看动图，读懂光纤通信背后的原理

光纤通信因其通信容量大、传输距离远，已经是现代通信的主要支柱之一。下面将有一大波动图，让你简单直观的了解光纤通信背后的原理。

1 电磁波谱

光纤通信的工作波长位于近红外区。

分为如下几个波段：O波段、E波段、S波段、C波段、L波段和U波段，如下图：

可参考文章：《认识光》

2 光纤结构

裸纤一般分为纤芯（core）、包层（cladding）、涂敷层

可参考文章：《光纤的结构》

3 光纤的全反射

4 单模光纤与多模光纤

外径一般约125um，单模的内径 9um

外径一般约125um，多模的内径50/62.5um

可参考文章：《单模光纤/多模光纤》

5 数值孔径（NA）

数值也径（Numerical Aperture）只有在某个角度范围内的入射光可以在光纤中传输。角度α的正弦值=数值孔径（NA = sinα）

6 光的散射

光通过不均匀介质时偏离原方向传播的现象会造成能量损失，称之为光的散射。

7 瑞利散射

瑞利散射（Rayleigh Scattering ）属于散射的一种情况，又称“分子散射”。粒子尺度远小于入射光波长时（小于波长的十分之一），其各方向上的散射光强度是不一样的，该强度与入射光的波长四次方成反比，这种现象称为瑞利散射。

8 背向散射

背向散射（Backscatter）是指光纤中的光功率绝大部分为前向传播,但有很少部分朝发光器背向散射。在发光器处利用分光器观察背向散射的时间曲线,从一端不仅能测量接入的均匀光纤的长度和衰减,而且能测出局部的不规则性、断点及在接头和连接器引起的光功率损耗。如OTDR正是利用背向散射原理。

9 菲涅尔反射

菲涅尔反射（Fresnel Reflection）是指当光入射到折射率不同的两个媒质分界面时，一部分光会被反射的现象。如果光在光纤中的传输路径为光纤—空气—光纤，由于光纤和空气的折射率不一样，将产生菲涅尔反射。

10 色度色散（CD）

色度色散（Chromatic dispersion）是由于光纤材料石英玻璃对不同光频的折射率不同，而光源具有一定的光谱宽度，不同的光频引起的群速率也不同，从而造成了光脉冲的展宽。它包括：材料色散和波导色散。

可参考：《相速度和群速度：色散》、《波分系统中的色度色散CD》

（1）材料色散

材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。光纤通信实际上用的光源发出的光，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。

（2）波导色散

对于光纤的某一传输模式，在不同的光频下的群速度不同引起的脉冲展宽。它与光纤结构的波导效应有关，因此也被成为结构色散。

11 光纤的折射率

可参考文章：《阶跃光纤/渐变光纤》

12 模场直径（MFD）

模场直径（Mode Field Diameter）是用来表征在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态。基模在纤芯区域轴心线处光强最大,并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱。一般将模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1/(e^2)的各点中两点最大距离。

可参考文章：《光纤通信：模场直径和截止波长是什么？》

13 光纤衰减

光纤损耗（Optical Attenuation）所谓损耗是指光纤每单位长度上的衰减，单位为dB/km。光纤损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近，因此，了解并降低光纤的损耗对光纤通信有着重大的现实意义。

光纤弯曲损耗

光纤对弯曲非常敏感，如果弯曲半径 <20x 外径，大部分光都会从涂层溢出。两种弯曲都会发生光损耗：Macrobend（宏弯） 和Microbend（微弯）。

Macrobend

当Macrobend弯曲被纠正，可以得到恢复。

Microbend

Microbend无法恢复，比如由线缆捆扎过紧造成。

14 光纤的熔接

15 光纤连接器

光纤适配器

光纤接头的截面分为PC、UPC、APC。

16 耦合器（Coupler）

光纤耦合器将光信号从一条光纤中分至多条光纤中的无源光器件。

源自：通信百科

【涨知识】ST、SC、FC、LC光纤接头有什么区别？

ST、SC、FC 光纤接头是早期不同企业开发形成的标准，使用效果一样，各有优缺点。

ST、SC 连接器接头常用于一般网络。 ST 头插入后旋转半周有一卡口固定，缺点是容易断； SC 连接头直接插拔，使用很方便，缺点是容易掉出来； FC 连接头一般电信网络采用，有一螺帽拧到适配器上，优点是牢靠、防灰尘，缺点是安装时间稍长。

MTRJ 型光纤跳线由两个高精度塑胶成型的连接器和光缆组成。连接器外部件为精密塑胶件，包含推拉式插拔卡紧机构。 适用于在电信和数据网络系统中的室内应用。

光纤接口连接器的种类

光纤连接器， 也就是接入光模块的光纤接头，也有好多种，且相互之间不可以互用。不是经常接触光纤的人可能会误以为 GBIC 和 SFP 模块的光纤连接器是同一种，其实不是的。 SFP 模块接LC 光纤连接器，而 GBIC 接的是 SC 光纤光纤连接器。下面对网络工程中几种常用的光纤连接器进行详细的说明：

