4～10μm，理论上只传输一种模式。由于单模光纤只传输主模，从而完全避免了模式色散，使得这种光纤的传输频带很宽，传输容量很大，适用于大容量、长距离的光纤通信。
目前，ITU-T已经在G.652、G.653、G.654和G.655中分别定义了4种不同设计的单模光纤。其中G.652光纤就是目前广泛使用的单模光纤，称为1310nm波长性能最佳的单模光纤，它同时具有1310nm和1550nm两个窗口，零色散点位于1310nm窗口，而最小衰减窗口位于1550nm窗口；G.653光纤称为1550nm波长性能最佳的单模光纤，主要应用于1550nm工作波长区；G.654光纤称为截止波长移位单模光纤，主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信；G.655光纤是非零色散移位单模光纤，适于密集波分复用（DWDM）系统应用。
多模光纤（MM———Multi-mode fiber）
在一定的工作波长下，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。多模光纤的纤芯直径一般为50～75μm。多模光纤剖面折射率的分布，有均匀的和非均匀的，前者称为多模均匀光纤，后者称为多模非均匀光纤。
三.光纤的损耗特性和色散特性
损耗特性和色散特性是光纤的两个主要特性。
1.光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光纤的每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离的长短。
形成光纤损耗的原因很多，有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。 2.光纤的色散特性 光纤中光信号中的不同频率成分或不同模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。
这种现象表现在传一个脉冲信号时，光脉冲将随着传输距离的延长，脉冲的宽度越来越被展现。
光纤的色散包括模式色散、材料色散和波导色散三种。
四.光缆的结构和种类
为了把光纤敷设到实际线路中，并在运行中经受实际环境的侵扰，必须对被覆盖光纤再施保护，做成光缆。光缆的种类很多，但不论光缆的具体结构形式如何，都是由缆芯、护套和加强元件组成。
按照缆中光纤数分为单芯光缆和多芯光缆。
按照缆芯的结构分层绞式光缆、单位式光缆、骨架式光缆和带状式光缆。
五.常用测试仪表的用途和常见的光纤故障
对运行中光缆线路的维护主要是及时发现问题和正确处理问题。
光线路出现问题的主要表现是系统传输的误码率突然增加，甚至完全中断，从而在端机上发生相应告警。在确认不是端机引起的事故后，便可着手检查线路故障。
检查线路故障的主要方法是用OTDR对线路进行测试。因此，维护人员对OTDR的使用和显示曲线的分析一定要很熟练。
1.光时域反射仪（OTDR）简称光时域计，它是通过被测光纤中产生的背向瑞利散射信号来工作的，所以又叫做背向散射仪。主要用来测量光纤的长度、光纤故障点、光纤衰耗以及光纤接头损耗等。是光纤生产、施工和维护中不可缺少的仪表。
OTDR由激光源将一束光脉冲发射到被测光纤中。通常要选择脉冲的宽度。由被测光纤链路特性及光纤本身特性反射回的信号返回OTDR。信号通过一耦合器到接收机，在那里光信号被转换为电信号。最后经分析并显示在屏幕上。
由时间值乘以光在光纤中的速度即得到距离，这样，OTDR可以显示返回的相对光功率对距离的关系。有了这个信息，就可得出有关链路的非常重要的特性如下：
距离：链路上特征点（如接头、弯曲点等）的位置，链路的距离等。
（1）损耗：单个光纤接头的损耗。
（2）衰减：链路中光纤的衰减。
（3）反射：一事件的反射大小，如活接头。
2.光功率计 光通信离不开光功率这个重要参数。发送机输出光功率、接收光功率、接收灵敏度和动态范围的测量，实际上也是在满足一定误码率条件下测量能接收的最小光功率和最大光功率。光纤衰耗、接头衰耗的测量、实际上也是测量光纤两端的光功率。而光功率计就是测量光功率的仪表，所以它是光通信科研、生产、施工维护中必备的仪表之一。
