光纤的工作原理和种类

光导纤维（英语：Optical fiber），简称光纤，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光在这些纤维中以全内反射原理传输的光传导工具。

微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。

通常光纤的一端的发射设备使用发光二极管或一束激光将光脉冲发送至光纤中，光纤的另一端的接收设备使用光敏组件检测脉冲。

包含光纤的线缆称为光缆。

由于信息在光导纤维的传输损失比电在电线传导的损耗低得多，更因为主要生产原料是硅，蕴藏量极大，较易开采，所以价格很便宜，促使光纤被用作长距离的信息传递介质。

光纤的主要用途是通信。目前通信用的光纤，基本上是石英系光纤，其主要成分是高纯度石英玻璃，即二氧化硅(SiO2) 。

光纤通信系统，就是利用光纤来传输携带信息的光波，以达到通信的目的。

光纤的工作原理是光的全反射

光纤的色散 

（1）色散的原因

在光纤中，光信号是由很多不同的成分组成的，由于信号的各频率成分或各模式成分的传播速度不同，经过光纤传输一段距离后，不同成分之间出现时延差，引起传输信号波形失真，脉冲展宽，这种现象称为光纤色散。

（2）色散的影响

光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变和展宽，从而产生码间干扰。为了保证通信质量，必须增大码间间隔，即降低信号的传输速率，这就限制了光纤系统的通信容量和传输距离。

（3）色散的分类

按照色散产生的原因，光纤色散可分为模式色散，材料色散、波导色散和极化色散。

光纤的损耗 

光纤的损耗是指光信号经光纤传输后，由于吸收、散射等原因引起光功率的减小。

（1）吸收损耗

本征吸收：光纤材料本身所固有的吸收作用。

杂志吸收：光纤中杂质对光的吸收作用。

（2）散射损耗

线性散射；非线性散射；结构不完善散射。

（3）其他损耗

微弯曲衰耗等。

光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。

由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。

当弯曲半径大于5～10cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。

光纤通信的优点

通信容量巨大

从理论上讲，一根光纤可以同时传输100亿个话路，目前同时传输50万个话路的试验已经成功，比传统同轴电缆、微波等高出几千乃至几十万倍。

中继距离长

光纤具有极低的衰耗系数，配以适当的光发送、光接收设备、光放大器、前向纠错与RZ编码调制技术等，可使其中继距离达数千公里以上，而传统电缆只能传送1.5km，微波50km，根本无法与之相比拟。

保密性好

适应能力强

具有不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀等优点。

因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。

体积小、重量轻

原材料来源丰富、价格低廉

光纤的种类

多模光纤 

可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。

单模光纤 

只能传一种模式的光，因此其模间色散很小，适用于远程通讯。

单模光纤和多模光纤对比 

多模光纤和单模光纤的应用 

根据国际电信联盟ITU-T建议，通信光纤分为G.651-G.657七大类，其中G.651为多模光纤，G.652至G.657为单模光纤。

光纤跳线Optical Fiber

光纤跳线又叫光纤连接器，两端都有连接头。

光跳线由一根或数根一定长度的光纤和光连接器构成，光跳线用来做从设备到光纤布线链路的跳接线，一般用于连接光端机和终端盒。

单模光纤(Single-modeFiber) 

一般光纤跳线用黄色表示，接头和保护套为蓝色；传输距离较长。单模光缆的连接距离可达10公里。

多模光纤(Multi-modeFiber) 

一般光纤跳线用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色；传输距离较短。

多模光缆的连接距离要短的多，是300米或500米（主要看激光的不同，产生短波长激光的光源一般有两种，一种是62.5的，一种是50的）

多模光纤通常在建筑物内或公司园区内具有成本效益，而单模光纤则更适合长距离运行。

单模光纤可以传输更远的距离，但是通常需要更昂贵的设备。

对于长度不超过几百米的安装，多模式是经济有效的。

光纤常见接口类型 

光纤连接器按连接头的结构形式可分为：

FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT-R等类型，常用的为FC、SC、ST和LC。

（1）FC接口（Ferrule Connector）

最早应用于存储局域网络。外壳材质为金属，接口处有螺纹，和光模块连接时可以固定的很好。

（2）ST接口(Stab & Twisst)

