光纤

光纤是一种介质光波导，通常由玻璃或塑料制成，利用光的全反射原理来传输光。光纤的基本结构包括纤芯、包层、涂层和护套，芯和包层是光纤结构的主要部分，对光波的传播起着决定性的作用，而涂层和护套主要用来隔离杂散光，保护光纤。光纤的传输特性包括传输模式、损耗、色散、偏振、传输带宽等。一般来说，根据传输模式的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤。而且由于光纤材料的多样性和截面折射率分布的差异，光纤的种类和功能非常丰富。不同的光纤有不同的制备方法，主要包括气相沉积技术和非气相沉积技术。光纤技术的发明可以追溯到19世纪克拉顿发现光可以沿着弯曲的水流传导。在随后的发展过程中，中国科学家高锟提出了超低损耗光纤的理论基础；1970年，低损耗光纤的问世推动了光纤在光通信等诸多领域的发展和应用、传感探测、激光、医疗成像等。

光纤的一般结构如图1所示，从里到外是芯、包层、涂覆层和护套。纤芯和包层是光纤结构的主要部分纤芯由高折射率材料制成，是光波的传输介质；包层材料的折射率略低于纤芯，与纤芯一起形成光波导，限制光波的传输，对光波的传播起决定性作用。涂层和护套主要用于隔离杂散光，提高光纤强度，保护光纤。在特殊应用中，没有涂层和护套，就是裸纤，简称裸纤。

当光在光纤中传播时，根据光的全反射原理，发现光纤芯-在包层界面处，如果光的入射角超过全反射临界角，纤芯内的光就会被完全反射回来，无法通过界面，只能束缚在纤芯内向前传播。

传输特性

传输模式

基模

光在纤芯中传播时，不同的入射角会形成不同的光路，这些光路的数量会受到光纤数值孔径的限制这些有效的光路称为模式。其中，沿光纤中心轴传播的光路称为基模(用表示）不平行于光纤中心轴的其他模式称为高阶模式。

当纤芯足够细时，光只能沿光纤的中心轴传播，这种光纤称为单模光纤；当纤芯较大时，光纤中存在光的模式，称为多模光纤。

模间色散

在多模光纤中，不同模式的传输速度和相位不同，传输一定距离后，光脉冲会发生延迟，这就是光纤的模式色散（或模间色散）

衰减(损耗)

衰减(损耗)系数

光在光纤中传播时，会由于各种因素造成光损耗，一般可以用损耗系数来描述，损耗系数由下式定义。

衰减(损耗)机理

材料的固有损耗

材料的固有损耗有三个部分：材料分子结构振动引起的红外吸收、电子跃迁引起的紫外吸收、小尺度粒子引起的瑞利散射。

杂质吸收造成的损失

光纤中杂质造成的损耗分为两部分：因吸收氢氧根离子铁、铬、铜等金属离子引起的光吸收。

结构原因造成的损失

光纤结构引起的损耗可分为四类：

1)界面损耗：纤芯和包层之间不均匀接合造成的损耗；

2)微弯损耗：当光纤侧面受压不均匀时，会出现微小弯曲造成的损耗；

3)弯曲损失：光纤过度弯曲造成的损耗，导致光的全反射失效；

4)连接损耗：在连接部分，由于光纤尺寸的不匹配，光会泄漏出去。

测定方法

相位法和微分相位差：它们都是使用多个不同波长的光源来测量光纤，通过比较不同模式下信号的相位差来测量色散值。

脉冲法：在时域中，测量不同模式的接收脉冲信号差，并利用该数据建立波长-色散的近似计算。

干涉法：使用可干涉（宽带）光源以及包括参考光路和测量光路的测量系统通过干涉图的条纹分析不同波长的延迟时间。

色散的抑制

光纤中色散的抑制基于纤芯半径、纤芯-包层折射率差等参数对色散的影响规律基于光纤色散和纤芯半径、纤芯—参数的相关性，例如包层的低折射率。

这类具有色散抑制作用的光纤主要包括色散位移光纤、非零色散位移光纤、色散平坦光纤、逆色散光纤。

偏振

线偏振场

在单模光纤中，基模可以分解成两个正交模当光纤满足理想的圆形和各向同性条件时，这两种模式的传输相位将始终保持不变，所得光场的方向不随时间变化，称为线偏振场。

双折射现象

在实际应用中，光纤总有一些缺点，如结构缺陷、形状的变形、光纤折射率和内应力的不均匀会导致正交模的简并性被打破，形成相位差。原来的线偏振态也会改变，产生椭圆偏振。通常，光在光纤中的偏振态会沿光纤轴向从线偏振到椭圆偏振再到线偏振发生周期性变化，这种现象称为双折射。

