光纖，英文名稱(chēng)是optical fiber，也是光導纖維的簡(jiǎn)寫(xiě)。它是一種傳輸光能的波導介質(zhì)，一般由纖芯和包層組成，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具。前香港中文大學(xué)校長(cháng)高錕和George A. Hockham首先提出光纖可以用于通訊傳輸的設想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎。

基本介紹

微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常，光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測脈沖。在日常生活中，由于光在光導纖維的傳導損耗比電在電線(xiàn)傳導的損耗低得多，光纖被用作長(cháng)距離的信息傳遞。

通常光纖與光纜兩個(gè)名詞會(huì )被混淆。多數光纖在使用前必須由幾層保護結構包覆，包覆后的纜線(xiàn)即被稱(chēng)為光纜。光纖外層的保護層和絕緣層可防止周?chē)h(huán)境對光纖的傷害，如水、火、電擊等。光纜分為：光纖、緩沖層及披覆。光纖和同軸電纜相似，只是沒(méi)有網(wǎng)狀屏蔽層。中心是光傳播的玻璃芯。在多模光纖中，芯的直徑是50μm和62.5μm兩種，大致與人的頭發(fā)的粗細相當。而單模光纖芯的直徑為8μm~10μm，目前常用的是9/125。芯外面包圍著(zhù)一層折射率比芯低的玻璃封套， 以使光線(xiàn)保持在芯內。再外面的是一層薄的塑料外套，用來(lái)保護封套。光纖通常被扎成束，外面有外殼保護。 纖芯通常是由石英玻璃制成的橫截面積很小的雙層同心圓柱體，它質(zhì)地脆，易斷裂，因此需要外加一保護層。

原理種類(lèi)

光及其特性：

1.光是一種電磁波

可見(jiàn)光部分波長(cháng)范圍是：390~760nm(納米)。大于760nm部分是紅外光，小于390nm部分是紫外光。光纖中應用的是：850nm，1310nm，1550nm三種。

2.光的折射，反射和全反射。

因光在不同物質(zhì)中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質(zhì)射向另一種物質(zhì)時(shí)，在兩種物質(zhì)的交界面處會(huì )產(chǎn)生折射和反射。 而且，折射光的角度會(huì )隨入射光的角度變化而變化。當入射光的角度達到或超過(guò)某一角度時(shí)，折射光會(huì )消失，入射光全部被反射回來(lái)，這就是光的全反射。不同的物 質(zhì)對相同波長(cháng)光的折射角度是不同的（即不同的物質(zhì)有不同的光折射率），相同的物質(zhì)對不同波長(cháng)光的折射角度也是不同。光纖通訊就是基于以上原理而形成的。

1.光纖結構：

光纖裸纖一般分為三層：中心高折射率玻璃芯（芯徑一般為50或62.5μm），中間為低折射率硅玻璃包層（直徑一般為125μm），最外是加強用的樹(shù)脂涂層。

2.數值孔徑：

入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個(gè)角度范圍內的入射光才可以。這個(gè)角度就稱(chēng)為光纖的數值孔徑。光纖的數值孔徑大些對于光纖的對接是有利的。不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的光纖的數值孔徑不同（AT&T CORNING）。

3.光纖的種類(lèi)：

光纖的種類(lèi)很多，根據用途不同，所需要的功能和性能也有所差異。但對于有線(xiàn)電視和通信用的光纖，其設計和制造的原則基本相同，諸如：①損耗??；②有一定帶寬且色散??；③接線(xiàn)容易；④易于成統；⑤可靠性高；⑥制造比較簡(jiǎn)單；⑦價(jià)廉等。光纖的分類(lèi)主要是從工作波長(cháng)、折射率分布、傳輸模式、原材料和制造方法上作一歸納的，茲將各種分類(lèi)舉例如下。

（1）工作波長(cháng)：紫外光纖、可觀(guān)光纖、近紅外光纖、紅外光纖（0.85μm、1.3μm、1.55μm）。

（2）折射率分布：階躍（SI）型光纖、近階躍型光纖、漸變（GI）型光纖、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。

（3）傳輸模式：?jiǎn)文９饫w（含偏振保持光纖、非偏振保持光纖）、多模光纖。

（4）原材料：石英光纖、多成分玻璃光纖、塑料光纖、復合材料光纖（如塑料包層、液體纖芯等）、紅外材料等。按被覆材料還可分為無(wú)機材料（碳等）、金屬材料（銅、鎳等）和塑料等。

（5）制造方法：預塑有汽相軸向沉積（VAD）、化學(xué)汽相沉積（CVD）等，拉絲法有管律法（Rod intube）和雙坩鍋法等。

石英光纖

石英光纖（Silica Fiber）是以二氧化硅（SiO2）為主要原料，并按不同的摻雜量，來(lái)控制纖芯和包層的折射率分布的光纖。石英（玻璃）系列光纖，具有低耗、寬帶的特點(diǎn)，現在已廣泛應用于有線(xiàn)電視和通信系統。

石英玻璃光導纖維的優(yōu)點(diǎn)是損耗低,當光波長(cháng)為1.0～1.7μm（約1.4μm附近），損耗只有1dB/km，在1.55μm處最低，只有0.2dB/km。

