光纤技术的组成原理及其应用

1、运用光纤完成输电功能
美国拉里安公司成功地运用光纤完成了输电功能，在电力领域中开拓出一条崭新的途径。他们在发送端利用半导体激光二极管，把电能转变为激光在光纤中传送，用太阳能电池作为接收端器件。这种器件用300微米厚的砷化镓作为绝缘基片，上面覆盖有20微米厚的太阳能电池。它被分为6个独立的区域，这些区域由镀金的空气桥串联起来，当由光纤传来的激光照射到太阳能电池时，光能立即变成电能。每个区域产生的电压恰好是1伏，六个区域串起来就有6伏电压，足可供大多数传感器的控制电路使用。

2、广泛应用
如果把激光二极管的功率继续提高，再配上整套的电能传送系统，光纤输电就可以广泛地使用于军事、工业、商业等各个方面。法国专门从事计算机、电子设备、信号处理和图像技术的波根实验室，利用光的孤波子和短脉冲，可在光纤内实现无失真传输。这一技术可解决色散和非线性效应问题，无需沿光缆设置多个再生装置。工作时只需在每100公里左右的地方设置一个放大器。孤波子波就可以相互穿越，互不干扰。据称，这一新技术用于6450—12900公里范围内的海底潜艇，可以解决通讯困难问题。美国通讯保密专家研制的一种无规律载波信号光纤通讯技术，专门用以对付当今日益猖獗、手段高明的窃听高手。该技术首先将话音之类的有用信息转换为数字脉冲信号，然后再将这些数字脉冲信号编码，调制到无规律变化的随机微波载体上。发送时，激光发射装置将载有信息的无规律载波信号经光纤通讯系统发射至收讯方。收讯方的激光接收机以专用技术与发送激光装置同步动态协调工作，最终完成将有用信号从无规律载体上解调的任务。使用该技术，窃听高手们将再也没有用武之地了，他们只会听到杂乱无章的噪音。澳大利亚保林公司，最近研制出一种光纤秤，利用一根光纤和一个激光器就可以给卡车称重。这种光纤秤利用了一种电阻特性非常特别的光纤，当它受到压力或张力时，光纤会发生轻微的变形，导致激光的特征发生变化。这时，探测器会立即将这一变化获悉并转换为电信号的变化。从而在仪器的显示盘上反映出。由于光纤是由玻璃制作的，它具有耐湿、耐辐射的性能，更重要的是，它易于安装和保养，适用于安装在城区的主干道、工厂周围、机场和跑道、仓库以及港口等地，进行24小时的连续工作。所以，除了可以进行称重之外，还能够起到监控作用，精确程度远远超过现有的电子装置。

3、塑料光纤、海底光缆
据美刊新近报道，由美国麻省波士顿光纤公司研制的一种塑料光纤，它的传输速度比现用标准铜线快30倍，而且比玻璃纤维的重量轻、柔性好、成本低。这种光纤利用光的折射或光在纤维内的跳跃方式来到达较高的传输速度，可在100米内以每秒3兆比特的速度传输数据。目前，全世界已经铺设海底光缆达37万公里，这个长度几乎可以围绕地球10圈。而且，由于两端采用了激光器，在传输中已经不再需要放大信号的中继器，这样，就会使成本大大降低，通话费用相应减少。据报道，世界上容量最大、连接欧美的海底光缆将于今年开通。这个连接全世界的海底通信光纤电缆正在铺设之中，这是20世纪通信领域最宏伟的工程，得到全世界30个国际电信组织的支持。它横跨大西洋、穿越地中海，经红海和印度洋，穿过马六甲海峡进入太平洋。全长近32万公里，连接175个国家和地区，能够同时使240万部电话通话或同时传输几十万幅压缩的画面。整个工程耗资140亿美元，预计将于2003年完工。

