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光纤线缆的工作原理是什么？为您答疑解惑
12.15.2022
随着光纤的使用不断增加，业界自然对它更加好奇。因此，我们接到了更多关于光纤功能的咨询。我们经常听到的一个问题是：“光纤线缆是如何工作的？”
下面我们将解答这个问题！
但首先，我们来确定“光纤线缆”的含义。光纤线缆由光导纤维、加强构件和外部护套组成。光导纤维负责传输信号，加强构件提供抗拉伸和抗压性能，护套保护整体线缆不受环境影响。
与分类线缆或以太网线缆中的铜线使用电信号来传输数据不同，光纤使用玻璃纤维作为快速传播的光脉冲的传输介质。基本的信号传输过程需要一个发射器、一个接收器以及一根由玻璃制成的光导纤维，用来将光从发射器传输到接收器。
光导纤维的制造过程分为两步。第一步是生产纯玻璃来制作光纤预制棒。为此，需要使用各种掺杂气体在一根玻璃棒上添加多层纯玻璃。玻璃的纯度对于能否远距离传输光线而不丢失信息至关重要。
第二步称为“光纤拉制”。在这一步，预制棒被加热并拉伸，使其直径缩小，成为一根很细的光导纤维。标准光导纤维的直径为250微米。作为尺寸参考，人类头发丝的直径大约为100微米。这一过程类似于糖果厂里用手擀的糖果制作小图案的过程，只不过大玻璃棒是被加热到熔点，然后进行拉伸，而不是滚动，以得到所需的几何形状。
拉制的光导纤维与加强构件和/或缓冲材料一起制成光纤束，外层包覆护套。
光纤线缆是如何构成的
哪些组件组合在一起才能让光纤线缆发挥作用？
光纤由纤芯（Core）、包层（Cladding ）和涂覆层（Coating）组成，称为“3C”。
纤芯
首先是“纤芯”或玻璃结构，光即是通过纤芯沿着线缆传播到接收设备的。在传播过程中，光信号通过全内反射在纤芯中传播。光会在纤芯与包层（我们接下来会讨论这个组件）之间的界面被反射。光信号以光束沿光纤传播的路径进行传输。这些路径也被称为“模式”。
包层
纤芯外面包裹着一层很薄的玻璃，称为“包层”。包层就像一个边界，将光信号限制在纤芯里。您可以将其想象成一个完美反射的镜面。这使得数据可以沿着整根光纤传输到接收器。
涂覆层
在很多情况下，包层外面会包覆两层紫外线固化涂层。这种被称为“涂覆层”的双层结构可以保护玻璃纤维，防止刮伤、微小弯曲和污染物。光导纤维属于玻璃，这种极细且易碎的材料需要这些保护材料，以避免其在生产和安装过程中受损。然后，采用整体线缆结构对光导纤维进行封装，以满足不同应用和地区的不同要求。
光纤线缆还包含其他两个组件：
加强构件
为了增强线缆在安装过程中的强度，可以使用钢丝、芳纶纤维、玻璃纤维纱或硬质玻璃纤维杆等材料来提高线缆的抗拉强度和抗压性。这些材料可帮助光纤线缆承受牵拉、弯曲、滚动、扭转及其他外力。
护套
作为线缆的外层，护套是线缆针对周围环境的第一道防线。可以采用不同的护套来隔绝外部因素，如尖锐的物体。根据具体应用，如室内立管或静压室，也可以采用阻燃性护套。
不同光纤线缆类型是如何工作的
光纤线缆分为两种类型，即单模光纤和多模光纤，每一种光纤工作原理都略有不同。
多模光纤纤芯的直径是单模光纤（我们接下来将讨论）的5到6倍。
因为其纤芯更大，多模光纤具有更大的聚光能力。这意味着单根纤芯可以同时传播“多个模式”，或多条光路。纤芯越大，就越容易将光耦合到光纤中用于传输数据。
目前项目中使用的多模光纤类型，如OM3、OM4和OM5，均属于激光优化光纤，这意味着可以使用LED或VCSEL激光器作为光源来实现更高的数据速率。作为最新类型的多模光纤，OM5还采用了一种称为短波多路复用的新技术，允许在同一时间点通过光纤发送多个信号，从而提高传输性能。您可以将其想象为同一根光纤拥有四个独立的激光通道，不同通道可以独立工作。
单模光纤的纤芯尺寸比多模光纤小。因此，它是直接将光通过光纤进行传输（只允许基本模式的光通过光纤传输）。光传输过程中产生的光反射更少，从而降低衰减，使信号能够成功地传输更长的距离。单模光纤线缆类型包括OS1和OS2。
不要认为一种类型的光纤比另一种类型光纤“更好”，最好将它们看作是针对不同目的开发的两个不同的类型。
由于有多条光路通过多模光纤进行传输，因此多模光纤只能在短距离内提供高带宽。不同的模式以不同的速度沿着光纤传播，到达探测器时彼此略有偏斜。可以把它想象成一个回音室：模式越多，回音就越长。这使得理解话语的开始和结束变得更加困难，因为它们开始相互混淆。
在单模光纤中，所有光以大约相同的速度传播，并在大致相同的时间到达，消除了多模光纤中存在的模式色散的影响。这样可以支持更高的带宽水平，在更远的距离上信号损失更少，从而使单模光纤成为长距离信号传输应用的理想选择，如园区内或园区之间、海底或远程办公室。
我们的团队随时可以帮助您做出有关光纤线缆系统的正确决定。如果您对光纤线缆还有其他疑问，需要帮助做出正确的选择，或者正在寻找有关光纤线缆工作原理的更详细信息，我们很乐意回答您的问题。
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关于作者
Jim Zimnicki在Belden从事线缆制造、工程和产品开发工作超过七年。在Belden实习后，他于2017年8月正式加入团队。作为前产品开发工程师和高级产品开发工程师，Jim负责主管设计以满足客户和新业务标准，评估测试数据是否符合标准，并支持Belden制造试验。他拥有代顿大学的电气工程学士学位和电光学理学硕士学位。