测量光功率有热学法和光电法。热学法在波长特性、测量精度等方面比较好，但响应速度慢、灵敏度低、设备体积大。光电法有较快的响应速度、良好的线形特性而且灵敏度高、测量范围大，但其波长特性和测量精度方面不如热学法。因此根据热学法制成的光功率计一般均作为标准光功率计。
3.最为常见的光纤故障
光纤故障排除是一个复杂的过程，因此知道从什么地方入手寻找故障非常重要。这里介绍一些最常见的光纤故障以及产生这些故障的可能因素：
⑴光纤断裂通常是由于外力物理挤压或过度弯折；
⑵传输功率不足；
⑶光纤铺设距离过长可能造成信号丢失；
⑷连接器受损可能造成信号丢失；
⑸光纤接头和连接器（connectors）故障可能造成信号丢失；
⑹使用过多的光纤接头和连接器可能造成信号丢失；
⑺光纤配线盘（patch panel）或熔接盘（splice tra）连接处故障。
通常而言，如果连接完全不通，那么很可能是光纤断裂。但如果连接时断时续，可能有以下原因：
⑴结合处制作水平低劣或结合次数过多造成光纤衰减严重；
⑵由于灰尘、指纹、擦伤、湿度等因素损伤了连接器；
⑶传输功率过低；
⑷在配线间连接器错误。
六.结束语
近年来超大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一里程碑。不仅彻底开发了无穷无尽的光传输线路的容量，而且也成为IP业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础。近几年来随着IP业务量的爆炸式增长，电信网正开始向下一代可持续发展的方向发展，而构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础。从光纤通信的发展现状与趋势来看，完全有理由认为光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新高潮。而这一次发展高潮涉及的范围更广，技术更新更难，影响力更大和影响面更宽，势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局，也将对下一世纪的社会经济发展产生巨大影响。
参考文献
[1] 《光纤通信》 人民邮电出版社.
[2] 《光通信设备维护》 人民邮电出版社.
[关键词]光纤通信 原理 种类 特性
中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0367-02
光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。1966年英籍华人高锟博士首次提出了光导纤维的概念。1970年，美国康宁公司生产出了衰减为20dB/km的光导纤维，同年美国贝尔实验室实现了GaA1As半导体激光器室温下的连续工作。这两项重要成果的问世，揭开了光纤通信的序幕，一种崭新的通信方式由此诞生。
光纤通信系统经历了四代的变更，1973年～1976年研制成功的波长850nm速率为45Mbit/s的多模光纤系统称为第一代光纤通信系统；1976年～1982年第二代光纤通信系统投入使用，其波长1300nm，损耗为0.5dB/km，最小色散值近似为零，可传输中等码速的数字信号；自1982年开始，长波长单模光纤通信系统开始在世界各地陆续商用，其波长为1310nm，可传输准同步数字体系（PDH）的140Mbit～565Mbit/s的较高速信号，中继距离为50km左右，这种系统称为第三代光纤通信系统；1991年出现了第四代光纤通信系统，即同步数字体系（SDH）的光纤通信系统，目前正处于实用化的高潮阶段，最高速率已达2.5Gbit/s。
长途光纤数字通信系统的基本组成图如下所示：
其简单工作原理为：电发射端机将用户信息进行模/数转换和时分复用，光发射端机将含有用户信息的电信号转变成光信号送入光纤，光信号在光纤中传输并通过中继器到光接收端机，然后将接收到的光信号转变成电信号，经放大和处理后输出相应的电信号。电接收端机的作用是完成数/模变换和信息分路，将所传信号送给相应的用户，从而完成整个传输过程。
光纤通信之所以能够飞速发展，是由于它具有以下的突出优点而决定。