① FC 型光纤连接器： 外部加强方式是采用金属套， 紧固方式为螺丝扣。 一般在 ODF 侧采用 (配线架上用的最多 )

② SC 型光纤连接器： 连接 GBIC 光模块的连接器，它的外壳呈矩形，紧固方式是采用插拔销闩式，不须旋转。 (路由器交换机上用的最多 )

③ ST 型光纤连接器： 常用于光纤配线架，外壳呈圆形，紧固方式为螺丝扣。（对于 10BaseF 连接来说，连接器通常是 ST 类型。常用于光纤配线架）

④ LC 型光纤连接器： 连接 SFP 模块的连接器，它采用操作方便的模块化插孔 (RJ) 闩锁机理制成。（路由器常用）

⑤ MT-RJ ： 收发一体的方形光纤连接器，一头双纤收发一体

1.常见的几种光纤线:

LC-LC

SC-SC

FC-SC

ST-FC

2.各种光纤接口类型介绍:

光纤接头

FC 圆型带螺纹 (配线架上用的最多 )

ST 卡接式圆型

SC 卡接式方型 (路由器交换机上用的最多 )

PC 微球面研磨抛光

APC 呈 8 度角并做微球面研磨抛光

MT-RJ 方型,一头双纤收发一体 ( 华为 8850 上有用 )

光纤模块 :一般都支持热插拔 ,

GBIC Giga Bitrate Interface Converter, 使用的光纤接口多为 SC 或 ST 型

SFP 小型封装 GBIC, 使用的光纤为 LC 型

3.使用的光纤 :

单模 : L , 波长 1310 单模长距 LH 波长 1310,1550

多模 :SM 波长 850

SX/LH 表示可以使用单模或多模光纤

在表示尾纤接头的标注中，我们常能见到 “FC/PC”，“SC/PC”等，其含义如下

“/前面部分表示尾纤的连接器型号 ”

“ 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:

“ 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。

连接器的品种信号较多，除了上面介绍的三种外，还有 MTRJ、ST、MU 等，具体的外观参见下图:

/ ”后面表明光纤接头截面工艺，即研磨方式。

“ PC在电信运营商的设备中应用得最为广泛，其接头截面是平的。 ”

“ UPC”的衰耗比 “ PC要小， ” 一般用于有特殊需求的设备， 一些国外厂家 ODF 架内部跳纤用的就是 FC/UPC ，主要是为提高 ODF 设备自身的指标。

另外，在广电和早期的 CATV 中应用较多的是 “APC”型号，其尾纤头采用了带倾角的端面，可以改善电视信号的质量， 主要原因是电视信号是模拟光调制， 当接头耦合面是垂直的时候， 反射光沿原路径返回。 由于光纤折射率分布的不均匀会再度返回耦合面， 此时虽然能量很小但由于模拟信号是无法彻底消除噪声的， 所以相当于在原来的清晰信号上叠加了一个带时延的微弱信号，表现在画面上就是重影。 尾纤头带倾角可使反射光不沿原路径返回。 一般数字信号一般不存在此.

4.光纤连接器

光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去， 并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小， 这是光纤连接器的基本要求。 在一定程度上， 光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。

光纤连接器按传输媒介的不同可分为常见的硅基光纤的单模、 多模连接器，还有其它如以塑胶等为传输媒介的光纤连接器；按连接头结构形式可分为： FC、SC、ST 、LC、D4 、DIN 、MU 、MT 等等各种形式。其中， ST 连接器通常用于布线设备端，如光纤配线架、光纤模块等；而 SC和 MT 连接器通常用于网络设备端。 按光纤端面形状分有 FC、PC（包括 SPC 或 UPC）和 APC；

按光纤芯数划分还有单芯和多芯（如 MT-RJ ）之分。光纤连接器应用广泛，品种繁多。

在实际应用过程中， 我们一般按照光纤连接器结构的不同来加以区分。 以下是一些目前比较常见的光纤连接器：

(1)FC 型光纤连接器

这种连接器最早是由日本 NTT 研制。FC 是 Ferrule Connector 的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。最早， FC 类型的连接器，此类连接器结构简单，操作方便，制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，

且容易产生菲涅尔反射， 提高回波损耗性能较为困难。 后来，对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球面的插针（ PC），而外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。

(2)SC 型光纤连接器

这是一种由日本 NTT 公司开发的光纤连接器。其外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与 FC 型完全相同，。其中插针的端面多采用 PC 或 APC 型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。此类连接器价格低廉，插拔操作方便，介入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。

ST 和 SC 接口是光纤连接器的两种类型， 对于 10Base-F 连接来说，连接器通常是 ST 类型的，对于 100Base-FX 来说，连接器大部分情况下为 SC 类型的。 ST 连接器的芯外露， SC 连接器的芯在接头里面。

(3) 双锥型连接器（ Biconic Connector ）

这类光纤连接器中最有代表性的产品由美国贝尔实验室开发研制， 它由两个经精密模压成形的端头呈截头圆锥形的圆筒插头和一个内部装有双锥形塑料套筒的耦合组件组成。

(4) DIN47256 型光纤连接器

这是一种由德国开发的连接器。这种连接器采用的插针和耦合套筒的结构尺寸与 FC 型相同，端面处理采用 PC 研磨方式。与 FC 型连接器相比，其结构要复杂一些，内部金属结构中有控制压力的弹簧， 可以避免因插接压力过大而损伤端面。另外，这种连接器的机械精度较高，因而介入损耗值较小。

(5) MT-RJ 型连接器

MT-RJ 起步于 NTT 开发的 MT 连接器，带有与 RJ-45 型 LAN 电连接器相同的闩锁机构，通过安装于小型套管两侧的导向销对准光纤， 为便于与光收发信机相连， 连接器端面光纤为双芯 （间隔 0.75mm ）排列设计，是主要用于数据传输的下一代高密度光纤连接器。

(6) LC 型连接器

LC 型连接器是著名 Bell （贝尔）研究所研究开发出来的，采用操作方便的模块化插孔（ RJ）闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通 SC、FC 等所用尺寸的一半，为 1.25mm 。

这样可以提高光纤配线架中光纤连接器的密度。目前，在单模 SFF 方面，LC 类型的连接器实际已经占据了主导地位，在多模方面的应用也增长迅速。

(7) MU 型连接器

MU（Miniature unit Coupling ）连接器是以目前使用最多的 SC 型连接器为基础， 由 NTT 研制开发出来的世界上最小的单芯光纤连接器，。该连接器采用 1.25mm 直径的套管和自保持机构，其优势在于能实现高密度安装。利用 MU 的 l.25mm 直径的套管， NTT 已经开发了 MU 连接器系列。它们有用于光缆连接的插座型连接器（ MU-A 系列）；具有自保持机构的底板连接器

（MU-B 系列）以及用于连接 LD／PD 模块与插头的简化插座（ MU-SR 系列）等。随着光纤网络向更大带宽更大容量方向的迅速发展和 DWDM 技术的广泛应用，对 MU 型连接器的需求也将迅速增长。光纤配线箱光纤配线箱适用于光缆与光通信设备的配线连接，通过配线箱内的适配器，用光跳线引出光信号，实现光配线功能。也适用于光缆和配线尾纤的保护性连接。如图为 3M 公司的 8200 室内型光纤配线箱，适用于光纤接入网中的光纤终端点采用光端机.

目前，常用的光端机一端是接光传输系统（一般是 SDH 光同步数字传输网），另一端（用户端）出来的是 2M 接口。另外光端机还有 PDH （准同步数字系列）的。光端机要比光纤收发器复杂得多，除光电的耦合还有复用－解复用，影射－解影射等信号的编码过程。

5.光纤收发器

简单的讲，光纤收发器一端是接光传输系统，另一端（用户端）出来的是 10/100M 以太网接口。光纤收发器都是实现光电信号转换作用的。 光纤收发器的主要原理是通过光电耦合来实现的，对信号的编码格式没有什么变化 。

目前国外和国内生产光纤收发器的厂商很多，产品线也极为丰富。为了保证与其他厂家的网卡、中继器、集线器和交换机等网络设备的完全兼容，光纤收发器产品必须严格符合 10Base-T 、100Base-TX 、100Base-FX 、IEEE802.3 和 IEEE802.3u 等以太网标准，。除此之外，在 EMC 防电磁辐射方面应符合 FCC Part15 标准。时下由于国内各大运营商正在大力建设小区网、校园网和企业网，因此光纤收发器产品的用量也在不断提高，以更好地满足接入网建设的需要。

6.光纤收发器通常具有以下基本特点。

1．提供超低时延的数据传输。

2．对网络协议完全透明。

3．多采用专用 ASIC 芯片实现数据线速转发。可编程 ASIC 将多项功能集中到一个芯片上，具

有设计简单、可靠性高、电源消耗少等优点，能使设备得到更高的性能和更低的成本。

4．设备多采用 1+1 的电源设计，支持超宽电源电压，实现电源保护和自动切换。

5．支持超宽的工作温度范围。

6．支持齐全的传输距离（ 0 ～120 公里）

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