光纤的研究及其应用
伴随着科学技术的发展，人类对于信息交换的需求越来越大，人们已经不能满足于电子通信系统了，由此光纤通信应运而生。信息在光域上的传输、存储、交换技术的突破，为构建起全光网络奠定了物质基础。
光纤即为光导纤维的简称。从原理上看，光纤是构成光纤通信的基本物质要素。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。
光源与传输介质
对于光纤，首先考虑解决的便是光源的问题。能够用作传输的光源的要求是：①高纯度；
②会聚度要平行；③操控性要好。
下面从我们已了解的各种光源一一举例说明：
Ⅰ.火——原理：物质的辐射；问题：效率极低；Ⅱ. 白炽灯——原理：物质的辐射；特点：方便；问题：操控性差，光谱为连续的，色温低；Ⅲ. 荧光灯——原理：汞蒸汽电离，跃迁释放紫外线，被荧光层吸收并转化为可见光（且玻璃可吸收紫外线）；特点：效率高，色温合适（高），光谱为断续的；Ⅳ. 节能灯——同上；Ⅴ. 卤素灯——其实质就是白炽灯，温度高；Ⅵ. CCFL——荧光灯的一种，是用作显示器的背光，但是效率低；Ⅶ. LED——原理：二极管载流子发光（即载流子复合发光），属自发辐射；特性：是单色光，纯度高；类型：面发光(SLED) 以及边发光(ELED)；Ⅷ. LD——即Laser Diode 全称：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，含义：受激辐射光放大；原理：载流子复合发光，是属于受激辐射；特性：方向性好，色谱纯度性高；
LED光谱 LD光谱
由上面可总结出：传统光源不适合用于光纤通信，而LED或者LD可以用于光纤通信。
表1-1 传统光源、LED、LD的比较
对于传输介质，要求：①透明度高；②无序结构；③具有一定的可塑性。首先要明确“透明”的概念——是定义在给定波长的透射率的大小上的。从本质上来说，物质都是透明的。但是，由于瑞丽反射、自由电子的吸收反射以及散射、分子或原子对入射波的吸收与散射、物质结构被破坏以及混有掺杂都会使得物质“不透明”。
传输介质的选择：Ⅰ. 金属——由于有自由电子，会使可见光全反射；Ⅱ. 水——是无序结构，有极高的透明度，但是属于液体，没有可塑性；Ⅲ. 晶体——高度有序，透射率高，具有偏光性，在传输光时会损失能量；Ⅳ. 气体——高透过性，无序性比液体还要高；Ⅴ. 玻璃（SiO2）——不是晶体，是过冷液体进一步降温的产物，属于固态，但是其内部又是液态分布，是无序结构；Ⅵ. 高分子化合物——①完全不结晶（冷固态）：如塑料，透明；②部分结晶：不透明；③全结晶（即晶体）：如病毒，透明。
由上可用于光纤通信的可以是玻璃或者冷固态的高分子化合物。
1966年，英藉、华裔科学家高锟博士（K.C.Kao）在PIEE 杂志上发表论文《光频率的介质纤维表面波导》，从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性以及原始光纤的模型。
表1-2 对各种SiO2的比较
光纤
结构：包括纤芯（传输媒介，折射率高）、包层（折射率低，可全反射）、涂层（光固化材料）、外管（起加固和保护的作用）。
种类：从电磁场的角度考虑可分为单模光纤、多模光纤。 ⑴ 多模光纤——光在介质中传输会有很多模 式，如：HE mn ，TM mn ，TE mn …所以会有模式色散 的产生，故只能用于短距离小容量传输；
传输模式便只有模式HE 11，其他模式被截止，携带 图2-1 能量为0，此时无模式色散。
