光学/光纤

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光纤是一种透明的、细小的（约 120 微米）玻璃或塑料纤维，用于传输光。

它是如何制造的

光纤电缆具有芯线和包层。芯线是光线通过的部分。它由塑料或玻璃制成。由于玻璃具有较低的的光吸收率，因此在长距离应用中始终使用玻璃。它周围是折射率较低的材料。这称为包层。光纤电缆可以在没有包层的情况下工作，但这会提供较少的保护；因此，包层在现实世界中总是使用。包层还可以确保外部光线不会进入电缆并干扰传输的光线。此外，包层使临界角的值在整个纤维长度上保持不变，无论它穿过什么。这很重要，因为电缆通常需要在地下铺设。

如果电缆在地下铺设时没有包层，那么光线会逸出，因为外部环境的光密度将高于芯线，而全内反射仅在第一种介质的光密度高于第二种介质时才会发生。

全内反射

光纤利用全内反射的原理，使芯线的光密度高于包层。

$n_{1}=n_{\text{plastic}}=1.6$

$n_{2}=n_{\text{air}}=1.0$

$\theta _{1}=60^{\circ }$

$\theta _{2}={\text{angle of refraction}}$

$\sin \theta _{2}=\sin \theta _{1}{n_{1} \over n_{2}}$

求解 $\theta _{2}$

$\sin \theta _{2}=(\sin 60^{\circ })(1.6)=(0.866)(1.6)=1.39$

$\theta _{2}=\arcsin 1.39={\text{undefined}}$

（没有角度的正弦大于 1）。

因此，没有折射角。这告诉我们发生了全内反射，因为没有折射光线。

全内反射的事实意味着光线不会逃逸，因为它不会在外面折射，而是继续在纤维内部反射。全内反射 (TIR) 表示 100% 的反射。这在这种情况下非常有用，因为所有光线都将保留在纤维内部。

进入纤维的光线是光束。它由许多以类似方式运动的光线组成。它们将继续相互交叉，从而用光线充满芯线。通过光纤电缆传播的光脉冲只是一束这些光线。

光脉冲通过光纤的速度是有极限的。这是由于脉冲扩展。由于光在长距离内会分散，因此光脉冲在沿纤维传播时会发生变化。当发送脉冲时，它处于方波形状。但是，脉冲会逐渐变宽。

脉冲扩展

有两种类型的色散会导致脉冲扩展

色散

当不同波长的光线通过光纤时，它们将以不同的速度传播。例如，由于白光包含所有不同波长的光线，如果将白光照射通过光纤电缆，就会发生色散。这是因为白光中不同的颜色将以不同的速度传播。

模态色散

如果光线倾斜，它们将比其他光线走更长的路线。平行于光纤中心的射线最先到达末端，而更倾斜的射线最后到达末端。

因此，我们可以得出结论，

总色散 = 色散 + 模态色散

脉冲扩展引起的问题

脉冲扩展导致一些主要问题

1. 带宽限制：脉冲扩展限制了可以发送的光脉冲的速率，从而限制了带宽。
2. 距离限制：由于光纤电缆越长，光线分散得越多，因此随着距离的增加，带宽会降低。超过一定距离后，带宽将变得不可接受地低。

我们世界中的光纤

现代光纤一根电缆中可以容纳多达一千根光纤。

与普通的铜线相比，光纤有优点也有缺点。

1. 更低的损耗
2. 更大的数据承载能力（成千上万倍）
3. 不受电磁干扰
4. 高电阻（在高压设备附近使用安全）
5. 重量轻
6. 信号包含非常少的功率
7. 更快（光速）
8. 很难在不被发现的情况下窃听光纤电缆
9. 必须用光纤替换现有的电线
10. 拼接难度更大。需要特殊培训和专用工具

如今的光纤技术已经非常先进，在数百公里的距离内无需放大。但是，更远距离的系统仍然必须使用光放大器。

作者

• Faraaz Damji (Frazzydee)