本科毕业设计（论文）

光纤的过去、现在与未来

论文题目

系 部 信息与计算机学部

专 业 信息工程

班 级

学 号

学生姓名

指导教师

一、毕业设计（论文）的内容

概述光纤的过去、现在，弄清楚光纤的基本构造和导光原理，比较与分析国内外的情况，探索现代国内外光纤技术的现状并且了解现代光纤的种类和国内光纤技术的发展状况，最后展望和推测光纤未来的发展方向

二、毕业设计（论文）的要求与数据

1.光纤的过去、现在与未来；

2.光纤的基本构造和导光原理

3.比较国内外状况；

4.现代国内外光纤技术的现状

5.光纤未来的发展方向

三、毕业设计（论文）应完成的工作

1.收集国内外资料。

2.分析、整理材料。

3.撰写论文初稿。

4.接受老师指导。

5.按学院要求修改、定稿、打印、装订。

6.正式提交。

四、毕业设计（论文）进程安排

五、应收集的资料及主要参考文献

[1] 孙学康等. 光纤通信技术. [M].人民邮电出版社. 2004年,第1版.1-15

[2] 于尚民. 烽火通信4篇光纤光缆技术论文被IWCS’2010录用. http://www.cnii.com.cn/zz/content/2010-09/20/content_797521.htm. DB(DB/OL)

通信产业网. 2010-09-19

[3] 左诚. “两会”关注热点　“光纤入户”成大势所趋. http://network.51cto.com/art/201103/247433.htm. DB(DB/OL)

51cto.com. 2011-03-04

[4] 语录. 中国光纤光缆应走得更远. http://www.cnii.com.cn/zz/content/2010-08/10/content_784821.htm. DB(DB/OL)

通信产业网. 2010-08-10

[5] 赵梓森.光纤通信的过去和未来.

http://www.c-fol.net/news/content/148/200909/20090927103831.html. DB(DB/OL). 光纤在线. 2009-09-27

[6] 罗志诚. 试论光纤通信技术的发展.[J].科技资讯.2009(3).

[7] 何召舜. 浅论光纤通信技术的特点和发展趋势. [J].中小企业管理与科技 2010年3月上旬刊

[8] 王磊、裴丽. 光纤通信的发展现状和未来.[J].中国科技信息,2006,(4).

[9] 胡洪涛. 我国光纤通信的发展现状及前景. [J].科技探索.2010.8(8)

[10] 董君. 光纤通信技术的发展及趋势. [J]. 中国科技博览.2009(31)

[11] 毕孚轩. 中国光纤通信技术的现状及未来. [D]. 电信院. 2009301430039

发出任务书日期： 年 月 日 指导教师签名：

预计完成日期： 年 月 日 专业负责人签章：

系部主任签章：

摘 要

通信从本质上讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真、高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有存储、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。而这些形形色色的通信方式中，显然只有使用光的通信方式，速度最快，最具有时效性光纤通信，就是利用光导纤维来传输携带信息的光波进行通信的方式。光波的频率比目前电通信使用的频率高得多，因而其通信容量很大。

光纤通信技术是当今世界发展速度最快、覆盖范围最广、渗透性最强、应用最广泛的一个高新技术领域，同时也是推动全球信息通信业发展的主要驱动力量。光纤通信从提出理论到技术实现，再到今天的高速光纤通信也不过几十年的时间，广泛应用在经济、社会各个领域，不仅能够减少经济活动的交易费用，促进知识的传播和信息的共享，而且对国家国民经济的长远发展产生重大影响。

关键词：光纤通信，未来，高新技术，高速

注：本设计（论文）题目来源于教师的国家级（或部级、省级、厅级、市级、校级、企业）科研项目，项目编号为： 。

Abstract

Communication in essence is a science technique that achieve information transfer function , it wants to have useful information without distortion , and high-efficient transmission , but also will be suppressed useless information and harmful information out at th same time. Today's communication is not only to effectively convey information, but also the storage, processing, acquisition and display functions , Communication has become an important part of informatics technique.But in these kinds of communication, it is clear that the most fastest and most timeliness way is using light , it means that use of optical fiber to transmit the light waves which carry information to communicate. The light waves’s frequency is much higher than currently telecommunications uses , so its communication has great capacity.

Optical fiber communication technology is the world's fastest growing, most extensive coverage, the strongest penetration, the most widely used of a high-tech fields , and it also is main driving force to promote the development of global communication industry. The optical fiber communication technology from put forward theories to technique's carry out, then to today's high-speed optical fiber just use several decades, widely used in economic and social fields , not only can reduce the transaction expenses of economic activities, promote the dissemination of knowledge and information sharing , but also have significant impact on national economy’s farsighted development.

Key words: optical fiber，future ，high-speed ，high-tech

目 录

1 绪论 1

1.1 题目背景及目的 1

1.2 论文的构成 1

2 探索时期的光通信 2

3 近代光纤通信 3

4 光纤通信技术优势...................................................................................................5

4.1 频带极宽，通信容量大...................................................................................5

4.2 损耗低，中继距离长 5

4.3 抗电磁干扰能力强 5

4.4 保密性能好 6

5 光纤导光原理和结构.........................................................................................................6

5.1 光纤结构和主要分类 6

5.1.1 光纤基本结构 6

5.1.2 光纤的分类 7

5.2光纤的导光原理 8

5.2.1 光传输理论 8

5.2.2 反射与折射 9

5.2.3 光在阶跃型光纤中的传播...........................................................................11

5.2.4 光在渐变型光纤中的传播...........................................................................12

6 光纤发展现状....................................................................................................................13

6.1 普通单模光纤.........................................................................................................14

6.2 高强度耐弯单模光纤.............................................................................................15

6.3 无水峰光纤.............................................................................................................16

6.4 大有效面积光纤......................................................................................................16

6.5 宽带光传输用非零色散光纤...................................................................................16

7 国内光纤发展......................................................................................................................16

8 未来光纤的发展.................................................................................................................20

8.1 光子晶体光纤........................................................................................................20

8.2 塑料光纤................................................................................................................ 20

8.3 用于局域网的新型多模光纤................................................................................21

8.4 空芯光纤...............................................................................................................22

8.5 色散控制光纤(DMF) ........................................................................................... 22

8.6 氟化物制造的光纤................................................................................................ 22

9 国内光纤的现状与未来................................................................................................... 23

9.1 国内光纤产业现状................................................................................................23

9.2 国内光纤发展动力................................................................................................24

9.3 国内光纤未来的发展............................................................................................24