摻氟光纖

摻氟光纖（Fluorine Doped Fiber）為石英光纖的典型產(chǎn)品之一。通常，作為1.3μm波域的通信用光纖中，控制纖芯的摻雜物為二氧化鍺（GeO2），包層是用SiO2作成的。但 接氟光纖的纖芯，大多使用SiO2，而在包層中卻是摻入氟素的。由于，瑞利散射損耗是因折射率的變動(dòng)而引起的光散射現象。所以，希望形成折射率變動(dòng)因素的 摻雜物，以少為佳。氟素的作用主要是可以降低SIO2的折射率。因而，常用于包層的摻雜。石英光纖與其它原料的光纖相比，還具有從紫外線(xiàn)光到近紅外線(xiàn)光的透光廣譜，除通信用途之外，還可用于導光和圖像傳導等領(lǐng)域。

紅外光纖

作為光通信領(lǐng)域所開(kāi)發(fā)的石英系列光纖的工作波長(cháng)，盡管用在較短的傳輸距離，也只能用于2μm。為此，能在更長(cháng)的紅外波長(cháng)領(lǐng)域工作，所開(kāi)發(fā)的光纖稱(chēng)為紅外光纖。紅外光纖（Infrared Optical Fiber）主要用于光能傳送。例如有：溫度計量、熱圖像傳輸、激光手術(shù)刀醫療、熱能加工等等，普及率尚低。

復合光纖

復合光纖（Compound Fiber）是在SiO2原料中，再適當混合諸如氧化鈉（Na2O）、氧化硼（B2O3）、氧化鉀（K2O）等氧化物制作成多組分玻璃光纖，特點(diǎn)是多組分玻璃比石英玻璃的軟化點(diǎn)低且纖芯與包層的折射率差很大。主要用在醫療業(yè)務(wù)的光纖內窺鏡。

氟氯化物光纖

氟化物光纖氯化物光纖（Fluoride Fiber）是由氟化物玻璃作 成的光纖。這種光纖原料又簡(jiǎn)稱(chēng) ZBLAN（即將氟化誥（ZrF2）、氟化鋇（BaF2）、氟化鑭（LaF3）、氟化鋁（AlF3）、氟化鈉（NaF）等氯化物玻璃原料簡(jiǎn)化成的縮語(yǔ)。主 要工作在2～10μm波長(cháng)的光傳輸業(yè)務(wù)。由于ZBLAN具有超低損耗光纖的可能性，正在進(jìn)行著(zhù)用于長(cháng)距離通信光纖的可行性開(kāi)發(fā)，例如：其理論上的最低損 耗，在3μm波長(cháng)時(shí)可達10-2～10－3dB/km，而石英光纖在1.55μm時(shí)卻在0.15-0.16dB/Km之間。目前，ZBLAN光纖由于難于 降低散射損耗，只能用在2.4～2.7μm的溫敏器和熱圖像傳輸，尚未廣泛實(shí)用。最近，為了利用ZBLAN進(jìn)行長(cháng)距離傳輸，正在研制1.3μm的摻鐠光纖 放大器（PDFA）。

塑包光纖

塑包光纖（Plastic Clad Fiber）是將高純度的石英玻璃作成纖芯，而將折射率比石英稍低的如硅膠等塑料作為包層的階躍型光纖。它與石英光纖相比較，具有纖芯租、數值孔徑（NA）高的特點(diǎn)。因此，易與發(fā)光二極管LED光源結合，損耗也較小。所以，非常適用于局域網(wǎng)（LAN）和近距離通信。

塑料光纖

這是將纖芯和包層都用塑料（聚合物）作成的光纖。早期產(chǎn)品主要用于裝飾和導光照明及近距離光鍵路的光通信中。原料主要是有機玻璃（PMMA）、聚苯乙?。≒S）和聚碳酸酯（PC）。 損耗受到塑料固有的C－H結合結構制約，一般每km可達幾十dB。為了降低損耗正在開(kāi)發(fā)應用氟索系列塑料。由于塑料光纖（Plastic Optical fiber）的纖芯直徑為1000μm，比單模石英光纖大100倍，接續簡(jiǎn)單，而且易于彎曲施工容易。近年來(lái)，加上寬帶化的進(jìn)度，作為漸變型（GI）折射 率的多模塑料光纖的發(fā)展受到了社會(huì )的重視。最近，在汽車(chē)內部LAN中應用較快，未來(lái)在家庭LAN中也可能得到應用。

單模光纖

單模光纖這是指在工作波長(cháng)中，只能傳輸一個(gè)傳播模式的光纖，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為單模光纖（SMF：Single ModeFiber）。目前，在有線(xiàn)電視和光通信中，是應用最廣泛的光纖。由于，光纖的纖芯很細（約10μm）而且折射率呈階躍狀分布，當歸一化頻率V參數<2.4時(shí)，理論上，只能形成單模傳輸。另外，SMF沒(méi)有多模色散，不僅傳輸頻帶較多模光纖更寬，再加上SMF的材料色散和結構色散的相加抵消，其合成特性恰好形成零色散的特性，使傳輸頻帶更加拓寬。SMF中，因摻雜物不同與制造方式的差別有許多類(lèi)型。凹陷型包層光纖（DePr-essed Clad Fiber），其包層形成兩重結構，鄰近纖芯的包層，較外倒包層的折射率還低。

