光纖

光纖是一種介質(zhì)光波導(dǎo)，通常由玻璃或塑料制成，利用光的全反射原理來傳輸光。光纖的基本結(jié)構(gòu)包括纖芯、包層、涂層和護(hù)套，芯和包層是光纖結(jié)構(gòu)的主要部分，對(duì)光波的傳播起著決定性的作用，而涂層和護(hù)套主要用來隔離雜散光，保護(hù)光纖。光纖的傳輸特性包括傳輸模式、損耗、色散、偏振、傳輸帶寬等。一般來說，根據(jù)傳輸模式的不同，光纖可以分為單模光纖和多模光纖。而且由于光纖材料的多樣性和截面折射率分布的差異，光纖的種類和功能非常豐富。不同的光纖有不同的制備方法，主要包括氣相沉積技術(shù)和非氣相沉積技術(shù)。光纖技術(shù)的發(fā)明可以追溯到19世紀(jì)克拉頓發(fā)現(xiàn)光可以沿著彎曲的水流傳導(dǎo)。在隨后的發(fā)展過程中，中國科學(xué)家高錕提出了超低損耗光纖的理論基礎(chǔ)；1970年，低損耗光纖的問世推動(dòng)了光纖在光通信等諸多領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用、傳感探測、激光、醫(yī)療成像等。

光纖的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，從里到外是芯、包層、涂覆層和護(hù)套。纖芯和包層是光纖結(jié)構(gòu)的主要部分纖芯由高折射率材料制成，是光波的傳輸介質(zhì)；包層材料的折射率略低于纖芯，與纖芯一起形成光波導(dǎo)，限制光波的傳輸，對(duì)光波的傳播起決定性作用。涂層和護(hù)套主要用于隔離雜散光，提高光纖強(qiáng)度，保護(hù)光纖。在特殊應(yīng)用中，沒有涂層和護(hù)套，就是裸纖，簡稱裸纖。

當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，根據(jù)光的全反射原理，發(fā)現(xiàn)光纖芯-在包層界面處，如果光的入射角超過全反射臨界角，纖芯內(nèi)的光就會(huì)被完全反射回來，無法通過界面，只能束縛在纖芯內(nèi)向前傳播。

傳輸特性

傳輸模式

基模

光在纖芯中傳播時(shí)，不同的入射角會(huì)形成不同的光路，這些光路的數(shù)量會(huì)受到光纖數(shù)值孔徑的限制這些有效的光路稱為模式。其中，沿光纖中心軸傳播的光路稱為基模(用表示）不平行于光纖中心軸的其他模式稱為高階模式。

當(dāng)纖芯足夠細(xì)時(shí)，光只能沿光纖的中心軸傳播，這種光纖稱為單模光纖；當(dāng)纖芯較大時(shí)，光纖中存在光的模式，稱為多模光纖。

模間色散

在多模光纖中，不同模式的傳輸速度和相位不同，傳輸一定距離后，光脈沖會(huì)發(fā)生延遲，這就是光纖的模式色散（或模間色散）

衰減(損耗)

衰減(損耗)系數(shù)

光在光纖中傳播時(shí)，會(huì)由于各種因素造成光損耗，一般可以用損耗系數(shù)來描述，損耗系數(shù)由下式定義。

衰減(損耗)機(jī)理

材料的固有損耗

材料的固有損耗有三個(gè)部分：材料分子結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的紅外吸收、電子躍遷引起的紫外吸收、小尺度粒子引起的瑞利散射。