10 结束语.............................................................................................................................24

参考文献...............................................................................................................................25

致谢.......................................................................................................................................26

绪 论

1.1 题目背景及目的

光纤通信的问世，给通信领域带来了一场巨大的技术革命。由于光纤通信损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点而备受行业的青睐，发展突飞猛进。目前，品种繁多的光纤层出不穷，不仅在光通信和光传感中占据着越来越重要的地位，而且在工业、电力、军事、航空航天、生物医学等方面也发挥着越来越重要的作用。随着3G网络的大规模建设、IPv6的试用和建设、“光进铜退”战略进一步实施，国内外对常规通信光纤的需求进一步高涨，光纤成为通信市场最为紧俏的商品之一。

在我国，2011年3月1日举行的“2011年中国光网城市发展战略高层论坛”上，中国电信副总经理张继平指出：“‘十二五’规划末，我们希望南方城市地区实现家庭和政企用户光纤全覆盖，光纤接入端口和终端数要超过1亿，实现世界第一的光纤的接入发展目标。”最近，各地相继开展宽带光纤网络建设，以实现宽带网络智能化，提升用户宽带网络体验。其中，作为2011年“城市光网”改造的重点区域，中国电信上海公司已完成部分区域范围内的光纤网络改造建设，并将为该区域内的宽带用户实施“光纤入户”的集中割接改造。同时，中国电信江西公司宣布，未来三年将以“智慧工程”纳入省“十二五”规划为契机， 投资30亿元以上，加快推进宽带网的光纤化升级，按用户需求提高“百兆到户、千兆进楼、百万兆出口”的网络能力。另外，还将结合天翼3G移动网络，打造“高速有线＋3G无线”天地一体无缝覆盖的高速移动互联网。

现代的社会生活已经离不开光纤了，但光纤并非一开始就出现了的，它的发展经历了漫长的时间变化，经历了许多代人的努力，才成为了现代通信史上一个巨大的飞跃。本次设计就是带领大家走进光纤的发展史，让大家能更深的了解光纤的演变过程。

1.2 论文的构成

在本次设计中，首先会带大家了解从古代如何利用光来进行消息的传递到近代光纤的雏形和发展，虽然本设计主要是对光纤发展史的研究，但随后我们也要弄清楚光纤的基本构造和导光原理，然后我们会去探索现代国内外光纤技术的现状并且了解现代光纤的种类和国内光纤技术的发展状况，最后我们在现代光纤的基础上展望未来的发展。

2 探索时期的光通信

中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息， 这些都可以看作是原始形式的光通信。望远镜的出现，又极大地延长了这种目视光通信的距离。不论是烽火台、望远镜，还是旗语，它们都是光通信的不同形式，但是它们有一个共同点，就是利用大气来传播可见光，由人眼来接收。也正因为如此，我们才会对它们如此地熟悉，可是这些却不是真正的意义上的光通信，更不是强大的光通信，真正强大的光通信应该是光纤通信。在这里，应该明确，光通信指的是一切运用光作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的媒质是什么；而光纤通信则是单纯地依靠光纤作为媒质来传送信息的通信方式。

1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换为电流， 传送到受话器。

由于当时没有理想的光源和传输介质， 这种光电话的传输距离很短，并没有实际应用价值，因而进展很慢。然而， 光电话仍是一项伟大的发明，它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。因此，可以说贝尔光电话是现代光通信的雏型。

1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望，和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好， 亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线电波相似， 是一种理想的光载波。继红宝石激光器之后，氦—氖(He - Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出现，并投入实际应用。 激光器的发明和应用， 使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。

在这个时期，美国麻省理工学院利用He - Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。实验证明：用承载信息的光波， 通过大气的传播，实现点对点的通信是可行的，但是通信能力和质量受气候影响十分严重。由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射，光波能量衰减很大。例如，雨能造成30 dB/km的衰减， 浓雾衰减高达120 dB/km。另一方面，大气的密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束位置发生偏移。 因而通信的距离和稳定性都受到极大的限制，不能实现“全天候”通信。虽然，固体激光器(例如掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)激光器)的发明大大提高了发射光功率，延长了传输距离，使大气激光通信可以在江河两岸、海岛之间和某些特定场合使用， 但是大气激光通信的稳定性和可靠性仍然没有解决。

为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束限制在特定的空间内传输。因而提出了透镜波导和反射镜波导的光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45°角的二个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导， 从理论上讲是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波导的影响，必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。

由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信的研究曾一度走入了低潮。

3 近代光纤通信

1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特性， 而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利(Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤。

如果把材料中金属离子含量的比重降低到10-6以下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。

1970 年，光纤研制取得了重大突破。在当年，美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。它的意义在于：使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现了光纤通信美好的前景，促进了世界各国相继投入大量人力物力， 把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973 年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2μm)。

在以后的 10 年中，波长为1.55 μm的光纤损耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。

1970 年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。 当年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后突破了半导体激光器在低温(-200 ℃)或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。

虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的，它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。

在这个期间，1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 μm的连续振荡半导体激光器。

由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。

1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.7 Mb/s，传输距离约10 km。1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用， 系统采用渐变型多模光纤，速率为44.7 Mb/s。

随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州 光缆总长达5×104 km。1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s，传输距离为64 km的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线，全长3400 km，初期传输速率为400 Mb/s，后来扩容到1.6 Gb/s。随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成，全长6400 km；第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成， 全长13 200 km。 从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。

4 光纤通信技术优势

4.1 频带极宽，通信容量大

光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，光纤通信系统的于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。散波长窗口，单模光纤具有几十GHz·km的宽带。对于单波长光纤通信系统，由于终端设备的电子瓶颈效应而不能发挥光纤带宽大的优势。通常采用各种复杂技术来增加传输的容量，特别是现在的密集波分复用技术极大地增加了光纤的传输容量。采用密集波分复术可以扩大光纤的传输容量至几倍到几十倍。目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般在2.5Gbps到1OGbps，采用密集波分复术实现的多波长传输系统的传输速率已经达到单波长传输系统的数百倍。巨大的带宽潜力使单模光纤成为宽带综合业务网的首选介质。

4.2 损耗低，中继距离长

目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤损耗可低于0.20dB/km，这样的传输损耗比其它任何传输介质的损耗都低，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其他介质构成的系统长得多。

如果将来采用非石英系统极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降的更低。这意味着通过光纤通信系统可以跨越更大的无中继距离;对于一个长途传输线路，由于中继站数目的减少，系统成本和复杂性可大大降低。目前，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多km，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系至数公里，这对于降低通信系统的成本、提高可靠性和稳定性具有特别重要的意义。