多模光纖

多 模光纖將光纖按工作波長(cháng)以其傳播可能的模式為多個(gè)模式的光纖稱(chēng)作多模光纖（MMF：MUlti ModeFiber）。纖芯直徑為50μm，由于傳輸模式可達幾百個(gè)，與SMF相比傳輸帶寬主要受模式色散支配。在歷史上曾用于有線(xiàn)電視和通信系統的短距 離傳輸。自從出現SMF光纖后，似乎形成歷史產(chǎn)品。但實(shí)際上，由于MMF較SMF的芯徑大且與LED等光源結合容易，在眾多LAN中更有優(yōu)勢。所以，在短 距離通信領(lǐng)域中MMF仍在重新受到重視。MMF按折射率分布進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，有：漸變（GI）型和階躍（SI）型兩種。GI型的折射率以纖芯中心為最高，沿向 包層徐徐降低。由于SI型光波在光纖中的反射前進(jìn)過(guò)程中，產(chǎn)生各個(gè)光路徑的時(shí)差，致使射出光波失真，色激較大。其結果是傳輸帶寬變窄，目前SI型MMF應用較少。

色散位移光纖

單模光纖的工作波長(cháng)在1.3Pm時(shí)，模場(chǎng)直徑約9Pm，其傳輸損耗約0.3dB/km。此時(shí)，零色散波長(cháng)恰好在1.3pm處。石英光纖中，從原材料上看1.55pm段的傳輸損耗最?。s0.2dB/km）。由于現在已經(jīng)實(shí)用的摻鉺光纖放大器（EDFA）是工作在1.55pm波段的， 如果在此波段也能實(shí)現零色散，就更有利于應用1.55Pm波段的長(cháng)距離傳輸。于是，巧妙地利用光纖材料中的石英材料色散與纖芯結構色散的合成抵消特性，就 可使原在1.3Pm段的零色散，移位到1.55pm段也構成零色散。因此，被命名為色散位移光纖（DSF：DispersionShifted Fiber）。加大結構色散的方法，主要是在纖芯的折射率分布性能進(jìn)行改善。在光通信的長(cháng)距離傳輸中，光纖色散為零是重要的，但不是唯一的。其它性能還有損耗小、接續容易、成纜化或工作中的特性變化?。ò◤澢?、拉伸和環(huán)境變化影響）。DSF就是在設計中，綜合考慮這些因素。

色散平坦光纖

色散移位光纖（DSF） 是將單模光纖設計零色散位于1.55pm波段的光纖。而色散平坦光纖（DFF：Dispersion Flattened Fiber）卻是將從1.3Pm到1.55pm的較寬波段的色散，都能作到很低，幾乎達到零色散的光纖稱(chēng)作DFF。由于DFF要作到 1.3pm～1.55pm范圍的色散都減少。就需要對光纖的折射率分布進(jìn)行復雜的設計。不過(guò)這種光纖對于波分復用（WDM）的線(xiàn)路卻是很適宜的。由于 DFF光纖的工藝比較復雜，費用較貴。今后隨著(zhù)產(chǎn)量的增加，價(jià)格也會(huì )降低。

色散補償光纖

對于采用單模光纖的干線(xiàn)系統，由于多數是利用1.3pm波段色散為零的光纖構成的?？墒?，現在損耗最小的1.55pm，由于EDFA的實(shí)用化，如果能在1.3pm零色散的光纖上也能令1.55pm波長(cháng)工作，將是非常有益的。因為，在1.3Pm零色散的光纖中，1.55Pm波段的色散約有16ps/km /nm之多。如果在此光纖線(xiàn)路中，插入一段與此色散符號相反的光纖，就可使整個(gè)光線(xiàn)路的色散為零。為此目的所用的是光纖則稱(chēng)作色散補償光纖（DCF：DisPersion Compe-nsation Fiber）。DCF與標準的1.3pm零色散光纖相比，纖芯直徑更細，而且折射率差也較大。DCF也是WDM光線(xiàn)路的重要組成部分。

偏振保持光纖

在光纖中傳播的光波，因為具有電磁波的性質(zhì)，所以，除了基本的光波單一模式之外，實(shí)質(zhì)上還存在著(zhù)電磁場(chǎng)（TE、 TM）分布的兩個(gè)正交模式。通常，由于光纖截面的結構是圓對稱(chēng)的，這兩個(gè)偏振模式的傳播常數相等，兩束偏振光互不干涉，但實(shí)際上，光纖不是完全地圓對稱(chēng)，例如有著(zhù)彎曲部分，就會(huì )出現兩個(gè)偏振模式之間的結合因素，在光軸上呈不規則分布。偏振光的這種變化造成的色散，稱(chēng)之偏振模式色散（PMD）。對于現在以分配圖像為主的有線(xiàn)電視，影響尚不太大，但對于一些未來(lái)超寬帶有特殊要求的業(yè)務(wù)，如：

①相干通信中采用外差檢波，要求光波偏振更穩定時(shí)；

②光機器等對輸入輸出特性要求與偏振相關(guān)時(shí)；

③在制作偏振保持光耦合器和偏振器或去偏振器等時(shí)；

④制作利用光干涉的光纖敏感器等，

凡要求偏振波保持恒定的情況下，對光纖經(jīng)過(guò)改進(jìn)使偏振狀態(tài)不變的光纖稱(chēng)作偏振保持光纖（PMF：Polarization Maintaining fiber），或稱(chēng)其為固定偏振光纖。