传输带宽

当脉冲信号以一定的时间间隔送入光纤时，相邻的信号可能会因为靠得太近而重叠，导致输出无法识别。传输带宽定义为在输出端仍能识别脉冲信号的最大输入速度。传输带宽很大程度上取决于光的色散。

按剖面折射率分布分类

阶跃型光纤

也称SI光纤，纤芯的折射率处处相同，包层的折射率处处相同，但纤芯的折射率更高，在两者的界面处，整个光纤的折射率呈阶梯状变化。

渐变型光纤

又称GI型光纤、抛物线型光纤，纤芯折射率呈抛物线变化，中间最高，向外逐渐降低，最外面的纤芯折射率与包层折射率相同。

其他类型

W型光纤：折射率分布呈W型，这种光纤有两个包层通过调节内包层和纤芯的折射率和半径，我们可以得到色散平坦光纤和色散位移光纤。

三角形纤芯：纤芯具有三角形的折射率分布它是一种改进的色散位移光纤，适用于密集波分复用和孤子传输的长距离系统。

椭圆型纤芯：纤芯具有椭圆折射率分布，具有双折射特性。

按传输模式分类

单模光纤

单模光纤（SMF   singlemode 3356 optical fiber）只有基模可以传输，其他所有高阶模都被截止。光在单模光纤中的传播路径平行于光纤的中心轴。

特点：芯径极细，只能传输一种模式，可以完全避免模式色散，传输频带很宽，传输容量很大。折射率分布一般采用阶梯折射率分布(称为单模阶跃折射率光纤）

适用领域：这种光纤适用于大容量长距离的光纤通信。

多模光纤

多模光纤（Multitype   3356 optical fiber, MMF）是指在一定的工作波长下，光纤可以传输除基模以外的其他模式的光纤。

特点：它具有模式色散窄带宽和低传输容量；但是制造、连接、耦合比较容易。可以使用阶跃折射率分布(被称为多模阶跃光纤）也可以使用分级的折射率分布(称为多模渐变折射率光纤）

适用领域：仅适用于容量较小的光纤通信。

按组成材料分类

1)石英光纤

材料成分：掺杂少量或等量杂质的二氧化硅(，俗称石英)通过控制杂质含量可以调节光纤的折射率分布。

特点：光损耗极低，强度高，可靠性好，价格高，用途最广。

使用领域：广泛应用于通信系统。

2)多组分玻璃光纤

材料成分：纤芯和包层是硅酸盐玻璃（主要成分为）

特点：该制作工艺具有温度低成本低折射率调节范围大损耗大的优点；

使用领域：医疗光纤内窥镜、短距离图像成像。

3)氟化物光纤

材料成分：纤芯和包层是氟化物玻璃，包括氟化钴(氟化钡(氟化镧(LaF3)氟化铝(AlF3)氟化钠(NaF)等等，所以也简称ZBLAN光纤；

特点：工作在 波长范围，光损耗低，可达应时光纤的1以下，环境稳定性差；

使用领域：温敏器、热图像传输、海底光缆传输。

4)硫系玻璃光纤

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

特点：它的红外透过率、耐化学性、机械性能高于应时纤维，制造成本低；

使用领域：激光医学远程切割和焊接红外成像各种传感器和军事。

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5)塑料光纤

材料成分：纤芯和包层由有机玻璃制成（PMMA）聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酷（PC）聚合物基的，所以也叫聚合物光纤。

特点：它具有芯径大柔韧性好连接容易重量轻价格低传输带宽大等特点；

使用领域：宽带接入网系统、家庭智能网络系统、数据传输系统、汽车智能系统、工业控制系统与纺织、照明、太阳能利用系统等等。

6)塑包光纤

材料成分：纤芯由高纯度应时制成，包层由硅胶等塑料制成；

特点：纤芯租、数值孔径(NA)高、易于与LED  的LED光源结合，损耗小；

使用领域：局域网(LAN)和近距离通信。

7)碳涂覆光纤

材料成分：应时光纤表面涂有碳膜的光纤也叫涂碳光纤(Carbon coated   fiber, CCF)