4.3 抗电磁干扰能力强

我们知道光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料，不易被腐蚀，而且绝缘性好。与之相联系的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受人为释放的电磁干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。它是一种非导电的介质，交变电磁波在其中不会产生感生电动势，即不会产生与信号无关的噪声。这样，就是把它平行铺设到高压电线和电气铁路附近，也不会受到电磁干扰。这一点对于强电领域(如电力传输线路和电气化铁道)的通信系统特别有利。2.4 光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。

光纤的芯径很细，约为0.1mm，由多芯光纤组成光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。这样采用光缆作为传输信道，使传输系统所占空间小，解决了地下管道拥挤的问题，节约了地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，柔韧性好，光缆的重量要比电缆轻得多，在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信可以减轻飞机、轮船、飞船的重量，显得更有意义。还有，光纤柔软可绕，容易成束，能得到直径小的高密度光缆。

4.4 保密性能好

对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听，只要在明线或电缆附近设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息，更不用去说无线通信方式。光纤通信与电通信不同，由于光纤的特殊设计，光纤中传送的光波被限制在光纤的纤芯和包层附近传送，很少会跑到光纤之外。即使在弯曲半径很小的位置，泄漏功率也是十分微弱的。并且成缆以后光纤在外面包有金属做的防潮层和橡胶材料的护套，这些均是不透光的，因此，泄漏到光缆外的光几乎没有。更何况长途光缆和中继光缆一般均埋于地下。所以光纤的保密性能好。此外，由于光纤中的光信号一般不会泄漏，因此电通信中常见的线路之间的串话现象也可忽略。

5 光纤导光原理和结构

光纤为什么会像金属导线那样能够传输信号呢？要明白这个，我们就要先了解光纤的结构和它的导光原理

5.1 光纤结构和主要分类

5.1.1 光纤基本结构

光纤通信时利用光导纤维来传输光波信号的，由直径大约为0.1mm的细玻璃丝构成。它透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。光纤有不同的结构形式，目前，通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体，外层的折射率比内层的低。

光纤呈圆柱形，由纤芯、包层与涂层三大部分组成，纤芯主要采用高纯度的SiO2二氧化硅，并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率；包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的光折射率；

涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。光缆是多根光纤放在放在一个松套管内，内冲石油膏和钢丝形成的。海底光缆内还有电源线，主要为中继站的放大器等提供电源。

图5.1 光纤基本结构

5.1.2 光纤的分类

根据折射率在横截面上的分布形状划分时，有阶跃型光纤和渐变型 (梯度型) 光纤两种。阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。渐变型光纤纤芯的折射率nl随着半径的增加而按一定规律(如平方律、双正割曲线等) 逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率n2，纤芯的折射率不是均匀常数。

根据光纤中传输模式的多少，可分为单模光纤和多模光纤两类。单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在4μm～10μm 范围内。而多模光纤可传输多种模式，纤芯直径较粗，典型尺寸为50μm左右。

按制造光纤所使用的材料分，有石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。光通信中主要用石英光纤，以后所说的光纤也主要是指石英光纤。

---- 另外，若按工作波长来分，还可分为短波长光纤和长波长光纤。 ---- 多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布；单模光纤多采用阶跃折射率分布。因此，石英光纤大体可以分为多模阶跃折射率光纤、多模渐变折射率光纤和单模阶跃折射率光纤等几种。

5.2 光纤的导光原理

5.2.1 光传输理论

1、 波动理论与光射线理论

光具有波粒二象性，既可以被看作是光波，又可以被看作是由光子组成的粒子流，所以有两种分析光纤传输特性的理论，即波动理论和光射线理论。波动理论是分析光纤的标准理论，其核心是求解满足初始条件和边界条件的麦克斯韦方程，这种分析方法能够精确地描述光纤的传输特性，但涉及的物理数学知识很广，非常复杂；光射线理论是用几何光学的分析方法，将光看成是传播的“光线”，物理描述直观，可以解决一些实际间题。

对于多模光纤，波动理论的求解十分繁琐，而且由于传输模数量很大，讨论个别模的意义不大。用光射线理论进行分析却简洁、方便，而且多模光纤的纤芯直径较大，使用光射线理论的分析结果，与波动理论的结果十分接近。因此分析多模光纤的导光原理大多采用光射线理论。

对于单模光纤，因为其芯径很小，所以不适合使用光射线理论进行分析，而使用波动理论进行分析更准确。

2、 光频率和介质对光传输的影响

光是一种电磁波。其中光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300μm～6×10−3μm，可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。

光纤通信的波谱在1.67 1014Hz～× 3.75×1014Hz之间，即波长在0.8μm～1.8μm 之间，属于红外波段，将0.8μm～0.9μm 称为短波长，1.0μm～1.8μm 称为长波长，2.0μm 以上称为超长波长。

光波在真空中，是以光速（c=3×105km /s ）传播的。不同的光频率对应不同颜色的光，如频率f = 500THz (1THz = 1012Hz )，对应的是红光。光的频率是由光源决定的，如频率为231THz 的光，在真空中传播的波长为1.3μm、速度为c= 3×105km /s ，而在光纤中传播时，其频率不变，但速度和波长会改变，分别约为2×105km /s 、1μm,可见光的速度和波长受传输介质和频率的影响。

5.2.2 反射与折射

1、 斯涅耳定律的应用

光在真空中的传播速度定义为c，光在介质中的传播速度定义为υ ,则折射率

水的折射率为1.333,空气的折射率为1.000,石英玻璃的折射率是1.520。光在真空中、介质中的波长分别为 和，则有

所以

按照光射线理论，当一条光线照射到两种介质的分界面时，入射光线分成两束，即反射光线与折射光线。

由斯涅耳定律，反射角与入射角相等，均为，且

图5.2 光的反射与折射

很显然，入射光被分为两条光线，即入射光与折射光，且 与 的关系直接影响入射角与折射角的关系。这种影响达到一定程度的时候，折射角将等于或大于90℃，光线的传播出现全反射的现象。

2、全反射

已知 (光纤的纤芯折射率)>（包层的折射率），则<。若与的比值加大到一定值后，则必然使折射角，这意味着折射光不再进入包层，而出现在纤芯与包层的分界面（此时的入射角，定义为临界角）或返回纤芯，这个现象就是光的全反射。