材质为金属，接口处为卡扣式，常用于光纤配线架。

（3）SC接口（Square Connector）

材质为塑料，推拉式连接，接口可以卡在光模块上，常用于交换机。

“SC”接头是标准方型接头，采用工程塑料，具有耐高温，不容易氧化优点。传输设备侧光接口一般用SC接头。

（4）LC接口（Lucent Connector）

材质为塑料，用于连接SFP光模块，接口可以卡在光模块上。

“LC”接头与SC接头形状相似，较SC接头小一些。“FC”接头是金属接头，一般在ODF侧采用，金属接头的可插拔次数比塑料要多。在表示尾纤接头的标注中，常能见到“FC/PC”，“SC/PC”等。

光纤尾纤(the tail fiber)

又叫尾线、猪尾线，一端是连接头，另一端是光缆纤芯的断头。

主要用于连接光缆与光纤收发器（之间还用到耦合器、跳线等）。

一般出现在光纤终端盒内，通过熔接方式与其他光缆纤芯相连，可简化电缆系统的安装和维护工作。

（1）尾纤的分类 

同光纤跳线一样，尾纤也分为单模尾纤和多模尾纤。它们两者在色彩、波长以及传输间隔方面有必定的差异。

一般来说，多模尾纤为橙色，作业波长为850nm，传输间隔在500m左右；单模尾纤色彩为黄色，作业波长为1310m或1550m，它可以传输的间隔较长，为10—40km左右。

别的，依据光纤芯数的不同，尾纤又可以分为单芯尾纤、4芯尾纤、6芯尾纤、8芯尾纤、12芯尾纤、24芯尾纤等。

（2）尾纤的作用 

尾纤最首要的一个效果就是衔接。光纤和尾纤衔接，把光缆中的裸纤和光纤尾纤熔合在一起变成一个全体，而尾纤则有一个独自的光纤头，经过与光纤收发器相连，将光纤和双绞线衔接，接到信息插座。

在光纤的熔接过程中，常用到以下首要东西：光端盒、光纤收发器、尾纤、耦合器、专用剥线钳、光纤切割刀等。传输体系常用的尾纤有SC/PC、FC/PC、LC/PC、E2000/APC、ST/PC等五种接口。

（3）常用的尾纤类型 

FC-SC类型，也就是一般所的圆转方的尾纤。FC衔接ODF盒，SC衔接设备的光口。这种光纤衔接器在前期的SBS和Optix设备中运用较多。

FC-FC类型，俗称圆转圆的尾纤。一般用做ODF架之间的跳纤。

SC-SC类型，俗称方转方尾纤，一般用在设备之间光板的衔接。

SC-LC类型，LC接口俗称小方头尾纤，归于卡接式接头。现在华为OSN系列设备，中兴S系列设备，包含前期朗讯的波分设备，都是用的这种光纤衔接器。

LC-LC类型，一般用在波分设备之间的内部连纤中，这个运用比较少。

MPO光线缆(Multi-fiberPushOn)

