1.概观
(1)光纤的结构
光纤是一种同心圆柱体，引导光沿特定方向传播，其结构如图2所示。中心部分是折射率为n1的纤芯，纤芯的外部是折射率为n2的包层。纤芯的折射率n1高于包层的折射率n2，形成光波导效应，使大部分光被束缚在纤芯中传输，实现光信号的长距离传输。外护套层只起到保护作用，不会影响光的传输。
图2光纤的基本结构
光纤的几何尺寸很小，芯径一般为5 ~ 50m，包层外径为125 m，整个光纤包括保护层的外径只有250 m左右。
纤芯和包层常用的材料是高纯应时(SiO2 _ 2)，它是生活中玻璃的主要成分。然而，在将应时用作纤芯或包层材料之前，必须向其添加少量不同的掺杂剂来增加或降低其折射率。常见的掺杂剂有二氧化锗(GeO2)、三氧化二硼(B2O3)等。
(2)光纤的分类
根据折射率分布的不同，光纤可以分为两类：阶跃光纤(SIF)和梯度光纤(GIF)。阶跃光纤也叫均匀光纤，其纤芯折射率是恒定的，而渐变光纤的纤芯折射率是渐变的，但阶跃光纤和渐变光纤的包层折射率是恒定的。
根据光纤材料的不同，光纤可以分为四大类：应时光纤、应时芯-塑料包层光纤、多组分玻璃光纤和塑料光纤。其中，应时的光纤损耗最低，在光纤通信中应用最广。本章的讨论主要针对应时光纤。
根据传输模式的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两大类。单模光纤的芯径较小，4 ~ 10m，只能传输单一模式，可以完全避免模式色散，适用于大容量、长距离的光纤通信。多模光纤的芯径较大，约50 m，在某一工作波长下可以传输多个模式，但会产生模式色散，限制传输距离。其优点是比单模光纤更容易制造、耦合和连接，适用于短距离通信和局域网。
(3)光纤标准
目前国际电信联盟ITU-T的G系列是世界上主要的光纤。相应的，我国的光纤标准是国家标准GB/T 15912系列和信息产业部颁布的通信行业标准YD/T系列，如下。
G.651:定义了渐变折射率多模光纤，主要指0.85 m和1.31 m多模光纤。
G.652:普通单模光纤，指1.31 m窗口内零色散波长的单模光纤。
G.653:色散位移光纤。基于G.652光纤，将零色散点从1.31 m窗口移到1.55 m窗口，解决了1.55 m波长色散限制单波长高速系统的问题。但是光纤的非线性效应导致的四波混频对G.653光纤上的DWDM系统产生了严重的影响，所以G.653没有得到广泛的推广。
G.654:截止波长漂移单模光纤。通过特殊设计，1.55 m处的损耗系数降低到0.185dB/km，主要是为了满足海底光纤长距离通信的要求。
G.655:非零色散位移光纤。这种光纤在1.55 m窗口内具有合理的低色散，可以减少四波混频、交叉相位调制等非线性效应，同时以最小的色散补偿支持长距离传输。
(4)光缆
光缆最重要的技术要求是在光缆制造、敷设和各种使用环境中，保证光纤的传输性能不受影响并具有长期稳定性。
光缆的主要特性。
机械性能：包括抗拉强度、抗压强度、抗冲击性能和弯曲性能。
温度特性：包括高温
缆芯：光缆结构的主要部分，其主要作用是合理安排光纤的位置，使光纤在各种外力的影响下仍能保持优良的传输性能。多芯光缆还需要对光纤进行着色，以便于识别。另外，为了防止气体和水分子渗入，光纤要有各种防潮层，并填充油膏。
加强元件：有两种结构方式，一种是放在光缆中心的中心加强元件，另一种是放在护套中的外加强元件。
光纤护套：和电缆护套一样，是由护套等组成的多层组件。保护层一般分为填充层、内护套、防水层、缓冲层、铠装层和外护套。
光缆的分类。
根据光缆的芯线结构，可分为绞合型、骨架型、带状光纤型和束管型四大类。中国和欧亚国家大多采用前两种结构。
从应用角度来看，光缆可分为中继光缆、海底光缆、用户光缆、市话光缆、无金属光缆、复合光缆和野外光缆。以上四种类型的光缆可根据其应用进行选择。
2.光纤的传输原理
(1)光纤的导光原理
光纤通信的基本问题是研究光信号如何在光纤中传输。