图5.3 全反射

可以得到，满足全反射的条件是

可见全反射是光信号在光纤中传播的必要条件，此时必须满足c ，光线会在纤芯区域内传播，没有光“泄漏”到包层中，大大降低了光纤的衰耗，可以实现远距离传输。

5.2.3 光在阶跃型光纤中的传播

对于阶跃型光纤，由于纤芯及包层的折射率有>的关系，因此完全可以满足全反射的要求，只要入射角 。在阶跃型光纤内，其光线的传播轨迹将是“之”字形的，为进行定量研究，重绘该图，如图所示。

图5.4 阶跃型光纤中的传播

数值孔径NA 的定义：数值孔径NA 是多模光纤的一个重要特性参数，它表征多模光纤集光能力大小及与光源耦合难易的程度，同时对连接损耗、微弯损耗、衰减温度特性和传输带宽等都有影响。数值孔径用来表示光纤捕捉光射线的能力，该参数表明，进入光纤的光线的入射角（临界角）决定了光纤收集光线的能力，即能够实现全反射，使光线以可以允许θ的衰耗在光纤中传播。数值孔径NA 推导如下：

应用斯涅耳定律，不难得到

因为空气的折射率为，所以

为了满足全反射， 有

=NA

所以

式中，Δ为相对折射率差

从上述推导中，可以发现数值孔径NA 就是能够使光线在光纤中以全内反射的形式进行传播的入射角的正弦值，即纤芯与包层折射率平方差的开方。NA 的物理意义在于：它表征了光纤搜集光线的能力。NA 越大，光纤收集光线的能力越强，但并不是越大越好，因为随着NA的加大，Δ也越大，导致模式色散加大，使光纤传输容量变小；NA 与光纤的几何尺寸无关，只与纤芯和包层的折射率分布有关；CCITT 建议光纤的NA 取值范围为0.18～0.23。

5.2.4 光在渐变型光纤中的传播

对于渐变型光纤，使用光射线理论进行定量分析是不合适的，而使用波动理论，利用麦克斯韦方程求解，显得复杂、艰涩，因此这里只给出相应的定性分析。

在光纤轴心处，折射率最大，沿截面径向向外，折射率依次变小。可以设想光纤是由许许多多的同心层构成的，其折射率、、…依次减小。这样光在每个相邻层的分界面处，均会产生折射现象，其折射角也会大于入射角（因为>>...），其结果是光线在不断的折射过程中，在纤芯与包层的分界面，产生全反射，全反射光沿该分界面传播，而反射光则向轴心方向逐层折射，不断重复以上过程，就会得到光在渐变型光纤中的传播轨迹。

图5.5 渐变型光纤中光的传播

图5.6 渐变型光纤光传播轨迹

6 国外光纤发展现状

自从英籍华人高锟，发表论文《光频介质纤维表面波导》，提出用石英玻璃纤维（光纤）传送光信号来进行通信，可实现长距离、大容量通信以来，光纤就被普遍的关注着。

据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。1976年，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路，速率为45Mb/s，采用的是多模光纤，光源用的是发光管LED，波长是0.85微米的红外光。在上世纪70年代末，大容量的单模光纤和长寿命的半导体激光器研制成功。光纤通信系统开始显示出长距离、大容量无比的优越性。

按理论计算：就光纤通信常用波长1.3微米和1.55微米波长窗口的容量至少有25000GHz。自然会想到采用多波长的波分复用技术WDM。1996年WDM技术取得突破，贝尔实验室发展了WDM技术，美国MCI公司在1997年开通了商用的WDM线路。光纤通信系统的速率从单波长的2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地发展到多波长Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)传输。当今实验室光系统速率已达10Tb/s，几乎是用之不尽的，所以它的前景辉煌。70年代，光纤网络主要用于市内等大容量业务区，80年代向市外长途干线发展，到90年代逐步向用户方向延伸，即所谓FTTx应用，也就是光纤到路边（FTTC）、至大楼（FTTB）、光纤到公寓（FTTA），和光纤到户（FTTH）。自1970年美国康宁公司研制出石英玻璃光导纤维后，同年贝尔又试制成半导体激光器，这两项新技术的结合，开创了光信息传输的新时代，然后日本紧接着研制出通信光纤的损耗是100分贝/千米，康宁公司基于粉末法研制出了损耗在20分贝/千米以下的石英光纤，到最近的掺锗石英光纤的损耗降低至0. 2分贝/千米，已经接近了石英光纤理论上提出的损耗极限，所以，可以把光纤通信技术分为大致五个阶段，即850纳米波段的多模光波，到1310纳米多模光纤，到1310纳米单模光纤，再到1550纳米单模光纤，最后是长距离进行传输的光纤通信技术。尽管玻璃光纤具有极好的光学传送性能等一系列优点，但它有一个致命的弱点就是强度低，抗挠曲性能差，因而很难加工处理，在一些空间较狭窄及交接的应用上有很大的困难，而且抗辐射性能也不好，制作成本也太高。所以，科学家们一直没有停止过对光纤的探索，近十几年来，光纤通信技术有了长足的进展，其中的新技术也不断被发掘，大大提高了传统意义上的通信能力，这使得光纤通信技术在更大的范围内得到了应用。尤其是近些年来，随着通信业务量的不断增加，业务种类也更加丰富，人们不仅需要语音业务，高速数据、高保真音乐、互动视频等多媒体业务也已经得到了更多用户的青睐。

6.1 普通单模光纤

符合ITU-T G.652.A规定的普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展，光中继距离和单一波长信道容量增大,G.652.A光纤的性能还有可能进一步优化，表现在1550nm区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合ITU-T G.654规定的截止波长位移单模光纤和符合G.653规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。G.653光纤虽然可以使光纤容量有所增加，但是，原本期望得到的零色散因为不能抑制四波混频，反而变成了采用波分复用技术的障碍。

为了取得更大的中继距离和通信容量，采用了增大传输光功率和波分复用、密集波分复用技术，此时，传输容量已经相当大的G.652普通单模光纤显得有些性能不足，表现在偏振模色散（PMD）和非线性效应对这些技术应用的限制。在10Gb／s及更高速率的系统中，偏振模色散可能成为限制系统性能的因素之一。光纤的PMD通过改善光纤的圆整度和／或采用“旋转”光纤的方法得到了改善，符合ITU-T G.652.B规定的普通单模光纤的PMDQ通常能低于0.5ps／km1/2，这意味着STM-64系统的传输距离可以达到大约400km。G.652.B光纤的工作波长还可延伸到1600nm区。G.652.A和G.652.B光纤习惯统称为G.652光纤。