雜質(zhì)吸收造成的損失

光纖中雜質(zhì)造成的損耗分為兩部分：因吸收氫氧根離子鐵、鉻、銅等金屬離子引起的光吸收。

結(jié)構(gòu)原因造成的損失

光纖結(jié)構(gòu)引起的損耗可分為四類：

1)界面損耗：纖芯和包層之間不均勻接合造成的損耗；

2)微彎損耗：當(dāng)光纖側(cè)面受壓不均勻時(shí)，會(huì)出現(xiàn)微小彎曲造成的損耗；

3)彎曲損失：光纖過度彎曲造成的損耗，導(dǎo)致光的全反射失效；

4)連接損耗：在連接部分，由于光纖尺寸的不匹配，光會(huì)泄漏出去。

測定方法

相位法和微分相位差：它們都是使用多個(gè)不同波長的光源來測量光纖，通過比較不同模式下信號(hào)的相位差來測量色散值。

脈沖法：在時(shí)域中，測量不同模式的接收脈沖信號(hào)差，并利用該數(shù)據(jù)建立波長-色散的近似計(jì)算。

干涉法：使用可干涉（寬帶）光源以及包括參考光路和測量光路的測量系統(tǒng)通過干涉圖的條紋分析不同波長的延遲時(shí)間。

色散的抑制

光纖中色散的抑制基于纖芯半徑、纖芯-包層折射率差等參數(shù)對(duì)色散的影響規(guī)律基于光纖色散和纖芯半徑、纖芯—參數(shù)的相關(guān)性，例如包層的低折射率。

這類具有色散抑制作用的光纖主要包括色散位移光纖、非零色散位移光纖、色散平坦光纖、逆色散光纖。

偏振

線偏振場

在單模光纖中，基模可以分解成兩個(gè)正交模當(dāng)光纖滿足理想的圓形和各向同性條件時(shí)，這兩種模式的傳輸相位將始終保持不變，所得光場的方向不隨時(shí)間變化，稱為線偏振場。

雙折射現(xiàn)象

在實(shí)際應(yīng)用中，光纖總有一些缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)缺陷、形狀的變形、光纖折射率和內(nèi)應(yīng)力的不均勻會(huì)導(dǎo)致正交模的簡并性被打破，形成相位差。原來的線偏振態(tài)也會(huì)改變，產(chǎn)生橢圓偏振。通常，光在光纖中的偏振態(tài)會(huì)沿光纖軸向從線偏振到橢圓偏振再到線偏振發(fā)生周期性變化，這種現(xiàn)象稱為雙折射。

傳輸帶寬

當(dāng)脈沖信號(hào)以一定的時(shí)間間隔送入光纖時(shí)，相鄰的信號(hào)可能會(huì)因?yàn)榭康锰丿B，導(dǎo)致輸出無法識(shí)別。傳輸帶寬定義為在輸出端仍能識(shí)別脈沖信號(hào)的最大輸入速度。傳輸帶寬很大程度上取決于光的色散。

按剖面折射率分布分類

階躍型光纖

也稱SI光纖，纖芯的折射率處處相同，包層的折射率處處相同，但纖芯的折射率更高，在兩者的界面處，整個(gè)光纖的折射率呈階梯狀變化。

漸變型光纖

又稱GI型光纖、拋物線型光纖，纖芯折射率呈拋物線變化，中間最高，向外逐漸降低，最外面的纖芯折射率與包層折射率相同。

其他類型

W型光纖：折射率分布呈W型，這種光纖有兩個(gè)包層通過調(diào)節(jié)內(nèi)包層和纖芯的折射率和半徑，我們可以得到色散平坦光纖和色散位移光纖。

三角形纖芯：纖芯具有三角形的折射率分布它是一種改進(jìn)的色散位移光纖，適用于密集波分復(fù)用和孤子傳輸?shù)拈L距離系統(tǒng)。

橢圓型纖芯：纖芯具有橢圓折射率分布，具有雙折射特性。

按傳輸模式分類

單模光纖

單模光纖（SMF   singlemode 3356 optical fiber）只有基模可以傳輸，其他所有高階模都被截止。光在單模光纖中的傳播路徑平行于光纖的中心軸。

特點(diǎn)：芯徑極細(xì)，只能傳輸一種模式，可以完全避免模式色散，傳輸頻帶很寬，傳輸容量很大。折射率分布一般采用階梯折射率分布(稱為單模階躍折射率光纖）

