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什么是光纤?光纤是如何传输数据的?单模和多模的区别是什么?

文章出处:常见问题 责任编辑:广东神州光缆有限公司 发表时间:2022-06-27
  光纤是一种利用光来传递信息的技术。光纤的结构如下图所示。它由双层纤维透明材料(玻璃和塑料)制成,通过在内部纤芯中传导光信号来传输数字信息。

光纤
信号由多个频段的信号组成,比较复杂,但是光信号很简单,亮表示1,暗表示0。

然而,数字信号不能直接转换成光信号。我们需要先把数字信号转换成电信号,再把电信号转换成光信号。电信号很简单,高压代表1,低压代表0。

这种电信号输入LED、激光二极管等光源后,这些光源会根据信号电压的变化而发光,高压发光,低压发光暗。

这样的光信号在光纤中传导后,可以通过光纤到达接收端。该接收端设有一可感应光线的感光元件,该感光元件可根据光线的亮度产生不同的电压。

当光信号照射到其上时,亮时产生高电压,暗时产生低电压,从而将光信号转换成电信号。最后,电信号被转换成数字信息,然后我们接收数据。

这就是光纤的通信原理。

其中光纤分为单模光纤和多模光纤,两者有什么区别?

单模光纤的纤芯更细,多模光纤的纤芯更粗,单模光纤的传输距离更长,但多模光纤的传输距离比单模光纤便宜。

很多人可能会问,不是应该更厚更贵吗?其实光纤越薄,技术要求越高。想想是不是越做越小,越做越难,越做越贵。

光纤的直径对光的传输有很大的影响。光纤通信的关键技术是光纤

在透明材料中传导光听起来很简单,但实际上,传导光的方式非常复杂。不同材料制成的光纤的透光率和折射率也不同,纤芯直径等因素也会影响透光率。

我们初中都学过光的折射和反射。光纤实际上是一个圆柱形的玻璃,光通过玻璃可以发生折射和反射,折射的部分会损失掉,而全反射的部分可以透射到光纤的另一端。

因为光源会向各个方向发射光,所以各种角度的光都会进入纤芯,但是入射角过大的光会在纤芯和包层的边界(纤芯的外边缘)发生折射,只有入射角小的光才会被包层全反射,从而在纤芯中前进。

但是光纤中并不是所有全反射的光都能透射,因为光也是波,如果是波,就会有损耗。当光在纤芯和包层的边界被反射时,由于反射角的原因会发生相位变化。

当向反射表面前进的光遇到反射回来的光时,如果两条光线的相位不一致,它们将相互干涉,并且只有那些相位一致的光线将在光纤中继续透射。

就像水的波纹一样,在波纹的中心会产生各种相位的波,不同相位的波会相互干涉。

如果周围没有障碍物,水面的波纹会一直以同心圆的形式向外扩散,但如果碰到两边的墙壁,波纹就会被反射回来。

此时,向墙壁传播的波和从墙壁反射的波将相互叠加,其中同相位的波相互增强,不同相位的波相互抵消。

光纤中也是如此,只不过与水波不同的是,光在被纤芯和包层的边界反射时,其相位会发生变化。

这种变化的量随着光在反射表面上的反射角而变化。在大多数角度,它会被不同相位引起的干扰抵消。

但在一定角度下,前进到反射面的光的相位与反射光的相位是一致的,只有在这些角度下反射的光才能继续向前透射。

进入光纤的光线有各种角度,但其中只有少数以特定角度入射以保持相位一致的光线会继续传导。

所以纤芯的直径对光的透射有很大的影响,因为直径决定了光的入射角。

根据纤芯直径的不同,光纤可以分为几种类型,一般包括更细的单模光纤(8 ~ 10μ m)和更粗的多模光纤 (50微米或62.5微米)。

单模光纤的纤芯很细,只有小入射角的光才能进入。所以在能保持相位一致的角度中,只有角度最小的光才能进入光纤。

另一方面,单模光纤的纤芯直径设计成只允许同相位的最小角度光进入,也就是说在单模光纤上只传输一束光。

多模光纤的纤芯较厚,入射角较大的光也能进入。这样,在相位相同的角度中,不仅可以传导光纤中最小的角度,还可以传导其他角度更大的角度,即可以在核心中同时传导多条射线。

换句话说,单模和多模实际上表明是否存在一个或多个相位相同的角度,这就决定了它们的特性也是不同的。

多模光纤可以传导多条光线,意味着可以通过更多的光线,对光源和感光元件的性能要求更低,这样可以降低光源和感光元件的价格。

相对来说,单模光纤纤芯只能传导一种光,能通过的光更少。相应的,对光源和感光元件的性能要求更高,价格也更高,但信号失真会更小。

在多模光纤中,多条反射角不同的光线同时传导,反射角越大,光线反射的次数越多,传播的距离越长。相对来说,反射角越小,光传播的距离越短。

光传播的距离会影响到达接收端的时间,即传播的距离越长,到达接收端的时间越长。因此,当多条射线在不同时间到达时,信号的宽度会被拉伸,从而导致失真。

所以光纤越长,失真越大,超过允许范围,通信就会出错。

而单模光纤则不会有这样的问题,因为纤芯中传输的光只有一种,不会因为传播距离的不同而产生时差,所以即使光纤很长,也不会出现严重的失真。

所以单模光纤失真小,损耗小,比多模光纤传输的更远。因此,多模光纤主要用于建筑物内部的连接,而单模光纤用于远处建筑物之间的连接。
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