传统的普通单模光纤(G.652光纤)在1310nm波长窗口色散为0，但是损耗较大(0.35dB/km)，在1550nm波长窗口损耗小(0.2dB/km)，但是色散较大(20ps/nm•km)。为了利用光纤的1550nm长窗口的低损耗特性和成熟的光放大技术(EDFA)，而又想具有低色散，可以对光纤的结构进行设计，从而使零色散波长产生位移，设计出了色散位移光纤，即G.653光纤。G.653光纤在1550nm波长窗口的低损耗和低色散特性非常适合光纤孤子通信的需要，在高速光纤孤子通信系统中得到了大量应用，但是它1550rim处的色散为零，在进行WDM时会产生严重的FWM效应，不适应波分复用系统的需要。

为了在一根光纤上开放更多的波分复用信道，国外开发出一种称为“全波光纤”的单模光纤，它属于ITU-T 652.C规定的低水吸收峰单模光纤。在二氧化硅系光纤的谱损曲线上，在第二传输窗口1310nm区（1280nm-1325nm）和第三传输窗口1550nm区（1380nm-1565nm）之间的1383nm波长附近，通常有一个水吸收峰。通过新的工艺技术突破，全波光纤消除了这个水吸收峰，与普通单模光纤相比，在水峰处的衰减降低了2／3，使有用波长范围增加了100nm，即打开了第五个传输窗口1400nm区（即1350nm-1450nm区），使原来分离的两个传输窗口连成一个很宽的大传输窗口，使光纤的工作波长从1280nm延伸到1625nm。

为了提高光缆传输密度，国外开发了一种多芯光纤。据报道，一种四芯光纤的玻璃体部分呈四瓣梅花状，涂覆层外形为圆形，其外径与普通单芯光纤相同（见图1a）。光纤的折射率分布采用突变型时，光纤的平均衰减在1310nm波长上为0.375±0.01dB／km；在1550nm波长上为0.225±0.01dB／km。这种光纤的接头采用硅棒加热可缩套管的方法，其接头损耗的平均值为0.17dB，标准偏差0.10dB。

6.2 高强度耐弯单模光纤

在光通信领域中，高强度耐弯单模光纤是企业最具竞争力的一种光纤，主要是因为在光纤网建设重点由骨干网向城域网、用户接入网发展，高强度耐弯单模光纤主导的全业务接入网正在成为光缆市场的主要拉动力，其中最具代表性的就是正在迅速发展的FTTH网络，高强度耐弯单模光纤特点就是光纤可以沿着建筑拐角施工，从而降低网络布线的成本。

6.3 无水峰光纤

与传统的单模光纤相比，无水峰光纤具有下列优势：其一，在全部可用波长范围内比常规光纤增加了约一半，可复用的波长数大大增加，可实现超大容量传输；其二，可用波长范围大大扩展后，可以采用稀疏波分复用(CWDM)方案，使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的元件，使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降；其三，1350～1450nm波长窗口的光纤色散仅为1550nm波长区的一半，容易实现高比特率长距离传输。

6.4 大有效面积光纤

超高速系统的主要性能限制是色散和非线性。通常线性色散可以用色散补偿的方法来消除，而非线性的影响却不能用简单的线性补偿的方法来消除，光纤的有效面积是决定光纤非线性的主要因素。为了适应超大容量长距离密集波分复用系统的应用，大有效面积光纤已经问世。在c波段，由大有效面积光纤构成的以10Gbit/s为基础的高密集WDM系统信噪比较高，误码率较低，光放大器的间隔较长，因而得到了广泛的应用。

6.5 宽带光传输用非零色散光纤

宽带非零色散平坦光纤以G.656光纤为例，其特点是在工作波长范围内色散应大于所要求的非零值，有效面积合适，色散斜率基本为零。因此，应用G.656光纤既可显著降低系统的色散补偿成本，又可进一步发掘石英玻璃光纤潜在的巨大带宽。使用G.656光纤时，可保证通道间隔100GHz、40Gbit/s系统至少传输400km。

7 国内光纤发展

我国的光通信起步较早．1973年，世界光纤通信尚未实用。邮电部武汉邮电科学研究院（当时是武汉邮电学院）就开始研究光纤通信。由于武汉邮电科学研究院采用了石英光纤、半导体激光器和编码制式通信机正确的技术路线，使我国在发展光纤通信技术上少走了不少弯路，从而使我国光纤通信在高新技术中与发达国家有较小的差距。

我国研究开发光纤通信正处于十年动乱时期，处于封闭状态。国外技术基本无法借鉴，纯属自己摸索，一切都要自己搞，包括光纤、光电子器件和光纤通信系统。就研制光纤来说，原料提纯、熔炼车床、拉丝机，还包括光纤的测试仪表和接续工具也全都要自己开发，困难极大。武汉邮电科学研究院，考虑到保证光纤通信最终能为经济建设所用，开展了全面研究，除研制光纤外，还开展光电子器件和光纤通信系统的研制，使我国至今具有了完整的光纤通信产业。

1978年改革开放后，光纤通信的研发工作大大加快。上海、北京、武汉和桂林都研制出光纤通信试验系统。1982年邮电部重点科研工程“八二工程”在武汉开通。该工程被称为实用化工程，要求一切是商用产品而不是试验品，要符合国际CCITT标准，要由设计院设计、工人施工，而不是科技人员施工。从此中国的光纤通信进入实用阶段。

在20世纪80年代中期，数字光纤通信的速率已达到144Mb/s，可传送1980路电话，超过同轴电缆载波。于是，光纤通信作为主流被大量采用，在传输干线上全面取代电缆。经过国家“六五”、“七五”、“八五”和“九五”计划，中国已建成“八纵八横”干线网，连通全国各省区市。现在，中国已敷设光缆总长约250万公里。光纤通信已成为中国通信的主要手段。在国家科技部、计委、经委的安排下，1999年中国生产的8×2.5Gb/sWDM系统首次在青岛至大连开通，随之沈阳至大连的32×2.5Gb/sWDM光纤通信系统开通。2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路。 此时中国已建立了一定规模的光纤通信产业。中国生产的光纤光缆、半导体光电子器件和光纤通信系统能供国内建设，并有少量出口。

有人认为，我国光纤通信主要干线已经建成，光纤通信容量达到Tbps，几乎用不完，再则2000年的IT泡沫，使光纤的价格低到每公里100元，几乎无利可图。因此不要发展光纤通信技术了。