適用領(lǐng)域：這種光纖適用于大容量長距離的光纖通信。

多模光纖

多模光纖（Multitype   3356 optical fiber, MMF）是指在一定的工作波長下，光纖可以傳輸除基模以外的其他模式的光纖。

特點(diǎn)：它具有模式色散窄帶寬和低傳輸容量；但是制造、連接、耦合比較容易。可以使用階躍折射率分布(被稱為多模階躍光纖）也可以使用分級(jí)的折射率分布(稱為多模漸變折射率光纖）

適用領(lǐng)域：僅適用于容量較小的光纖通信。

按組成材料分類

1)石英光纖

材料成分：摻雜少量或等量雜質(zhì)的二氧化硅(，俗稱石英)通過控制雜質(zhì)含量可以調(diào)節(jié)光纖的折射率分布。

特點(diǎn)：光損耗極低，強(qiáng)度高，可靠性好，價(jià)格高，用途最廣。

使用領(lǐng)域：廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)。

2)多組分玻璃光纖

材料成分：纖芯和包層是硅酸鹽玻璃（主要成分為）

特點(diǎn)：該制作工藝具有溫度低成本低折射率調(diào)節(jié)范圍大損耗大的優(yōu)點(diǎn)；

使用領(lǐng)域：醫(yī)療光纖內(nèi)窺鏡、短距離圖像成像。

3)氟化物光纖

材料成分：纖芯和包層是氟化物玻璃，包括氟化鈷(氟化鋇(氟化鑭(LaF3)氟化鋁(AlF3)氟化鈉(NaF)等等，所以也簡稱ZBLAN光纖；

特點(diǎn)：工作在 波長范圍，光損耗低，可達(dá)應(yīng)時(shí)光纖的1以下，環(huán)境穩(wěn)定性差；

使用領(lǐng)域：溫敏器、熱圖像傳輸、海底光纜傳輸。

4)硫系玻璃光纖

材料成分：元素周期表中第VI主族的硫(S)，硒(Se)，錦(Te)以元素為主要成分的玻璃；

特點(diǎn)：它的紅外透過率、耐化學(xué)性、機(jī)械性能高于應(yīng)時(shí)纖維，制造成本低；

使用領(lǐng)域：激光醫(yī)學(xué)遠(yuǎn)程切割和焊接紅外成像各種傳感器和軍事。

5)塑料光纖

材料成分：纖芯和包層由有機(jī)玻璃制成（PMMA）聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酷（PC）聚合物基的，所以也叫聚合物光纖。

特點(diǎn)：它具有芯徑大柔韌性好連接容易重量輕價(jià)格低傳輸帶寬大等特點(diǎn)；

使用領(lǐng)域：寬帶接入網(wǎng)系統(tǒng)、家庭智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、汽車智能系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)與紡織、照明、太陽能利用系統(tǒng)等等。

6)塑包光纖

材料成分：纖芯由高純度應(yīng)時(shí)制成，包層由硅膠等塑料制成；

特點(diǎn)：纖芯租、數(shù)值孔徑(NA)高、易于與LED  的LED光源結(jié)合，損耗小；

使用領(lǐng)域：局域網(wǎng)(LAN)和近距離通信。

7)碳涂覆光纖

材料成分：應(yīng)時(shí)光纖表面涂有碳膜的光纖也叫涂碳光纖(Carbon coated   fiber, CCF)