雙折射光纖

雙 折射光纖是指在單模光纖中，可以傳輸相互正交的兩個(gè)固有偏振模式的光纖。折射率隨偏報方向變異的現象稱(chēng)為雙折射。它又稱(chēng)作PANDA光纖，即偏振保持與吸 收減少光纖（Polarization－maintai-ning AND Absorption－ reducing fiber）。它是在纖芯的橫向兩則，設置熱膨脹系數大、截面是圓形的玻璃部分。在高溫的光纖拉絲過(guò)程中，這些部分收縮，其結果在纖芯y方向產(chǎn)生拉伸，同 時(shí)又在x方向呈現壓縮應力。致使纖材出現光彈性效應，使折射率在X方向和y方向出現差異。依此原理達到偏振保持恒定的效果。

抗惡環(huán)境光纖

通 信用光纖通常的工作環(huán)境溫度可在-40～+60℃之間，設計時(shí)也是以不受大量輻射線(xiàn)照射為前提的。相比之下，對于更低溫或更高溫以及能在遭受高壓或外力影響、曝曬輻射線(xiàn)的惡劣環(huán)境下，也能工作的光纖則稱(chēng)作抗惡環(huán)境光纖（Hard Condition Resistant Fiber）。一般為了對光纖表面進(jìn)行機械保護，多涂覆一層塑料?？墒请S著(zhù)溫度升高，塑料保護功能有所下降，致使使用溫度也有所限制。如果改用抗熱性塑 料，如聚四氟乙?。═eflon）等樹(shù)脂，即可工作在300℃環(huán)境。也有在石英玻璃表面涂覆鎳（Ni）和鋁（Al）等金屬的。這種光纖則稱(chēng)為耐熱光纖（Heat Resistant Fiber）。另外，當光纖受到輻射線(xiàn)的照射時(shí)，光損耗會(huì )增加。這是因為石英玻璃遇到輻射線(xiàn)照射時(shí)，玻璃中會(huì )出現結構缺陷（也稱(chēng)作色心：Colour Center），尤在0.4～0.7pm波長(cháng)時(shí)損耗增大。防止辦法是改用摻雜OH或F素的石英玻璃，就能抑制因輻射線(xiàn)造成的損耗缺陷。這種光纖則稱(chēng)作抗輻 射光纖（Radiation Resistant Fiber），多用于核發(fā)電站的監測用光纖維鏡等。

密封涂層光纖

為了保持光纖的機械強度和損耗的長(cháng)時(shí)間穩定，而在玻璃表面涂裝碳化硅（SiC）、碳化鈦（TiC）、碳（C）等無(wú)機材料，用來(lái)防止從外部來(lái)的水和氫的擴散所制造的光纖（HCFHermeticallyCoated Fiber）。目前，通用的是在化學(xué)氣相沉積（CVD） 法生產(chǎn)過(guò)程中，用碳層高速堆積來(lái)實(shí)現充分密封效應。這種碳涂覆光纖（CCF）能有效地截斷光纖與外界氫分子的侵入。據報道它在室溫的氫氣環(huán)境中可維持20年不增加損耗。當然，它在防止水分侵入，延緩機械強度的疲勞進(jìn)程中，其疲勞系數（Fatigue Parameter）可達200以上。所以，HCF被應用于嚴酷環(huán)境中要求可靠性高的系統，例如海底光纜就是一例。

 碳涂層光纖

在石英光纖的表面涂敷碳膜的光纖，稱(chēng)之碳涂層光纖（CCF：Carbon CoatedFiber）。其機理是利用碳素的致密膜層，使光纖表面與外界隔離，以改善光纖的機械疲勞損耗和氫分子的損耗增加。CCF是密封涂層光纖（HCF）的一種。

金屬涂層光纖

金 屬涂層光纖（Metal Coated Fiber）是在光纖的表面涂布Ni、Cu、Al等金屬層的光纖。也有再在金屬層外被覆塑料的，目的在于提高抗熱性和可供通電及焊接。它是抗惡環(huán)境性光纖 之一，也可作為電子電路的部件用。 早期產(chǎn)品是在拉絲過(guò)程中，涂布熔解的金屬作成的。由于此法因被玻璃與金屬的膨脹系數差異太大，會(huì )增微小彎曲損耗，實(shí)用化率不高。近期，由于在玻璃光纖的表 面采用低損耗的非電解鍍膜法的成功，使性能大有改善。

摻稀土光纖

在光纖的纖芯中，摻雜如何（Er）、欽（Nd）、譜（Pr）等稀土族元素的光纖。1985年英國的索斯安 普頓（Sourthampton）大學(xué)的佩思（Payne）等首先發(fā)現摻雜稀土元素的光纖（Rare Earth DoPed Fiber）有激光振蕩和光放大的現象。于是，從此揭開(kāi)了慘餌等光放大的面紗，現在已經(jīng)實(shí)用的1.55pmEDFA就是利用摻餌的單模光纖，利用1.47pm的激光進(jìn)行激勵，得到1.55pm光信號放大的。另外，摻錯的氟化物光纖放大器（PDFA）正在開(kāi)發(fā)中。