实际上，特别是中国，省内农村有许多空白需要建设；3G移动通信网的建设也需要光纤网来支持；随着宽带业务的发展、网络需要扩容等，光纤通信仍有巨大的市场。现在每年光纤通信设备和光缆的销售量是上升的。目前．铺设光纤总长度达2 500万km．覆盖了全国省会以上城市和70多地市：参与建设、投资近20条海底光缆．能与世界上70多个国家和地区进行通信业务：已基本上掌握了100 Gb／s的同步数字体系高速光通信系统技术、288芯和648芯带状光缆生产技术以及应用到同步数字体系高速光通信系统中的光放大器生产技术等。近年来，光通信以年均15％一20％的速度发展．成为我国与发达国家之间差距最小的领域之一。但应该看到的是．我国光纤通信设备所需的一些关键技术、元器件、材料仍部分依赖进口。所以，今后光传输仍应是信息产业建设发展的重点．日渐成熟的光纤通信技术已经和正在为信息的扩容和IP网络的发展起着巨大的推动作用。如今回顾起来，光纤在中国所经历的“里程碑”依然历历在目：

1976年，赵梓森等人在武汉邮电科学研究院用几个电炉加几个烧瓶“土法”拉出了我国第一根光纤。在当时，光通信并非国内科学家研究的主流方向。

1977年，第一根短波长(0．85mm)阶跃型石英光纤问世，长度为17m，衰减系数为300dB/km；研制出Si-APD。

1978年，阶跃光纤的衰减降至5dB/km；研制出短波长多模梯度光纤，即G.651光纤；研制出GaAs-LD。

1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km；建成5.7km、8Mb/s光通信系统试验段。

1980年，1300nm窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减为0.29dB/km；研制出短波长用的GaAlAs-LD。

1981年，研制出长波长用的InGaAsP-LD和PIN探测器；多模光纤活动连接器进入实用；研制出34Mb/s光传输设备。

1982年，研制成功长波长用的激光器组件和探测器组件(PIN-FET)；研制出光合波分波器、光耦合器、光衰减器、滤光器等无源器件；研制出140Mb/s光传输设备。同年，武汉邮科院的科学家自行研制生产的第一根光纤光缆成功跨越长江，在武昌和汉口之间架起了我国首次拥有自主知识产权的光电子通信桥梁，开创了我国数字化通信的新纪元。

1984年，武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模)。

1985年，研制出1300nm单模光纤，衰减达0.40dB/km。

1986年，研制出动态单纵模激光器。国内首条从化学提纯到熔炼、拉丝、套塑、筛选、测试的完整光纤工业性试验生产线在武汉邮电科学研究院成立，并于当年9月试生产。

1988年，成立“长飞光纤光缆有限公司”合资企业，首个国外光纤光缆生产线获得引进，并于1991年进行光纤和光缆的试生产，1993年通过国家验收，当时其光纤和光缆的年产能分别达到6万公里和4万公里。

1989年，汉阳——汉南40Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。

1990年，研制出G.652标准单模光纤，最小衰减达0.35dB/km；到1992年降至0.26dB/km；成功地研制出1550nm分布反馈激光器(DFB-LD)。同年，国内自主知识产权的光纤预制棒核心制造设备――PCVD国产化设备研制成功，并投入光纤预制棒的生产。

1991年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减达0.22dB/km；研制出565Mb/s光传输设备；合肥——芜湖40Mb/s单模光传输系统工程通过国家鉴定验收。

1992年，研制出掺铒光纤EDF；研制出可调谐DFB-LD和泵浦源LD；FC-PC陶瓷单模光纤活动连接器通过邮电部鉴定。

1993年，在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展，小信号增益达25dB。上海——无锡65Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。该工程的建成，在国内外产生了重大影响，对此后“巴统”的解散起到一定的“催化”作用。

1994年，在杜良桢老师的带领下，由国内知名的企业开发科技（昂纳集团的前身）虽引进国外先进技术工艺，但率先世界走向现规模化生产。

1995年，研制出STM-1、STM-4 SDH设备。

1996年，研制出STM-16 SDH设备。

1997年，研制出G.655非零色散位移光纤；研制出应变多量子阱DFB激光器，STM-1、STM-4收/发模块和STM-16接收模块；成都——攀枝花22Mb/s SDH光传输工程通过邮电部鉴定验收；咸宁622Mb/s SDH双自愈环互连系统工程通过建设部门初验。

1998年，海口——三亚5Gb/s光传输系统工程通过邮电部鉴定验收，该工程全长322km，仅在万宁设一个中继站，海口——万宁的中继距离为172km，仅在发送机中使用一个EDFA就实现了这一超长中继。研制出OADM、OXC样机。

1999年，8×2.5Gb/s DWDM系统通过国家验收，并研制出STM-64 SDH设备，而后IP over SDH的建议被ITU-T确认。

中国光通信技术的发展，经历了许多曲折和困难，有研发初期“巴统”的技术封锁，基础和配套工业设施跟不上，资金投入的不足，人才资源缺乏等。但我国光通信界的同行们为发展自己的民族光通信事业，克服了重重困难，掌握了光纤、器件、系统等各方面的关键技术，逐渐走进了国际光通信的先进行列。特别是在主要技术上，都有自己的特色和创新，如1B1H的光线路码型、自己特色的网络管理系统、能构成自愈环的PDH设备、自行设计的全套SDH专用芯片、在线升级的SDH设备、通过LAPS实现的IP over SDH等，形成了自己的知识产权，为进一步发展打下了良好的基础。

随后经过多年努力，中国科学家攻克了从本体聚合法直接生产聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）突变型塑料光纤的技术难关，掌握了批量连续化生产塑料光纤技术，破除了日本公司在国际上的垄断地位。随后在2010年，江西大圣推出具有国际水平的低损耗PMMA光纤，深圳中技源收购Firecomms发展塑料光纤系统高端产品，东莞一普打造塑料光纤24口以太网光交换机，金三角大力投入推动塑料光纤量产，西安飞讯推动650nm系统标准化以及旭硝子拿出先进的Fontex系统进军中国市场。

8 未来光纤的发展

2011年预计7200万人将在线观看电视剧，他们希望拥有高速、可靠和高清的网络服务。此前，我们观察到，2010年，在高峰观看时段视频流量约占37%的总带宽，随着不断增长的在线视频用户，这一数字将进一步攀升。思科则预测，截止至2013年，全球的互联网流量将达到767EB，这一数字比能够覆盖整个地球的所有沙粒总量的100倍还要多。