因为光具有波粒二象性，即波动性和粒子性，这意味着光波可以像波一样向前传播，有时还表现出粒子特性。本文避免了用麦克斯韦方程组这种复杂的方法来解释光的传播特性，而把光看成一条光线，即用几何光学来分析它的传播特性。当光从一种介质入射到另一种介质时，两种介质之间的界面会发生反射和折射，如图3所示。如果入射光在界面处完全发射回第一介质，则称为全反射。
图3光在界面上的反射和折射
光在两种介质界面上的全反射必须满足以下两个条件。
(1)光必须从致密介质入射到疏水介质，即N1-N2。
入射角必须大于其临界角，即c-1-90。
这里是临界角。
根据光纤的结构，纤芯的折射率n1高于包层的折射率n2。当激光耦合入纤芯时，只要对包层与纤芯界面的入射角大于临界角，就会发生全反射，使光束在包层与纤芯界面之间来回反射，从而使光束在光纤中传输。光纤的导光原理如图4所示。
图4光纤导光原理
根据光的反射和折射定理，当光的入射角满足下式时，可以在光纤中传播。
其中[插图]是光纤芯和包层之间的相对折射率差。
如果光纤外面有空气，就有n0=1，有。
(2)光纤的数值孔径(NA)
定义满足入射条件的最大入射角的正弦，即sinmax为光纤的数值孔径，记为NA，即
数值孔径NA是光纤的一个极其重要的参数，它反映了光纤捕获光的能力。
NA越大，光纤捕获光的能力越强，光纤与光源的耦合效率越高。理论上，光纤的相对折射率差应该较大，但过大的会导致光纤严重的多径色散。在实际工程中，单模光纤的NA值约为0.1，多模光纤的NA值约为0.2。
3.光纤的传输特性
(1)光纤的损耗特性
光纤损耗的定义：光信号在光纤中传播的能量随着传播距离的增加而减小。
光纤损耗的影响：决定了光信号在光纤中的最大传输距离。
光纤损耗的分类：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。其中，吸收损耗为rel
目前，光纤中使用的低损耗光谱如表1所示。光纤的第一个低损耗窗口位于850nm附近，第二个低损耗窗口位于1310nm (S波段)附近，第三个低损耗窗口位于1550nm (C波段)附近。15611625nm的范围被定义为L波段或第四窗口。1998年，朗讯推出全波光纤，即低水峰光纤，使1383nm处的水峰几乎不存在(衰减小于0.31dB/km)，打开了光纤的第五个窗口，即E波段(1350~1450nm)。
表1目前光纤中使用的低损耗光谱
(2)光纤的色散特性
光纤色散的定义：不同频率(或波长)的电磁波以不同的相速和群速在介质中传播的物理现象。
光纤色散的影响：会导致光脉冲在传播过程中展宽，使前后脉冲相互重叠，造成数字信号的码间串扰，从而限制了光纤通信系统的带宽和容量。
光纤色散的分类：一种是波长色散，与波长有关；另一种是模式色散，与光波波长无关，但由于不同模式在光纤中的传播速度不同，造成了光脉冲的展宽。
在多模光纤中，模式色散起着决定性的作用，最终限制了光纤的传输带宽，所以在高速传输系统和长距离通信线路中，只能使用单模光纤作为传输介质。
在单模光纤中，一般没有模式色散，只有波长色散。这主要是因为光源发出的光脉冲不可能是单色光。即使是单色光，由于光波上的调制信号具有一定的带宽，这些不同波长或频率成分的光信号会因为速度不同而在光纤中传播。由于光波的波长不同，其颜色也不同，所以这种色散也叫色散。
(3)光纤的非线性特性
光纤的非线性效应：当注入光纤的光功率较小时，光纤是线性介质，光纤的各参数随光场强度线性变化；当光功率较高时，光纤会发生非线性变化。产生这种现象的原因是，过多的光功率注入使光纤介质产生电偶极子，电偶极子又与光波调制，在光功率小时产生小振荡即线性响应，在光功率大时产生大振荡产生非线性响应。
光纤非线性的影响：功率损耗、波长间的串扰和光信号传输失真。
光纤非线性的分类：受激拉曼散射、受激布里渊散射、四波混频效应和交叉相位调制。责任编辑：抄送
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