MPO连接器相较于其他连接器,最主要的特点是紧凑设计、跳线芯数多。

MPO连接器与SC连接器的尺寸相同,但可容纳12或24根光纤,因此,MPO可大大节省机柜布线空间。

目前MPO连接器有8芯、12芯、24芯、48芯、72芯、144芯数设计,其中比较常见的是12, 24芯MPO跳线。

40GMPO-MPO光纤跳线,一般采用12芯的MPO多模插芯; 100G MPO-MPO光纤跳线,则一般采用24芯的MPO插芯。

MPO属于多模光纤。

通过ISO 11801标准标识，多模光缆可分为OM1光纤，OM2光纤，OM3光纤，OM4光纤和新发布的OM5光纤。

OM , stand for optical multi-mode 

OM即光模式，是多模光纤表示光纤等级的标准。不同等级传输时的带宽和最大距离不同。

其中，OM1支持最大值为1GB的以太网传输，OM3和OM4通常用于在数据中心的布线环境，支持10G/40G/100G高速以太网的传输。

OM5则在0M4的基础上拓宽带宽通道，为100Gb/s和400Gb/s波长提供解决方案。

OM5光纤主要具有三大优势 

（1）极强的扩展性

OM5光纤跳线可以将短波波分复用和并行传输技术结合在一起，并且只需要8芯宽带多模光纤，就能够支持200/400G以太网应用；

（2）有效降低建设运营成本

OM5光纤跳线借鉴了单模光纤的波分复用技术，延展了网络传输时的可用波长范围，能够在1芯多模光纤上支持4个波长，很大程度上降低了网络的布线成本；

（3）在兼容性和互操作性方面优势明显

能够和OM3光纤跳线和OM4光纤跳线一样支持传统应用，和传统的OM3和OM4光纤跳线能够完全兼容，互操作性极强。在400G时代，OM5多模光纤应用前景广阔，即使在低速率设备向高速率设备升级迭代的过程中也能有不俗的表现。

OM光纤详细比较 

下一部分将从核心尺寸，带宽，数据速率，距离，颜色和光源方面对这些光纤进行详细比较。

OM1电缆通常带有橙色护套，芯线大小为62.5微米（µm）。它可以支持长达33米的10 Gb以太网。它最常用于100兆位以太网应用。

OM2 的建议外套颜色为橙色。其核心尺寸为50µm，而不是62.5µm。它支持长度达82米的10 Gb以太网，但更常用于1 Gb以太网应用。

OM1和OM2都可以与基于LED的设备一起使用，该设备可以沿电缆发送数百种模式的光。

OM3的建议外套颜色为水蓝色。与OM2一样，其核心尺寸为50µm，但该电缆针对使用较少光模的基于激光的设备进行了优化。作为优化的结果，它能够运行长达300米的10 Gb以太网。自从问世以来，生产技术已经提高了OM3的整体功能，使其能够与40米和100米以内的100 Gb以太网（最长100米）一起使用。10 Gb以太网是其最常见的用途。

OM4与OM3光纤完全向后兼容，并共享相同的独特防水外套（水蓝色）。OM4是专门为VSCEL激光传输而开发的，与OM3的300M相比，其10 Gig / s的链路距离可达550m。利用MPO连接器，它可以在150米内运行40 / 100GB。

OM4光纤常与40G-SR4-OSFP+或者100GBASE-SR4-OSFP28等配合使用。

OM5光纤，也称为WBMMF（宽带多模光纤），是最新的多模光纤，向后兼容OM4。它具有与OM2，OM3和OM4相同的核心大小。OM5纤维外套的颜色为（**Lime Green，水绿色）。它被设计并指定为通过850-953 nm窗口支持至少四个WDM通道，每个通道的最小速度为28Gbps。

OM5光纤在40G SWDM4网络中可以达440m距离，在100G SWDM4网络中可传输150m。

如果数据中心使用的是不符合IEEE标准的100G-SWDM4收发器，则证明OM5可以支持150米的距离，仅比OM4多50米。

布线的成本将比OM4高出约50％。

OM5的特点 

（1）更少光纤支持更高带宽的应用

OM5光纤跳线的工作波长是850/1300nm，并且至少可以支持4个波长。

OM3和OM4的通常工作波长是850nm和1300nm。

也就是说传统的OM1、OM2、OM3、OM4多模光纤只有一条通道，而OM5具有四个通道，传输能力提高了四倍。

将短波波分复用(SWDM)和并行传输技术结合在一起，OM5只需要8芯宽带多模光纤(WBMMF)，就能够支持200/400G以太网应用，大大减少了光纤芯数，在很大程度上降低了网络的布线成本。