 喇曼光纖

喇曼效應是指往某物質(zhì)中射人頻率f的單色光時(shí)，在散射光中會(huì )出現頻率f之外的f±fR， f±2fR等頻率的散射光，對此現象稱(chēng)喇曼效應。由于它是物質(zhì)的分子運動(dòng)與格子運動(dòng)之間的能量交換所產(chǎn)生的。當物質(zhì)吸收能量時(shí)，光的振動(dòng)數變小，對此散射光稱(chēng)斯托克斯（stokes） 線(xiàn)。反之，從物質(zhì)得到能量，而振動(dòng)數變大的散射光，則稱(chēng)反斯托克斯線(xiàn)。于是振動(dòng)數的偏差FR，反映了能級，可顯示物質(zhì)中固有的數值。利用這種非線(xiàn)性媒體做成的光纖，稱(chēng)作喇曼光纖（RF：Raman Fiber）。為了將光封閉在細小的纖芯中，進(jìn)行長(cháng)距離傳播，就會(huì )出現光與物質(zhì)的相互作用效應，能使信號波形不畸變，實(shí)現長(cháng)距離傳輸。 當輸入光增強時(shí)，就會(huì )獲得相干的感應散射光。應用感應喇曼散射光的設備有喇曼光纖激光器，可供作分光測量電源和光纖色散測試用電源。另外，感應喇曼散射， 在光纖的長(cháng)距離通信中，正在研討作為光放大器的應用。

偏心光纖

標準光纖的纖芯是設置在包層中心的，纖芯與包層的截面形狀為同心圓型。但因用途不同，也有將纖芯位置和纖芯形狀、包層形狀，作成不同狀態(tài)或將包層穿孔形成異型結構的。相對于標準光纖，稱(chēng)這些光纖叫異型光纖。 偏心光纖（Excentric Core Fiber），它是異型光纖的一種。其纖芯設置在偏離中心且接近包層外線(xiàn)的偏心位置。由于纖芯靠近外表，部分光場(chǎng)會(huì )溢出包層傳播（稱(chēng)此為漸消 彼，Evanescent Wave）。利用這一現象，就可檢測有無(wú)附著(zhù)物質(zhì)以及折射率的變化。偏心光纖（ECF）主要用作檢測物質(zhì)的光纖敏感器。與光時(shí)域反射計（OTDR）的測試法組合一起，還可作分布敏感器用。

發(fā)光光纖

采 用含有熒光物質(zhì)制造的光纖。它是在受到輻射線(xiàn)、紫外線(xiàn)等光波照射時(shí)，產(chǎn)生的熒光一部分，可經(jīng)光纖閉合進(jìn)行傳輸的光纖。發(fā)光光纖（Luminescent Fiber）可以用于檢測輻射線(xiàn)和紫外線(xiàn)，以及進(jìn)行波長(cháng)變換，或用作溫度敏感器、化學(xué)敏感器。在輻射線(xiàn)的檢測中也稱(chēng)作閃光光纖（Scintillation Fiber）。發(fā)光光纖從熒光材料和摻雜的角度上，正在開(kāi)發(fā)著(zhù)塑料光纖。

多芯光纖

通常的光纖是由一個(gè)纖芯區和圍繞它的包層區構成的。但多芯光纖（Multi Core Fiber）卻是一個(gè)共同的包層區中存在多個(gè)纖芯的。由于纖芯的相互接近程度，可有兩種功能。 其一是纖芯間隔大，即不產(chǎn)生光耦會(huì )的結構。這種光纖，由于能提高傳輸線(xiàn)路的單位面積的集成密度。在光通信中，可以作成具有多個(gè)纖芯的帶狀光纜，而在非通信領(lǐng)域，作為光纖傳像束，有將纖芯作成成千上萬(wàn)個(gè)的。 其二是使纖芯之間的距離靠近，能產(chǎn)生光波耦合作用。利用此原理正在開(kāi)發(fā)雙纖芯的敏感器或光回路器件。

空心光纖

將光纖作成空心，形成圓筒狀空間，用于光傳輸的光纖，稱(chēng)作空心光纖（Hollow Fiber）。 空心光纖主要用于能量傳送，可供X射線(xiàn)、紫外線(xiàn)和遠紅外線(xiàn)光能傳輸?？招墓饫w結構有兩種：一是將玻璃作成圓筒狀，其纖芯與包層原理與階躍型相同。利用光在 空氣與玻璃之間的全反射傳播。由于，光的大部分可在無(wú)損耗的空氣中傳播，具有一定距離的傳播功能。二是使圓筒內面的反射率接近1，以減少反射損耗。為了提 高反射率，有在簡(jiǎn)內設置電介質(zhì)，使工作波長(cháng)段損耗減少的。例如可以作到波長(cháng)10.6pm損耗達幾dB/m的。

高分子光導纖維

按 材質(zhì)分,有無(wú)機光導纖維和高分子光導纖維，目前在工業(yè)上大量應用的是前者。無(wú)機光導纖維材料又分為單組分和多組分兩類(lèi)。單組分即石英，主要原料為四氯化 硅、三氯氧磷和三溴化硼等。其純度要求銅、鐵、鈷、鎳、錳、鉻、釩等過(guò)渡金屬離子雜質(zhì)含量低于10ppb。除此之外,OH-離子要求低于10ppb。石英纖維已被廣泛使用。多組分的原料較多，主要有二氧化硅、三氧化二硼、硝酸鈉、氧化鉈等。這種材料尚未普及。高分子光導纖維是以透明聚合物制得的光導纖維，由纖維芯材和包皮鞘材組成。芯材為高純度高透光性的聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯抽絲制得的纖維，外層為含氟聚合物或有機硅聚合物等。