研究光纤，就必须研究光纤的色散与 衰减。光纤的色散包括3种：模式色散、材 料色散、波导色散、偏振模色散。其中，模 式色散是多模光纤所特有的。对于材料色散， 由于光纤实质就是玻璃，而本质就是SiO 2， 它对于不同频率的光传播速度不同。波导色散
主要是由于不同波长的的光在同一模式中的传
播速率不同而产生的。偏振模色散主要是由于 光纤在制作过程中半径不一致而产生的，但是 由于量级极小，可忽略。以单模光纤为例，其 色散如图2-2所示，由图可知，波导色散与材 料色散具有相互抵消的可能性。
如图2-3所示，光纤工作波长大约可在
1260nm~1550nm 之间，但是实际上在这个工作窗口之间的1400nm 附近有一个峰值，此处其主要影响的是氢氧键（OH -）的影响，也正是由于这个原因，所以光纤怕水。要想减小此峰峰值，就必须减小光纤玻璃中的氢氧键，即需要减小其水的含量。
光器件
⑴ 光放大器：
光纤本身一定具有一定的损耗，光信号在其中只能传输一个固定的距离。为了延长传输距离，必须将光信号放大。传统的做法是采用光再生，但是由于其过程既复杂又耗时，而且成本高，涉及复杂的电子电路，会受到传输速度和宽带的限制。由此便出现了光放大器（OA ），它是直接对光信号进行放大的器件。常用的光放大器有：掺稀土元素光纤放大器、拉曼光纤放大器（RFA ）。
传输前
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
波长(nm)
图2-3 光纤工作波长与衰减系数与色散系数
掺稀土元素放大器主要是利用稀土元素的离子形式的受激辐射原理实现光放大，但是这种方法具有一定的局限性，一种元素只能释放固定波长范围的光信号；拉曼光纤放大器利用的是光纤非线性拉曼散射效应，与掺稀土元素放大器相比，具有一些显著优点——增益高、噪声系数小、放大范围宽。
主要应用于越洋等长途光通信系统中。
⑵波分复用器：
首先我们必须认识到——在一根光纤中，不同波长的光信号在传输时是不会相互干扰的。所以为了在一根光纤中同时传输几十甚至数百个光波长以达到充分利用光纤资源的结果，可以采用波分复用技术。其中最重要的光器件就是合波器与分波器。波分复用器有两种类型——耦合型和角色散型。其中耦合型是利用了光功率耦合的耦合系数与波长的关系有关的工作原理，但是这种方法存在缺点，就是每次分离只能分离两路光信号，而且该器件体积大。角色散型包括反射型和阵列波导型，角色散型是利用了叫色散元件来分离和合并不同波长的光信号；阵列波导型是利用微电子集成平面波导技术。
⑶光开关：
光开关不仅可以做简单的光信号倒换开关，也是构成光分插复用和光交叉连接器的核心开关矩阵，灵活调配波长通路。光开关是实现光通路转换的功能器件，即它可以将其具有多个输入/输出端口任意输入端口的光信号转换到任意输出端口。包括五种类型——机械光开关、微电子机械系统光开关、热光开关、半导体放大器光开关、波长选择光开关。
⑷光分插复用器（OADM）：
主要是在长途干线光网络上，取出（下载）或者插入（上传）信号时用到。其功能类似于波分复用器，但是相较于波分复用器多一个过滤器（或者空间交换单元或者光开关）。
⑸光交叉连接器（OXC）：
主要是为了两条主干道光网络所用传输波长通道都可以相互交换。简而言之，就是通过一个光开关矩阵模块使输出端的任一波长光信号连接到输出端的任一光纤，实现波长的交叉连接本地上下路功能、连接和宽带管理功能。
光纤熔接
在光纤的应用过程中不可避免的就是光纤的熔接问题。熔接的步骤包括：剥离—整理—端面制备—熔接—后处理。剥离主要是除掉涂层，整理主要是清洁，端面制备是要求是断面保持光滑平整，然后是熔接，此时便用到了熔接机，最后也是最重要的是后处理，主要是测损耗，必须控制在0.2dB以下，否则需要重新熔接。之所以要求在0.2dB以下是因为在现在的光纤制