由此可见，未来光纤必定要向高速、超大容量、低损耗和低成本的方向发展。

8.1 光子晶体光纤

与常规光纤不同，光子晶体光纤(PCF)是由石英玻璃一空气孔微小结构组成的光纤，其又可以分为实芯光纤和空芯光纤，即前者是由石英玻璃棒和石英玻璃毛细管加热拉制成的，而后者则是由石英玻璃管和石英玻璃毛细管加热拉制成的。在PCF的拉制过程中，改变拉制温度和速度就可以调整PCF的结构和性能，使得PCF作为光传输介质和光器件具有许多诱人之处，实际上，人们是通过调整纤芯直径、包层空气孔直径、包层空气孔之间距离方式来达到分别制造出具有低衰减、高色散、非线性效应小(大模场直径或者大有效面积)、保偏和小弯曲损耗等性能的PCF的目的。

8.2 塑料光纤

塑料光纤(POF)以其芯径大、制造简单、连接方便、可用便宜光源等优点正在受到宽带局域网建设者的青睐。正是宽带局域网的迅速发展带来了POF技术的革命性进步，特别是以全氟化的聚合物为基本组成的氟化塑料光纤在局域网的逐步使用，标志着PF-POF已由试验室步入实际应用中。另外，为了提高POF带宽和减小模间色散，POF都采用梯度折射率分布结构，再通过选择小色散材料，提高模耦合效率和减小差分模衰减等措施，可以达到提高POF带宽的目的。 和石英光纤网络一样，塑料光纤网络要实现成熟商用，也需要规范的塑料光纤系统设备。中技源之前的许多创新产品已经在法国电信、美国AT&T获得应用，并取得良好评价，下一步中技源还会借助Firecomms推出更多创新产品。随着半导体材料制造水平的不断提高和生产成本的大幅度

降低，光纤、有源/ 无源光器件的价格日益便宜，从而推动了光纤到大楼(FTTB，Fiber To The Build)、光纤到家庭(FTTH，Fiber ToThe Home)、光纤到桌面(FTTD，Fiber To The Desk)的实用化发展进程。特别是最近几年，日本和美国等发达国家已经开发出了梯度折射率分布塑料光纤。由于塑料光纤制造工艺简单、材料便宜和连接成本低等特点，已被应用于企业和大学校园局域网中。正是宽带局域网的迅速发展带来了POF 技术的革命性进步，特别是以全氟化的聚合物(商用产品名称为CYTOP) 为基本组成的氟化塑料光在局域网的逐步使用，标志着PF-POF 已由试验室步人实际应用中。

在国际线缆会议上，美国杜邦公司的研究人员指出选择氟化的聚合物制造塑料光纤的理由是，氟化的聚合物具有杰出的介电性能、优异的阻燃性能、优秀的热稳定性、特殊的耐化学侵蚀性等。这些突出的特性是由其F、C、H 和cl 的原子结构所决定。由于F 赋予氟化的聚合物很强的C-F 键，从而使聚合物具有很好的热和化学稳定性能，所以当今普遍采用氟化的聚合物制造塑料光纤。一般局域网工程中应用的POF，是以全氟化的聚合物为基本组成的PF-POF。对PF-POF 的研究要点是衰减、带宽、制造方法等问题。最早POF 是用聚甲基丙烯酸甲材料制成的。由于PMMA 材料中存在着大量的C-H 键谐振会引起很大的光吸收，所以PMMA-POF 在650nm 的衰减系数高达160dB/km 以上。研究人员采用全氟化的聚合物材料为基本成分制造出了在850nm和1300nm 的衰减系数小于20dB/km 的PF-POF。究其原因是氟化的聚合物中的C-F 键大大减小了光吸收，故全氟化的聚合物PF-POF 的衰减系数十分小。表2 列出了当前PMMA-POF、PF-POF 和挤塑PF-POF 的性能及其应用水平。

8.3 用于局域网的新型多模光纤

由于局域网和用户驻地网的高速发展，大量的综合布线系统也采用了多模光纤来代替数字电缆，因此多模光纤的市场份额会逐渐加大。之所以选用多模光纤，是因为局域网传输距离较短，虽然多模光纤比单模光纤价格贵50%～100%，但是它所配套的光器件可选用发光二极管，价格则比激光管便宜很多，而且多模光纤有较大的芯径与数值孔径，容易连接与耦合，相应的连接器、耦合器等元器件价格也低得多。ITU-T至今未接受62.5/125μm型多模光纤标准，但由于局域网发展的须要，它仍然得到了广泛运用。而ITU-T推选的G.651光纤，即50/125μm的标准型多模光纤，其芯径较小、耦合与连接相应困难一些，虽然在部分欧洲国家和日本有一些运用，但在北美及欧洲大多数国家很少采用。针对这些疑问，目前有的公司已执行了改良，研制出新型的5O/125μm光纤渐变型(G1)光纤，区别于传统的50/125μm光纤纤芯的梯度折射率分布，它将带宽的正态分布执行了调整，以配合850nm和1300nm两个窗口的运用，这种改良可能会为50/125pm光纤在局域网运用找到新的市场。局域网和用户驻地网的高速发展，大量的综合布线系统也采用了多模光纤来代替数字电缆，因此多模光纤的市场份额会逐渐加大。之所以选用多模光纤，是因为局域网传输距离较短，虽然多模光纤比单模光纤价格贵50％～100％，但是它所配套的光器件可选用发光二极管价格则比激光管便宜很多，而且多模光纤有较大的芯径与数值孔径容易连接与耦合，相应的连接器、耦合器等元器件价格也低得多。

8.4 空芯光纤

美国一些公司及大学研究所正在开发一种新的空芯光纤，即光是在光纤的空气中传输。从理论上讲，这种光纤没有纤芯，减小了衰耗。增长了通信距离，防止了色散导致的干扰现象，可以支持更多的波段，并且它允许较强的光功率注入，预计其通信能力可达到目前光纤的100倍。对于其究竟是否可以问世，我们拭目以待。

8.5 色散控制光纤(DMF)

DWDM(密集波分复用)系统要求色散控制，使系统的色散特性既能足以抑制FⅣM (四波混频)，又要使总色散为零。过去用交替连接正/负色散的光纤或色散沿光纤长度渐变的光纤进行。在OFC99会议上，NTTdocomo的40kmDMF，其色散符号周期性变化是每20km为1周期。在1550nm的平均色散为-0.06ps/nm，色散斜率0.064ps/nm，衰减系数0.2dB/km，两端的截止波长分别为1.05nm和1.11µm。NTTdocomo是通过在拉丝过程中控制拉丝速度、改变包层直径，实际上是改变了芯径，而芯径影响色散的方式来实现其色散符号周期性变化的。