高分子光導纖維的光損耗較高，1982年，日本電信電報公司利用氘化甲基丙烯酸甲酯聚 合抽絲作芯材,光損耗率降低到20dB/km。但高分子光導纖維的特點(diǎn)是能制大尺寸，大數值孔徑的光導纖維，光源耦合效率高，撓曲性好，微彎曲不影響導光 能力，配列、粘接容易，便于使用，成本低廉。但光損耗大，只能短距離應用。光損耗在10～100dB/km的光導纖維，可傳輸幾百米。

保偏光纖

保 偏光纖：保偏光纖傳輸線(xiàn)偏振光，廣泛用于航天、航空、航海、工業(yè)制造技術(shù)及通信等國民經(jīng)濟的各個(gè)領(lǐng)域。在以光學(xué)相干檢測為基礎的干涉型光纖傳感器中，使用 保偏光纖能夠保證線(xiàn)偏振方向不變，提高相干信躁比，以實(shí)現對物理量的高精度測量。保偏光纖作為一種特種光纖，主要應用于光纖陀螺，光纖水聽(tīng)器等傳感器和 DWDM、EDFA等光纖通信系統。由于光纖陀螺及光纖水聽(tīng)器等可用于軍用慣導和聲吶，屬于高新科技產(chǎn)品，而保偏光纖又是其核心部件，因而保偏光纖一直被 西方發(fā)達國家列入對我禁運的清單?！”Ｆ饫w在拉制過(guò)程中，由于光纖內部產(chǎn)生的結構缺陷會(huì )造成保偏性能的下降，即當線(xiàn)偏振光沿光纖的一個(gè)特征軸傳輸時(shí)，部 分光信號會(huì )耦合進(jìn)入另一個(gè)與之垂直的特征軸，最終造成出射偏振光信號偏振消光比的下降. 這種缺陷就是影響光纖內的雙折射效應. 保偏光纖中，雙折射效應越強，波長(cháng)越短，保持傳輸光偏振態(tài)越好。

保偏光纖的應用及未來(lái)發(fā)展方向

保偏光纖在今后幾年內將有較大的市場(chǎng)需求。隨著(zhù)世界新技術(shù)的飛速發(fā)展和新產(chǎn)品的不斷開(kāi)發(fā) ，保偏光纖將沿著(zhù)以下幾個(gè)方向發(fā)展：

（1）采用光子晶體光纖新技術(shù)制造新型的高性能保偏光纖 ;

（2）開(kāi)發(fā)溫度適應性保偏光纖 ，以適應航空航天等領(lǐng)域環(huán)境的要求;

（3）開(kāi)發(fā)出各種摻稀土保偏光纖 ，滿(mǎn)足光放大器等器件應用的需求;

（4）開(kāi)發(fā)氟化物保偏光纖 ，促進(jìn)纖維光學(xué)干涉技術(shù)在紅外天文學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展;

（5）低衰減保偏光纖 :隨著(zhù)單模光纖技術(shù)的不斷完善 ，損耗、 材料色散和波導 色散已經(jīng)不再是影響光纖通信的主要因素 ，單模光纖的偏振模色散( PMD) 逐漸成為限制光纖通信質(zhì)量的最嚴重的瓶頸 ，在10 Gbit / s及以上的高 速光纖通信系統中表現尤為突出。

（6）利用克爾效應和法拉第旋光效應制造偏振光器件。

另外根據光纖頭不一樣還有：C-Lens. G-Lens.格林透鏡

4.常用光纖規格：

單模：8/125μm，9/125μm，10/125μm

多模：50/125μm，歐洲標準

62.5/125μm，美國標準

工業(yè)，醫療和低速網(wǎng)絡(luò )：100/140μm，200/230μm

塑料：98/1000μm，用于汽車(chē)控制

傳輸優(yōu)點(diǎn)

直到1960年，美國科學(xué)家Maiman發(fā)明了世界上第一臺激光器后，為光通訊提供了良好的光源。隨后二十多年，人們對光傳輸介質(zhì)進(jìn)行了攻關(guān)，終于制成了低損耗光纖，從而奠定了光通訊的基石。從此，光通訊進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段。

光纖傳輸有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：頻帶寬

頻帶的寬窄代表傳輸容量的大小。載波的頻率越高，可以傳輸信號的頻帶寬度就越大。在VHF頻段，載波頻率為 48．5MHz～300Mhz。帶寬約250MHz，只能傳輸27套電視和幾十套調頻廣播?？梢?jiàn)光的頻率達100000GHz，比VHF頻段高出一百多萬(wàn) 倍。盡管由于光纖對不同頻率的光有不同的損耗，使頻帶寬度受到影響，但在最低損耗區的頻帶寬度也可達30000GHz。目前單個(gè)光源的帶寬只占了其中很小 的一部分(多模光纖的頻帶約幾百兆赫，好的單模光纖可達10GHz以上)，采用先進(jìn)的相干光通信可以在30000GHz范圍內安排2000個(gè)光載波，進(jìn)行波分復用，可以容納上百萬(wàn)個(gè)頻道。

損耗低

在同軸電纜組成的系統中，最好的電纜在傳輸800MHz信號時(shí)，每公里的損耗都在40dB以上。相比之下，光導纖維的損耗則要小得多，傳輸1.31um的 光，每公里損耗在0．35dB以下若傳輸1.55um的光，每公里損耗更小，可達0．2dB以下。這就比同軸電纜的功率損耗要小一億倍，使其能傳輸的距離 要遠得多。此外，光纖傳輸損耗還有兩個(gè)特點(diǎn)，一是在全部有線(xiàn)電視頻道內具有相同的損耗，不需要像電纜干線(xiàn)那樣必須引入均衡器進(jìn)行均衡；二是其損耗幾乎不隨 溫度而變，不用擔心因環(huán)境溫度變化而造成干線(xiàn)電平的波動(dòng)。

重量輕

因 為光纖非常細，單模光纖芯線(xiàn)直徑一般為4um～10um，外徑也只有125um，加上防水層、加強筋、護套等，用4～48根光纖組成的光纜直徑還不到 13mm，比標準同軸電纜的直徑47mm要小得多，加上光纖是玻璃纖維，比重小，使它具有直徑小、重量輕的特點(diǎn)，安裝十分方便。抗干擾能力強因為光纖的基本成分是石英，只傳光，不導電，不受電磁場(chǎng)的作用，在其中傳輸的光信號不受電磁場(chǎng)的影響，故光纖傳輸對電磁干擾、工業(yè)干擾有很強的抵御能力。也正因為如此，在光纖中傳輸的信號不易被竊聽(tīng)，因而利于保密。

保真度高

因為光纖傳輸一般不需要中繼放大，不會(huì )因為放大引人新的非線(xiàn)性失真。只要激光器的線(xiàn)性好，就可高保真地傳輸電視信號。實(shí)際測試表明，好的調幅光纖系統的載波組合三次差拍比C/CTB在70dB以上，交調指標cM也在60dB以上，遠高于一般電纜干線(xiàn)系統的非線(xiàn)性失真指標。

工作性能可靠

我們知道，一個(gè)系統的可靠性與組成該系統的設備數量有關(guān)。設備越多，發(fā)生故障的機會(huì )越大。因為光纖系統包含的設備數量少(不像電纜系統那樣需要幾十個(gè)放大器)，可靠性自然也就高，加上光纖設備的壽命都很長(cháng)，無(wú)故障工作時(shí)間達50萬(wàn)～75萬(wàn)小時(shí)，其中壽命最短的是光發(fā)射機中的激光器，最低壽命也在10萬(wàn)小時(shí)以上。故一個(gè)設計良好、正確安裝調試的光纖系統的工作性能是非?？煽康?。

成本不斷下降

目前，有人提出了新摩爾定律，也叫做光學(xué)定律（Optical Law）。該定律指出，光纖傳輸信息的帶寬，每6個(gè)月增加1倍，而價(jià)格降低1倍。光通信技術(shù)的發(fā)展，為Internet寬帶技術(shù)的發(fā)展奠定了非常好的基礎。這就為大型有線(xiàn)電視系統采用光纖傳輸方式掃清了最后一個(gè)障礙。由于制作光纖的材料(石英)來(lái)源十分豐富，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，成本還會(huì )進(jìn)一步降低；而電纜所需的銅原料有限，價(jià)格會(huì )越來(lái)越高。顯然，今后光纖傳輸將占絕對優(yōu)勢，成為建立全省、以至全國有線(xiàn)電視網(wǎng)的最主要傳輸手段。

結構原理

光導纖維是由兩層折射率不同的玻璃組成。內層為光內芯，直徑在幾微米至幾十微米，外層的直徑0.1～0.2mm。一般內芯玻璃的折射率比外層玻璃大1%。根據光的折射和全反射原理,當光線(xiàn)射到內芯和外層界面的角度大于產(chǎn)生全反射的臨界角時(shí)，光線(xiàn)透不過(guò)界面，全部反射。

光纖衰減

造成光纖衰減的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對接等。

本征

是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

彎曲

光纖彎曲時(shí)部分光纖內的光會(huì )因散射而損失掉，造成的損耗。

擠壓

光纖受到擠壓時(shí)產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。

雜質(zhì)

光纖內雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。

不均勻

光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。

對接

光纖對接時(shí)產(chǎn)生的損耗，如：不同軸（單模光纖同軸度要求小于0.8μm），端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。

人為衰減

在實(shí)際的工作中，有時(shí)也有必要進(jìn)行人為的光纖衰減，如用于光通信系統當中的調試光功率性能、調試光纖儀表的定標校正,光纖信號衰減的光纖衰減器。

生產(chǎn)方法

目 前通信中所用的光纖一般是石英光纖。石英的化學(xué)名稱(chēng)叫二氧化硅(SiO2)，它和我們日常用來(lái)建房子所用的砂子的主要成分是相同的。但是普通的石英材料制 成的光纖是不能用于通信的。通信光纖必須由純度極高的材料組成;不過(guò)，在主體材料里摻入微量的摻雜劑，可以使纖芯和包層的折射率略有不同，這是有利于通信 的。

  VAD法制光纖預制棒

制 造光纖的方法很多，目前主要有：管內CVD(化學(xué)汽相沉積)法，棒內CVD法，PCVD(等離子體化學(xué)汽相沉積)法和VAD(軸向汽相沉積)法。但不論用 哪一種方法，都要先在高溫下做成預制棒，然后在高溫爐中加溫軟化，拉成長(cháng)絲，再進(jìn)行涂覆、套塑，成為光纖芯線(xiàn)。光纖的制造要求每道工序都要相稱(chēng)精密，由計 算機控制。在制造光纖的過(guò)程中，要注重：

①光纖原材料的純度必須很高。

②必須防止雜質(zhì)污染，以及氣泡混入光纖。

③要準確控制折射率的分布;

④正確控制光纖的結構尺寸;

⑤盡量減小光纖表面的傷痕損害，提高光纖機械強度。

管棒法

將內芯玻璃棒插入外層玻璃管中（盡量緊密），熔融拉絲；

雙坩堝法

在兩個(gè)同心鉑坩堝內，將內芯和外層玻璃料分別放入內、外坩堝中；

分子填充法

將微孔石英玻璃棒浸入高折射率的添加劑溶液中，得所需折射率分布的斷面結構，再進(jìn)行拉絲操作，它的工藝比較復雜。在光導纖維通信中還可用內外氣相沉積法等，以保證能制造出光損耗率低的光導纖維。

  OVD工藝示意圖

  MCVD工藝示意圖

  VAD工藝示意圖

· · · · · · · · · · · · · · · · · · 光導纖維應用時(shí)還要做成光纜，它是由數根光導纖維合并先組成光導纖維芯線(xiàn)，外面被覆塑料皮，再把光導纖維芯線(xiàn)組合成光纜，其中光導纖維的數目可以從幾十到幾百根，最大的達到4000根

太空融拉法

將光纖的拉絲裝置放到太空的微重力環(huán)境下去拉制，可以獲得地球上無(wú)法得到的超長(cháng)的高質(zhì)量導光纖維。

光纖分類(lèi)

根據不同光纖的分類(lèi)標準的分類(lèi)方法，同一根光纖將會(huì )有不同的名稱(chēng)。

按光纖的材料分類(lèi)

按照光纖的材料，可以將光纖的種類(lèi)分為石英光纖和全塑光纖。

石英光纖一般是指由摻雜石英芯和摻雜石英包層組成的光纖。這種光纖有很低的損耗和中等程度的色散。目前通信用光纖絕大多數是石英光纖。

全塑光纖是一種通信用新型光纖，尚在研制、試用階段。全塑光纖具有損耗大、纖芯粗(直徑100～600μm)、數值 孔徑(NA)大(一般為0.3～0.5，可與光斑較大的光源耦合使用)及制造成本較低等特點(diǎn)。目前，全塑光纖適合于較短長(cháng)度的應用，如室內計算機聯(lián)網(wǎng)和船 舶內的通信等。

按光纖剖面折射率分布分類(lèi)

按照光纖剖面折射率分布的不同，可以將光纖的種類(lèi)分為階躍型光纖和漸變型光纖。

按傳輸模式分類(lèi)

按照光纖傳輸的模式數量，可以將光纖的種類(lèi)分為多模光纖和單模光纖。

單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖。單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，不存在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得多的 帶寬，這對于高碼速傳輸是非常重要的。單模光纖的模場(chǎng)直徑僅幾微米(μm)，其帶寬一般比漸變型多模光纖的帶寬高一兩個(gè)數量級。因此，它適用于大容量、長(cháng) 距離通信。

按照國際標準規定分類(lèi)(按照ITU-T 建議分類(lèi))

為了使光纖具有統一的國際標準，國際電信聯(lián)盟(ITU-T)制定了統一的光纖標準(G 標準)。按照ITU-T 關(guān)于光纖的建議，可以將光纖的種類(lèi)分為：

G.651 光纖(50/125μm 多模漸變型折射率光纖)

G.652 光纖(非色散位移光纖)

G.653 光纖(色散位移光纖DSF)

G.654 光纖(截止波長(cháng)位移光纖)

G.655 光纖(非零色散位移光纖)。

為了適應新技術(shù)的發(fā)展需要，目前G.652 類(lèi)光纖已進(jìn)一步分為了G.652A、G.652B、G.652C 三個(gè)子類(lèi)，G.655 類(lèi)光纖也進(jìn)一步分為了G.655A、G.655B 兩個(gè)子類(lèi)。

按照IEC 標準分類(lèi)，IEC 標準將光纖的種類(lèi)分為

A 類(lèi)多模光纖：

A1a 多模光纖(50/125μm 型多模光纖)

A1b 多模光纖(62.5/125μm 型多模光纖)

A1d 多模光纖(100/140μm 型多模光纖)

B 類(lèi)單模光纖：

B1.1 對應于G652 光纖，增加了B1.3 光纖以對應于G652C 光纖

B1.2 對應于G654 光纖

B2 光纖對應于G.653 光纖

B4 光纖對應于G.655 光纖

系統運用

高分子光導纖維開(kāi)發(fā)之初，僅用于汽車(chē)照明燈的控制和裝飾?，F在主要用于醫學(xué)、裝飾、汽車(chē)、船舶等方面，以顯示元件為主。在通信和圖像傳輸方面，高分子光導纖維的應用日益增多，工業(yè)上用于光導向器、顯示盤(pán)、標識、開(kāi)關(guān)類(lèi)照明調節、光學(xué)傳感器等。

通信應用

光導纖維可以用在通信技術(shù)里。1979年9月，一條3．3公里的120路光纜通信系統在北京建成，幾年后上海、天津、武漢等地也相繼鋪設了光纜線(xiàn)路，利用光導纖維進(jìn)行通信。

多模光導纖維做成的光纜可用于通信，它的傳導性能良好，傳輸信息容量大，一條通路可同時(shí)容納數十人通話(huà)?？梢酝瑫r(shí)傳送數十套電視節目，供自由選看。

利用光導纖維進(jìn)行的通信叫光纖通信。一對金屬