1.传输频带宽、通信容量大
由信息理论知道，载波频率越高通信容量越大，因目前使用的光波频率比微波频率高103～104倍，所以通信容量约可增加103～104 倍。
2.损耗低
目前使用的光纤均为SiO2（石英）系光纤，要减少光纤损耗，主要是靠提高玻璃纤维的纯度来达到，由于目前制成的SiO2玻璃介质的纯净度高，所以光纤的损耗极低。在光波长λ=1.55μm附近，衰减有最低点，可低至0.2dB/km，已接近理论极限值。
由于光纤的损耗低且是非金属的介质材料，因此，中继距离可以很长，在通信线路中可减少中继站的数量，降低成本且提高了通信质量，不受电磁的干扰。
3.线径细、重量轻
由于光纤的直径很小，只有0.1mm左右，因此制成光缆后，直
径要比电缆细，而且重量也轻。这样在长途干线或市内干线上，空间利用率高，而且便于制造多芯光缆。
4.资源丰富
光纤通信除上述主要优点之外，还有抗化学腐蚀等特点。当然，光纤本身也有缺点，如光纤质地脆、机械强度低；要求比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。但这些问题随着技术的不断发展，都是可以克服的。
一.光纤的结构
目前通信用的光纤是石英玻璃（SiO2）制成的横截面很小的双层同心圆柱体。未经涂覆和套塑料时称为裸光纤，由纤芯和包层组成。由于石英玻璃质地脆、易断裂，为了保护光纤表面，提高抗拉强度以及便于使用，一般需在裸光纤外面进行两次涂覆而构成光纤芯线，光纤芯线是由纤芯、包层、涂覆层及套塑四部分组成。
二.光纤的种类
1.光纤按照折射率分布不同来分均匀光纤（突变型光纤）和非均匀光纤（渐变形光纤）两种。
2.光纤按照传输的总模数来分单模光纤和多模光纤。
单模光纤（SM———Single-mode fiber）
单模光纤的纤芯直径很小约为4～10μm，理论上只传输一种模式。由于单模光纤只传输主模，从而完全避免了模式色散，使得这种光纤的传输频带很宽，传输容量很大，适用于大容量、长距离的光纤通信。
目前，ITU-T已经在G.652、G.653、G.654和G.655中分别定义了4种不同设计的单模光纤。其中G.652光纤就是目前广泛使用的单模光纤，称为1310nm波长性能最佳的单模光纤，它同时具有1310nm和1550nm两个窗口，零色散点位于1310nm窗口，而最小衰减窗口位于1550nm窗口；G.653光纤称为1550nm波长性能最佳的单模光纤，主要应用于1550nm工作波长区；G.654光纤称为截止波长移位单模光纤，主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信；G.655光纤是非零色散移位单模光纤，适于密集波分复用（DWDM）系统应用。
多模光纤（MM———Multi-mode fiber）
在一定的工作波长下，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。多模光纤的纤芯直径一般为50～75μm。多模光纤剖面折射率的分布，有均匀的和非均匀的，前者称为多模均匀光纤，后者称为多模非均匀光纤。
三.光纤的损耗特性和色散特性
损耗特性和色散特性是光纤的两个主要特性。
1.光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光纤的每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离的长短。
形成光纤损耗的原因很多，有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。 2.光纤的色散特性 光纤中光信号中的不同频率成分或不同模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。
这种现象表现在传一个脉冲信号时，光脉冲将随着传输距离的延长，脉冲的宽度越来越被展现。
光纤的色散包括模式色散、材料色散和波导色散三种。
四.光缆的结构和种类
为了把光纤敷设到实际线路中，并在运行中经受实际环境的侵扰，必须对被覆盖光纤再施保护，做成光缆。光缆的种类很多，但不论光缆的具体结构形式如何，都是由缆芯、护套和加强元件组成。
按照缆中光纤数分为单芯光缆和多芯光缆。
按照缆芯的结构分层绞式光缆、单位式光缆、骨架式光缆和带状式光缆。
五.常用测试仪表的用途和常见的光纤故障
对运行中光缆线路的维护主要是及时发现问题和正确处理问题。
光线路出现问题的主要表现是系统传输的误码率突然增加，甚至完全中断，从而在端机上发生相应告警。在确认不是端机引起的事故后，便可着手检查线路故障。
检查线路故障的主要方法是用OTDR对线路进行测试。因此，维护人员对OTDR的使用和显示曲线的分析一定要很熟练。
1.光时域反射仪（OTDR）简称光时域计，它是通过被测光纤中产生的背向瑞利散射信号来工作的，所以又叫做背向散射仪。主要用来测量光纤的长度、光纤故障点、光纤衰耗以及光纤接头损耗等。是光纤生产、施工和维护中不可缺少的仪表。
OTDR由激光源将一束光脉冲发射到被测光纤中。通常要选择脉冲的宽度。由被测光纤链路特性及光纤本身特性反射回的信号返回OTDR。信号通过一耦合器到接收机，在那里光信号被转换为电信号。最后经分析并显示在屏幕上。
由时间值乘以光在光纤中的速度即得到距离，这样，OTDR可以显示返回的相对光功率对距离的关系。有了这个信息，就可得出有关链路的非常重要的特性如下：
距离：链路上特征点（如接头、弯曲点等）的位置，链路的距离等。
（1）损耗：单个光纤接头的损耗。
（2）衰减：链路中光纤的衰减。
（3）反射：一事件的反射大小，如活接头。
2.光功率计 光通信离不开光功率这个重要参数。发送机输出光功率、接收光功率、接收灵敏度和动态范围的测量，实际上也是在满足一定误码率条件下测量能接收的最小光功率和最大光功率。光纤衰耗、接头衰耗的测量、实际上也是测量光纤两端的光功率。而光功率计就是测量光功率的仪表，所以它是光通信科研、生产、施工维护中必备的仪表之一。
测量光功率有热学法和光电法。热学法在波长特性、测量精度等方面比较好，但响应速度慢、灵敏度低、设备体积大。光电法有较快的响应速度、良好的线形特性而且灵敏度高、测量范围大，但其波长特性和测量精度方面不如热学法。因此根据热学法制成的光功率计一般均作为标准光功率计。
3.最为常见的光纤故障
光纤故障排除是一个复杂的过程，因此知道从什么地方入手寻找故障非常重要。这里介绍一些最常见的光纤故障以及产生这些故障的可能因素：
⑴光纤断裂通常是由于外力物理挤压或过度弯折；
⑵传输功率不足；
⑶光纤铺设距离过长可能造成信号丢失；
⑷连接器受损可能造成信号丢失；
⑸光纤接头和连接器（connectors）故障可能造成信号丢失；
⑹使用过多的光纤接头和连接器可能造成信号丢失；
⑺光纤配线盘（patch panel）或熔接盘（splice tra）连接处故障。
通常而言，如果连接完全不通，那么很可能是光纤断裂。但如果连接时断时续，可能有以下原因：
⑴结合处制作水平低劣或结合次数过多造成光纤衰减严重；
⑵由于灰尘、指纹、擦伤、湿度等因素损伤了连接器；
⑶传输功率过低；
⑷在配线间连接器错误。
六.结束语
近年来超大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一里程碑。不仅彻底开发了无穷无尽的光传输线路的容量，而且也成为IP业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础。近几年来随着IP业务量的爆炸式增长，电信网正开始向下一代可持续发展的方向发展，而构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础。从光纤通信的发展现状与趋势来看，完全有理由认为光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新高潮。而这一次发展高潮涉及的范围更广，技术更新更难，影响力更大和影响面更宽，势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局，也将对下一世纪的社会经济发展产生巨大影响。
参考文献
[1] 《光纤通信》 人民邮电出版社.
[2] 《光通信设备维护》 人民邮电出版社.