4、组成原理
光纤技术一般由三部分组成：光信号发送端：用于传送光信号的光纤；光信号接收端。光信号发送端的功能是将待传输的电信号经电光转换器件转换为光信号，目前，发送端电光转换器件一般采用发光二极管或半导体激光管。发光二极管的输出光功率较小，信号调制速率相对低，但价格便宜，其输出光功率与驱动电流在一定范围内基本上呈线性关系，比较适宜于短距离、低速、模拟信号的传输；激光二极管输出功率大，信号调制速率高，但价格较高，适宜于远距离、高速、数字信号的传输。光纤的功能是将发送端光信号以尽可能小的衰减和失真传送到光信号接收端，目前光纤一般采用在近红外波段 0.84µm、1.31µm、1.55µm有良好透过率的多模或单模石英光纤。光信号接收端的功能是：将光信号经光电转换器件还原为相应的电信号，光电转换器件一般采用半导体光电二极管或雪崩光电二极管。组成光纤传输系统光源的发光波长必须与传输光纤呈现低损耗窗口的波段、光电检测器件的峰值响应波段匹配。发送端电光转换器件采用中心发光波长为0.84µm的高亮度近红外半导体发光二极管，传输光纤采用多模石英光纤，接收端光电转换器件采用峰值响应波长为0.8µm至0.9µm的硅光电二极管。下面对各部分作进一步介绍。

光信号发送端的工作原理
系统采用的发光二极管的驱动和调制电路如图2所示，信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节电位器用以调节流过LED的静态驱动电流，从而相应改变发光二极管的发射光功率，设定的静态驱动电流调节范围为0～20毫安，对应面板光发送强度驱动显示值0—2000单位，当驱动电流较小时发光二极管的发射光功率与驱动电流基本上呈线性关系，音频信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到另一运放的负输入端，与发光二极管的静态驱动电流相迭加使发光二极管发送随音频信号变化的光信号，并经光纤耦合器将这一光信号耦合到传输光纤。可传输信号频率的低端可由电容、电阻网络决定，系统低频响应不大于20Hz

光信号接收端的工作原理
光信号接收端的工作原理图，传输光纤把从发送端发出的光信号通过光纤耦合器将光信号耦合到光电转换器件光电二极管，光电二极管把光信号转变为与之成正比的电流信号，光电二极管使用时应反偏压，经运放的电流电压转换把光电流信号转换成与之成正比的电压信号，电压信号中包含的音频信号经电容电阻耦合到音频功率放大器驱动喇叭发声。光电二极管的频响一般较高，系统的高频响应主要取决于运放等的响应频率。

传输光纤的工作原理
目前用于光通讯的光纤一般采用石英光纤，它是在折射率n2较大的纤芯内部，覆上一层折射率n1较小的包层，光在纤芯与包层的界面上发生全反射而被限制在纤芯内传播，如图五所示，光纤实际上是一种介质波导，光被闭锁在光纤内，只能沿光纤传输，光纤的芯径一般从几微米至几百微米，按照传输光模式可分为多模光纤和单模光纤，按照光纤折射率分布方式不同可以分为折射率阶跃型和折射率渐变型光纤。折射率阶跃型光纤包含两种圆对称的同轴介质，两者都质地均匀，但折射率不同，外一层折射率低于内层折射率。
梯度折射率光纤是一种折射率沿光纤横截面渐变的光纤，这样改变折射率的目的是使各种模传播的群速相近，从而减小模色散增加通讯带宽。多模折射率阶跃型光纤由于各模传输的群速度不同而产生模间色散，传输的带宽受到限制。多模折射率渐变型光纤由于其折射率特殊分布使各模传输的群速度一样而增加信号传输的带宽，单模光纤是只传输单种光模式的光纤，单模光纤可传输信号带宽最高，目前长距离光通讯大都采用单模光纤。
石英光纤的主要技术指标有衰减特性，数值孔经和色散等。数值孔径：数值孔径描述光纤与光源、探测器和其他光学器件耦合时特性。它的大小反映光纤收集光的能力，如图5所示，在立体角2θmax范围内入射到光纤端面的光线在光纤内部界面产生全反射而得以传输，在2θmax范围外入射到光纤端面的光线则在光纤内部界面不产生全反射而是透射到包层而马上被衰减掉，光纤的数值孔经定义为：NA=Sinθmax，它的值一般在0．1～0．6之间，对应的θmax在90～330，多模光纤具有较大的数值孔径，单模光纤的数值孔经相对较小，所以一般单模光纤需用LD半导体激光器作为其光源。