8.6 氟化物制造的光纤

以为主体的玻璃，将成为下一代通讯光纤的主要材料。目前， 美、日、英等国都在加紧进行研究， 氟化物光纤的最低光损耗巳达到0.7 dB／km，最终的目标是将其降低至0.001 dB／km， 实现1000km无中继的光传输 显然这是一个激动人心的目标，当然为此还要付出艰巨的努办。由于氟化物玻璃的折射率低，在0.2～7.0μm波长范围内都有较高透过率， 所以它不仅可望成为在3～4μm范围内的低损耗光纤材料，而且，它也是传输大功率的HF激光、CO及激光妁理想材料，在激光加工和医疗等领域有广泛用途。

9 国内光纤的现状与未来

2009年是国内光纤发展最为迅速的一年，在3G和拉动内需的双重影响下，国内的光纤产业爆炸性增长

9.1 国内光纤产业现状

光纤光缆技术主要包括三大关键技术，即光纤预制棒技术、光纤拉丝工艺及技术和光缆制造技术。目前国内外的光纤光缆产业已逐步形成由光纤预制棒、光纤和光缆为主的产业构成，扩展外延可形成包括光纤光缆材料在内的四大部分，构成一个完整的产业链体系。

我国光纤光缆产业制造大国地位已经确立，继1991～1994年的第一次扩张期和1999～2001年的第二次大规模扩张期，2008以来，我国光纤光缆产业迎来第三次扩张期，国内光纤光缆产能跨跃式地达到了10000万芯公里/年，包揽了全球产能的一半以上。

在世界网络带宽保持了50%-100%的年增长速率的同时，中国的干线业务量和带宽需求的实际年增长率均超过了200%。根据美国跨大西洋Internet干线流量统计，中国近几年国内干线数据业务量年增长260%。国际Internet带宽能力年增长245%，五年累增大约100倍。传统的光纤通信发展始终在按照电信号的时分复用（TDM）方式进行，每当传输速率提高4倍，传输每个比特的成本大约下降30%~40%，因而高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长。

但我国产业发展水平并不均衡，发展水平有待提高，需要注意防范新一轮产能扩张带来的风险。目前，国内光棒需求主要还倚赖进口，但光棒进口在未来5年将持续减少，并将最终与光纤拉丝能力匹配；各主要光纤光缆企业的布局会在3年内达到一个相对稳定的状态，总体看来中国的光纤拉丝能力将超过国内需求，光纤的竞争开始向成本、质量、品牌等深层次转移；光缆的交货能力从数量和地域上都大大提升，光缆产能过剩将日趋显现出来。

9.2 国内光纤发展动力

近年来，国内通信业最火的三项技术不外乎3G、FTTH和三网融合。

2G到3G是无线通信的一次巨大飞跃，国外很早就已经开始投入商业，而我国相对落后。截至2009年年底，国内三家运营商3G投资共计1609亿元，3G用户已经达到了1325万户，其中具有自主知识产权的TD-SCDMA的3G业务达到510万户。3G的快速发展对基础网络建设的光纤带来了巨大的市场

光纤到户（FTTH）需要建立物理层得网络，而这个网络的建设离不开光纤等光器件，国家已经将FTTH提升到战略的高度，“十二五”结束后，南方准备实现全覆盖，打造“城市光网”，这极大的促进了光纤的发展。

三网融合是一个新概念，在国外早已实行，但国内还处于试用阶段，国家下一步将重点开展广电和电信业务双向进入试点；在2012年前选择比较成熟的地区进行推广；2013年至2015年，进入到实际应用当中，全面实现三网融合。这将会是光纤发展的一次很好的契机。

9.3 国内光纤未来的发展

2004年以来，各大运营商的集中采购，极大地推动了中国光缆产品的标准化，常用的GYTA、GYTS等规格光缆同质化非常明显，结构、性能等方面都大同小异。2008年各主要企业都加大了研发的投入，自主创新的技术和产品不断出现，G.657类光纤的研制与国际同步。在第59届国际电线电缆行业大会(IWCS)上，烽火通信4篇光纤光缆技术论文被接收录用，并受邀请赴美国进行会议交流。这是烽火通信在光钎线缆技术领域第一次多篇学术论文同时被国际行业学术会议录用，向海内外同行们展示了烽火通信在光纤光缆领域应有的技术实力。这一系列新技术出现，说明国内各大光纤光缆企业更重视自有知识产权的创新，是从制造大国向制造强国迈进的必然阶段。

另外，由于国内制造生产量巨大，不应该局限于国内的试用，国内厂家应该走出国门，与世界各地的光纤制造商竞争市场，扩大市场份额，现在中国出口光缆的数量还不到国际市场需求量的10%，前景还是非常乐观的。

10 结束语

光纤是本世纪最重要的发明之一，它彻底改变了人类通讯的模式，为目前的信息高速公路奠定了基础。“至少从现在来看光纤通信仍是信息高速传输的唯一选择，没有任何替代方式。”上海交通大学“区域光纤通信网与新型光通信系统”国家重点实验室主任胡卫生认为。而用“光纤之父”高锟自己的话说，“光纤通信1000年也不会被取代”。

光纤通信具有通信容量大，传输损耗小，中继距离长，抗干扰能力强，节省资源，体积小，重量轻，便于施工和维护等优点，凭借着自身的巨大技术优势以及网络应用的要求，使其技术向超长距离传输、超高速系统、超大容量波分复用(WDM)方向发展。新技术、新器件、新标准的研发，必将极大地促进光纤通信技术的发展及应用，极大地影响人类生活的各个领域。

光纤行业是知识经济时代重要的支柱产业———信息产业的重要组成部分，其赖以基础的光电子技术具有微电子技术无法比拟的优越性能和广阔的应用领域。我国只有具有了自己的核心技术，在技术上处于领先地位，才能在未来激烈的市场竞争中立于不败之地。

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致谢

在此论文撰写过程中，要特别感谢我的导师的指导与督促，同时感谢她的谅解与包容。没有李老师的帮助也就没有今天的这篇论文。求学历程是艰苦的，但又是快乐的。感谢我的各学科的科任老师，谢谢他们在这四年中为我们全班所做的一切，他们不求回报，无私奉献的精神很让我感动，再次向他们表示由衷的感谢。在这四年的学期中结识的各位生活和习上的挚友让我得到了人生最大的一笔财富。在此，也对他们表示衷心感谢。

本文参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬！