光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是‘光的全反射。前香港中文大学校长高锟首先提出光纤能够适用于通讯传输的设想，因此获得2009年诺贝尔物理学奖。

  1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。

  这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。

  后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。

  直到1960年，美国科学家Maiman发明了世界上第一台激光器后，为光通讯提供了良好的光源。随后二十多年，人们对光传输介质进行了攻关，终于制成了低损耗光纤，从而奠定了光通讯的基石。从此，光通讯进入了快速的提升的阶段。

  光纤裸纤大体上分为三层：中心高折射率玻璃芯，中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm），最外是加强用的树脂涂层。

  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，光纤一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

  在多模光纤中，光纤通常被扎成束，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，芯的直径是50μm和62.5μm两种，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8μm-10μm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光线保持在芯内。它质地脆，易断裂，因此就需要外加一层薄的塑料外套，用来保护封套。根据光的折射和全反射原理，当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。

  入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个方面就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。

  光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。但对于有线电视和通信用的光纤，其设计和制造的原则基本相同，诸如：

  光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上进行的。

  ⑴工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85μm、1.3μm、1.55μm）。

  ⑵折射率分布：阶跃（SI）型光纤、近阶跃型光纤、渐变（GI）型光纤、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。

  ⑷原材料：石英光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤、复合材料光纤（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。

  频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。在VHF频段，载波频率为48.5MHz～300Mhz。带宽约250MHz，只能传输27套电视和几十套调频广播。可见光的频率达100000GHz，比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗，使频带宽度受一定的影响，但在最低损耗区的频带宽度也可达30000GHz。目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分(多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达10GHz以上)，使用先进的相干光通信可以在30000GHz范围内安排2000个光载波，进行波分复用，可以容纳上百万个频道。

  光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，传输1.31um的光，每公里损耗在0.35dB以下，若传输1.55um的光，每公里损耗更小，可达0.2dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍。光纤被用作长距离的信息传递，其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点：

  一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引入均衡器进行均衡；

  二是其损耗几乎不随温度而变，不需要过多的担心因环境和温度变化而造成干线电平的波动。

  因为光纤非常细，单模光纤芯线um，加上防水层、加强筋、护套等，用4～48根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。

  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。在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。

  因为光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引入新的非线性失真。只要激光器的线性好，就可高保真地传输信号。实测表明，好的调幅光纤系统的载波组合三次差拍比C/CTB在70dB以上，交调指标cM也在60dB以上，远高于一般电缆干线系统的非线性失真指标。

  我们知道，一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，出现故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器)，可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障上班时间达50万～75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时之后。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。

  目前，有人提出了新摩尔定律，也叫作光学定律。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随技术的进步，成本还会促进降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会慢慢的高。

  对接光纤对接时产生的损耗，如：不同轴（单模光纤同轴度要求小于0.8μm），端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。

  在实际的工作中，有时也有必要进行人为的光纤衰减，如用于光通信系统当中的调试光功率性能、调试光纤仪表的定标校正,光纤信号衰减的光纤衰减器。

  目前通信中所用的光纤一般是石英光纤。石英的化学名称叫二氧化硅(SiO2)，它和我们日常用来建房子所用的砂子的主要成分是相同的。但通信光纤必须由纯度极高的材料组成；不过，在主体材料里掺入微量的掺杂剂，可以使纤芯和包层的折射率略有不同，这是有利于通信的。

  制造光纤的方法很多，目前主要有：预塑有汽相轴向沉积、管内CVD(化学汽相沉积)法，拉丝法有棒内CVD法、双坩埚法，PCVD(等离子体化学汽相沉积)法和VAD(轴向汽相沉积)法。但不论用哪一种方法，都要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光纤芯线。光纤的制造要求每道工序都要相称精密，由计算机控制。

  将微孔石英玻璃棒浸入高折射率的添加剂溶液中，得所需折射率分布的断面结构，再进行拉丝操作，它的工艺很复杂。在光导纤维通信中还可用内外气相沉积法等，以保证能制造出光损耗率低的光导纤维。

  将光纤的拉丝装置放到太空的微重力环境下去拉制，能够得到地球上没办法得到的超长的高质量光导纤维。

  高分子光导纤维现在大多数都用在医学、装饰、汽车、船舶等方面，以显示元件为主。在通信和图像传输方面，高分子光导纤维的应用日益增多，工业上用于光导向器、显示盘、标识、开关类照明调节、光学传感器等。

  多模光导纤维做成的光缆可用于通信，它的传导性能好，传输信息容量大，一条通路可同时容纳数十人通话。可以同时传送数十套电视节目，供自由选看。

  利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电线公里的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。

  光导纤维内窥镜可导入心脏和脑室，测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、体温等。用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用，并可用作光敏法治癌。

  利用光导纤维制成的内窥镜，能够在一定程度上帮助医生检查胃、食道、十二指肠等的疾病。光导纤维胃镜是由上千根玻璃纤维组成的软管，它有输送光线、传导图像的本领，又有柔软、灵活，能随意弯曲等优点，能够最终靠食道插入胃里。光导纤维把胃里的图像传出来，医生就可以窥见胃里的情形，然后依据情况进行诊断和治疗。

  光导纤维可以把阳光送到各个角落，还能够直接进行机械加工。计算机、机器人、汽车配电盘等已成功地用光导纤维传输光源或图像。如与敏感元件组合或利用本身的特性，则能做成各种传感器，测压、流量、温度、位移、光泽和颜色等。在能量传输和信息传输方面也获得广泛的应用。

  由于光纤的良好的物理特性，光纤照明和LED照明已越来越成为艺术装修美化的用途。应用如下：

  光纤成为装饰品：利用光纤发光的特性，能做成各种色彩的荧光光纤，满天星光纤花瓶，做礼品晚会用，还是室内装饰都很漂亮。

  在开发井中传感器之前，收集井下信息的唯一方法是测井。测井方法虽然能提供有价值的数据，但作业成本高，并有可能对井产生损害。因此，需要更好的井下技术提高无干扰流动监测和控制。

  光纤可当作直接读值的机械点源传感器。最简单的形式，可能仅仅是一个空腔，随外部压力改变长度，入射到空腔的光信号强度随空腔长度而下降。光纤传送设备允许在一根光纤上组合多个传感器，测量不同物理变量。

  专业光纤的开发与工业应用正在增长，它们对化学物质的存在和丰度比较敏感。这种技术还不太先进，但很有发展潜力。

  光纤收发器是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元，在很多地方也被称之为光电转换器。产品一般应用在以太网电缆无法覆盖、一定要使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中，且通常定位于宽带城域网的接入层应用；同时在帮助把光纤最后一公里线路连接到城域网和更外层的网络上也发挥了巨大的作用。尤其是在一些要求信息化程度高、数据流量较大的政府机构和企业，网络建设时需要直接上连到以光纤为传输介质的骨干网，确保数据包在不同网络间顺畅传输的介质转换设备成为必需品。

  光纤作为宽带接入一种主流的方式，有着通信容量大、中继距离长、保密性能好、适应能力强、体积小重量轻、原材料来源广价格低等的优点，未来在宽带互联网接入的应用可预料会十分普遍。