特點(diǎn)：采用高密度碳纖維膜將光纖與外界環(huán)境隔離，從而阻擋外界離子的入侵，提高光纖的機(jī)械性能，改善離子入侵造成的光損耗；

使用領(lǐng)域：海底光纜。

8)摻氟光纖

材料組成：纖芯由二氧化硅制成，包層摻有降低折射率的氟；

特點(diǎn)：瑞利散射非常小，光纖損耗接近理論最小值。

9)摻稀土光纖

材料組成：在纖芯中摻雜稀土元素（土族元素（釔、鉺、鋱）和鑭系元素）

特點(diǎn)：它具有激光振蕩和光放大的現(xiàn)象，也稱為有源光纖；

使用領(lǐng)域：光纖放大器、光纖傳感器、高功率激光傳輸、自由空間激光通信和超短脈沖放大。

按特殊功能分類

具有分散抑制作用

色散位移光纖：色散位移光纖（DSF）正是通過改變光纖的模場直徑來實(shí)現(xiàn)光纖的色散-一種波長曲線向長波方向移動(dòng)的光纖。

傳統(tǒng)的應(yīng)時(shí)光纖通常工作在最小衰減波長(1.5微米)然而，在該波長下，光纖具有大的色散。合適的DSF光纖可以使零色散波長點(diǎn)移動(dòng)到最小衰減波長，產(chǎn)生最小色散。

色散平坦光纖：DFF光纖的簡稱，是指通過選擇合適的光纖材料和結(jié)構(gòu)，使光纖的色散系數(shù)在一定波長范圍內(nèi)近似為零。

逆色散光纖：DCF光纖顧名思義是一種具有負(fù)色散值的光纖它可以添加到普通光纖中以補(bǔ)償色散，從而使總色散近似為零。

具有偏振態(tài)選擇的作用

在光電探測器的制作過程中，當(dāng)對(duì)光的偏振態(tài)有選擇性或者需要穩(wěn)定的偏振態(tài)時(shí)，就要用到保偏光纖有兩種常見的保偏光纖。

低雙折射光纖：它被稱為LB 光纖，試圖將單模光纖的缺陷和內(nèi)部殘余應(yīng)力降到最低，同時(shí)使光纖截面更接近規(guī)則圓，從而將單模光纖的雙折射降到最低。

高雙折射光纖：記作HB光纖，高雙折射光纖使用幾何雙折射、應(yīng)力雙折射等效應(yīng)，設(shè)計(jì)高不對(duì)稱的光纖，從而改善雙折射。高折射率光纖分為雙偏振光纖和單偏振光纖雙偏振光纖就是所謂的保偏光纖和單偏振光纖(SP)僅選擇兩個(gè)獨(dú)立正交模式中的一個(gè)，也稱為絕對(duì)單模光纖。

光纖通信技術(shù)

技術(shù)原理：光具有強(qiáng)度、相位、波長等特征參數(shù)，利用光纖作為傳輸通道，可以傳輸這些光信息，實(shí)現(xiàn)通信。

優(yōu)點(diǎn)：1)傳輸信息的帶寬和容量很大；2)抗電磁干擾能力強(qiáng)；3)體積小，重量輕；4)傳輸損耗低，傳輸距離長；5)沒有向外的光輻射；6)安全保密；7)工程安裝和鋪設(shè)方便。

電信網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸線路

由于光纖的優(yōu)良特性，在室內(nèi)電話中繼線和長途中繼線可以發(fā)揮很大的優(yōu)勢(shì)，也是光纖的主要使用場合。

不同網(wǎng)絡(luò)級(jí)別的光通信

通過將光纖連接到計(jì)算機(jī)和各種終端設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)高速、大容量本地?cái)?shù)字通信網(wǎng)。

光纖入戶

FTTH的簡稱，是指光纖可以從電信終端直接連接到家庭用戶，同時(shí)可以完成視頻、數(shù)據(jù)、傳輸語音和多媒體業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)居民網(wǎng)上購物、醫(yī)療、教育等需求。

在惡劣和危險(xiǎn)的環(huán)境中使用

在石油和天然氣倉庫、發(fā)電站和其他需要輻射防護(hù)的地方、電離放電、在易燃易爆的場合，光纖通信可以發(fā)揮很大的作用，不僅避免了短路、電火花的危險(xiǎn)，且傳輸容量大。

有源光纖技術(shù)

有源光纖：指光纖本身受到光或其他能量激發(fā)時(shí)的能量放大（或增益）的一類光纖。有源光纖一般是摻雜稀土元素的光纖。有源光纖可用于光纖放大器和光纖激光器。

光纖放大器：有源光纖可以用來與半導(dǎo)體激光泵浦源等器件組成光纖放大器。其中，有源光纖主要起接收泵浦光源的信號(hào)光并放大的作用，可以減少電子電路，提高接收設(shè)備的靈敏度。光纖放大器與波分復(fù)用技術(shù)的結(jié)合、光孤子技術(shù)、有線電視與其他技術(shù)的結(jié)合可用于光纖通信領(lǐng)域。

光纖激光器：與光纖放大器相比，光纖激光器多了一個(gè)光纖諧振腔，用于諧振和放大內(nèi)部光子。主要有——雙包層光纖技術(shù)形成的激光器和光纖光柵技術(shù)形成的激光器兩種。輸出激光具有良好的穩(wěn)定性、功率輸出、光譜純度和低相對(duì)強(qiáng)度噪聲 ，還可以進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換。

光纖傳感技術(shù)

有兩種主要類型的光纖用于傳感檢測：一種是用光纖作為檢測元件的一部分，提高被檢測量的靈敏度；一種是光纖只作為傳感器的信息傳輸通道，探頭由其他元件組成。光纖傳感器可以檢測溫度、位移、應(yīng)變、電壓電流等物理量。

光纖溫度傳感器：分為輻射型光纖溫度傳感器（基于普朗克協(xié)會(huì)黑體輻射理論）半導(dǎo)體吸收光纖溫度傳感器（基于半導(dǎo)體帶隙寬度-溫度-波長的關(guān)聯(lián)性）熒光光纖溫度傳感器（基于熒光激發(fā)光波強(qiáng)度的溫度調(diào)制特性）光纖液體溫度傳感器（基于液體包層折射率受溫度影響的特性）偏振光纖溫度傳感器（基于應(yīng)時(shí)的旋光性受溫度影響）干涉型光纖溫度傳感器（基于光纖中光相位隨溫度變化的特性）

光纖位移傳感器：利用光纖可以實(shí)現(xiàn)位移的非接觸、高精度探測。通常有一種徑向強(qiáng)度調(diào)制類型、透射式光強(qiáng)自動(dòng)補(bǔ)償型、和集成光學(xué)微位移傳感器。基于光學(xué)三角漫反射技術(shù)，也可以檢測旋轉(zhuǎn)體的位移。

光纖應(yīng)變傳感器：光纖應(yīng)變檢測的原理是基于當(dāng)光纖受力變形時(shí)，光纖傳輸?shù)墓獾奶匦詴?huì)發(fā)生變化。光纖應(yīng)變傳感器包括微彎損耗型干涉型和振蕩器型。

光纖旋轉(zhuǎn)傳感器：也被稱為光纖陀螺，它使用薩格納克效應(yīng)（在旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，沿著相同的光路、在相反方向傳輸?shù)膬蓚€(gè)光束之間的光程差與設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)），不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以用于導(dǎo)航系統(tǒng)。

光纖用于測量電磁信號(hào)：光纖磁場傳感器——可以通過法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)來測量磁場強(qiáng)度；光纖電流傳感器——基于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)；光纖電壓傳感器——利用電光效應(yīng)，施加的電場會(huì)改變光纖的各向異性。

光纖傳像技術(shù)

利用光纖傳輸圖像的方法：一種是利用光纖通信技術(shù)進(jìn)行圖像傳輸，另一種是光纖束圖像傳輸技術(shù)纖維束圖像傳輸是將每根纖維與一個(gè)最基本的圖像元素相匹配，并且每根纖維應(yīng)該彼此關(guān)聯(lián)地排列在纖維束的兩側(cè)。

具體應(yīng)用：軍事上可以用來傳輸密碼和光學(xué)潛望鏡，醫(yī)學(xué)上可以用來檢查器官，工業(yè)上可以把圖像光束和計(jì)算機(jī)編程結(jié)合起來提取特征信息。