（2）更远的传输距离

OM5光纤的传输距离比OM3、OM4的会更长。OM4光纤被设计用来支持至少100米的长度与100G-SWDM4收发器。

但OM5光纤可以支持高达150米的长度与相同的收发器。

（3）光纤损耗更低

OM5 宽带多模光缆的衰减从以前OM3, OM4 光缆的3.5 dB/km 降低到3.0 dB/km，另外增加了953nm 波长上的带宽要求。

OM5具有与OM3, OM4相同的光纤尺寸，这意味着与OM3, OM4是完全兼容的，如要在现有布线应用OM5是不需要更改的。

OM5光纤更具有扩展性和灵活性，能够以较少的多模光纤芯数支持更高速的网络传输，而成本和功耗都远低于单模光纤，因此，未来将会广泛应用于100G/400G/1T超大型的数据中心。

OM1和OM2多年来被广泛部署于建筑物内部的应用，支持最大值为1GB的以太网路传输；OM3和OM4光缆通常用于在数据中心的布线环境，支持10G甚至是40/100G高速以太网路的传输。

OM5设计用于40Gb/s和100Gb/s传输，可减少高速传输的光纤数量。

（4）物理方面差异 

物理差异主要在于直径，护套颜色，光源和带宽，如下表所述。

（5）实际差异 

多模光纤能够以各种数据速率传输不同的距离范围。可以根据实际应用选择最合适的一种。

下面指定了不同数据速率下的最大多模光纤距离比较。

（6）MPO和MTP区别 

MPO (Multi-fiber Push on)（多纤推入式）是日本NTT通信公司设计的第一代弹片卡紧式的多芯光纤连接器，现在是几家公司生产的一种多芯连接头的名称。

而MTP (Multi-Fiber Pull Off) ，（多纤拉出式）是由美国USConec 公司注册的品牌，专门指其生产的MPO连接器独特的类型。

因此，MTP连接器与所有通用MPO连接器完全兼容，并且可以直接与其他基于MPO的基础结构互连。但是，与通用MPO连接器相比，MTP连接器是一项多工程产品增强功能，可以提高机械和光学性能。

MTP和MPO光纤电缆之间的主要区别在于它们的连接器。

作为改进版本，配备MTP连接器的MTP电缆具有更好的机械设计和光学性能。

（7）MTP的主要特征 

MTP光纤连接器的外框套散件可方便移除。

MT插芯设计可在生产时的返工和重新研磨时能确保性能不受损失。阴阳性在组装后甚至在现场可灵活的改变，插芯组装后可过干涉检测。

MTP光纤连接器浮动的插芯可提高机械对接时的传输性能

可允许两个连接器在外力的影响下使相互匹配的插芯能保持良好的物理接触。

MTP光纤连接器的椭圆导针(PIN)采用的是不锈钢材质，椭圆导针能提高对接的精度，并且降低对导孔的磨损，使得MTP光纤连接器更持久地保持高性能传输。

MTP光纤连接器内有一个金属针夹用以固定推环。具体特征：

防止导针丢失;

集中弹簧所产生的压力;

防止弹簧在机械伸缩过程中触碰摩擦光纤导致光纤损坏。

（8）MTP光纤连接器的弹簧设计最大限度提高12芯和多芯带状应用的带状间隙从而防止光纤损坏。

（9）MTP光纤连接器有至少四种标准的匹配散件，可适配不同类型的光缆，更具实用性，其中包括：

松套结构的圆型光缆;

椭圆外被的带状光缆;

带状裸纤;

超短尾套连接器散件，非常适合应用在狭小的空间里，减少45%的体积。

AOC光线缆

AOC是Active Optical Cables的缩写，中文叫有源光缆。

AOC光线缆是光模块和光纤一体化的有源光线缆，使用方便简单。

AOC有源光缆是将2只光模块与光缆封装在一起，由于中间的传输介质是光缆，所以AOC的光模块，里面是有激光器件的，价格都对DAC较高；但是它的光口不外露，具有极高的可靠性，工作距离可以100米以内的远距离长度定制也是它的优势之一。

AOC有源光缆实际上就是带了光模块的光纤跳线。AOC一般长度比较短，最多也就几百米，最大的特点是光模块和光纤做成了一体，不可分离。这样的好处是整体的成本比较低，因为将光纤固定在模块里面，制作过程少用了一些光器件。

AOC有源光缆适合短距离的应用场景，不适合长距离的传输场景，这是显而易见的，光缆不可能有那么长。

AOC有源光缆在IDC数据中心机房被大量使用。

AOC对环境要求较低，没有光纤连接器的清洁问题；成本优化，不带DDM功能；

缺点：不能灵活配置距离，出厂前需要提前确认传输距离。

（1）AOC与DAC对比 

高速线缆(Direct Attach Cable)简称DAC，简单来说，高速线缆DAC是在一根线缆的两端接上光模块，广泛应用于存储区域网络、数据中心和高性能计算机连接，在网络通信中正逐渐崛起。

详细来说，高速线缆DAC是以镀银导体和发泡绝缘芯线为材料，采用线对屏蔽及总屏蔽的方式，从而构成了高速线缆。

DAC优点：

互换性强：随着铜技术的发展，高速线缆与光纤收发器件可互换和热插拔。

成本低：铜缆比光纤便宜，使用高速线缆会降低布线成本。

散热性好：高速线缆由铜芯制成，散热效果好。

高速线缆的缺点是传输距离短、重量大、体积大、难以管理，容易受到电磁干扰的影响，例如会出现不良响应、退化等问题。

AOC有源光缆的缺点是成本偏高。

光纤和光缆的区别

光纤光缆组成情况

光纤是一种传输光束的细而柔软的媒质。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。

所以光纤是光缆的核心部分，光纤经过一些构件极其附属保护层的保护就构成了光缆。

光纤外层的保护结构可以防止周遭环境对光纤的伤害。光缆包括光纤、缓冲层及披覆。

光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。

光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。

纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆、易断裂，因此需要外加一保护层。所以它们的区别就在于此。

（1）海底光缆 

海底光缆是实现国际信息互联和传输的有效途径。

国际光缆在国际通信中起到重要作用，随着云计算、大数据、物联网等产业的快速发展，全球数据交换和连接迫在眉睫。

全球IDC互联以及通信、网络互联的需求提振国际光缆需求。

而海底光缆由于具有高质量、高清晰度、大容量、安全性能好、性价比高等优点，成为国际光缆的主要形式。

根据TeleGeography，目前全球95%以上的跨国数据传输通过海底光缆。

海底光缆是传输能力和经济性超越卫星通讯等技术手段，也是当前最主要的跨洲通信技术。

海底电缆的核心是由高纯度光纤制作，通过内反射来引导光沿着光纤的路径前进。

在海底光缆的制作中，光纤首先会被嵌入在类似果冻的化合物中，保护即使在与海水接触的情况下电缆也不会损坏。然后将光缆装入钢管中，防止水的压力将其破坏。

接下来将其包裹在整体强度极高的钢丝之中，并套在铜管之中，最后套上聚乙烯材料的保护层。

光纤主要故障原因

光缆过长

弯曲过度

光缆受压或断裂

光纤受到不均匀应力的作用，例如受到压力或者套塑光纤受到温度变化时，光纤轴产生微小不规则弯曲甚至断裂，其结果是传导模变换为辐射模而导致光能损耗。

光缆熔接不良

核心直径不匹配

填充物直径不匹配

接头污染

光纤接头污染、尾纤受潮是造成光缆通讯故障的最主要的原因之一。

接头处抛光不良

接头接触不良主要发生在光路终结处，例如光配线箱和光交换机。可能由于操作人员疏忽，或者设备质量问题，又或接头老化等，导致光纤接头不紧密，造成光信号的反射损耗和泄露衰减。

来源：我想我思

审核编辑：汤梓红