特点：采用高密度碳纤维膜将光纤与外界环境隔离，从而阻挡外界离子的入侵，提高光纤的机械性能，改善离子入侵造成的光损耗；

使用领域：海底光缆。

8)掺氟光纤

材料组成：纤芯由二氧化硅制成，包层掺有降低折射率的氟；

特点：瑞利散射非常小，光纤损耗接近理论最小值。

9)掺稀土光纤

材料组成：在纤芯中掺杂稀土元素（土族元素（钇、铒、铽）和镧系元素）

特点：它具有激光振荡和光放大的现象，也称为有源光纤；

使用领域：光纤放大器、光纤传感器、高功率激光传输、自由空间激光通信和超短脉冲放大。

按特殊功能分类

具有分散抑制作用

色散位移光纤：色散位移光纤（DSF）正是通过改变光纤的模场直径来实现光纤的色散-一种波长曲线向长波方向移动的光纤。

传统的应时光纤通常工作在最小衰减波长(1.5微米)然而，在该波长下，光纤具有大的色散。合适的DSF光纤可以使零色散波长点移动到最小衰减波长，产生最小色散。

色散平坦光纤：DFF光纤的简称，是指通过选择合适的光纤材料和结构，使光纤的色散系数在一定波长范围内近似为零。

逆色散光纤：DCF光纤顾名思义是一种具有负色散值的光纤它可以添加到普通光纤中以补偿色散，从而使总色散近似为零。

具有偏振态选择的作用

在光电探测器的制作过程中，当对光的偏振态有选择性或者需要稳定的偏振态时，就要用到保偏光纤有两种常见的保偏光纤。

低双折射光纤：它被称为LB 光纤，试图将单模光纤的缺陷和内部残余应力降到最低，同时使光纤截面更接近规则圆，从而将单模光纤的双折射降到最低。

高双折射光纤：记作HB光纤，高双折射光纤使用几何双折射、应力双折射等效应，设计高不对称的光纤，从而改善双折射。高折射率光纤分为双偏振光纤和单偏振光纤双偏振光纤就是所谓的保偏光纤和单偏振光纤(SP)仅选择两个独立正交模式中的一个，也称为绝对单模光纤。

光纤通信技术

技术原理：光具有强度、相位、波长等特征参数，利用光纤作为传输通道，可以传输这些光信息，实现通信。

优点：1)传输信息的带宽和容量很大；2)抗电磁干扰能力强；3)体积小，重量轻；4)传输损耗低，传输距离长；5)没有向外的光辐射；6)安全保密；7)工程安装和铺设方便。

电信网络之间的传输线路

由于光纤的优良特性，在室内电话中继线和长途中继线可以发挥很大的优势，也是光纤的主要使用场合。

不同网络级别的光通信

通过将光纤连接到计算机和各种终端设备，可以实现高速、大容量本地数字通信网。

光纤入户

FTTH的简称，是指光纤可以从电信终端直接连接到家庭用户，同时可以完成视频、数据、传输语音和多媒体业务，实现居民网上购物、医疗、教育等需求。

在恶劣和危险的环境中使用

在石油和天然气仓库、发电站和其他需要辐射防护的地方、电离放电、在易燃易爆的场合，光纤通信可以发挥很大的作用，不仅避免了短路、电火花的危险，且传输容量大。

有源光纤技术

有源光纤：指光纤本身受到光或其他能量激发时的能量放大（或增益）的一类光纤。有源光纤一般是掺杂稀土元素的光纤。有源光纤可用于光纤放大器和光纤激光器。

光纤放大器：有源光纤可以用来与半导体激光泵浦源等器件组成光纤放大器。其中，有源光纤主要起接收泵浦光源的信号光并放大的作用，可以减少电子电路，提高接收设备的灵敏度。光纤放大器与波分复用技术的结合、光孤子技术、有线电视与其他技术的结合可用于光纤通信领域。

光纤激光器：与光纤放大器相比，光纤激光器多了一个光纤谐振腔，用于谐振和放大内部光子。主要有——双包层光纤技术形成的激光器和光纤光栅技术形成的激光器两种。输出激光具有良好的稳定性、功率输出、光谱纯度和低相对强度噪声 ，还可以进行波长转换。

光纤传感技术

有两种主要类型的光纤用于传感检测：一种是用光纤作为检测元件的一部分，提高被检测量的灵敏度；一种是光纤只作为传感器的信息传输通道，探头由其他元件组成。光纤传感器可以检测温度、位移、应变、电压电流等物理量。

光纤温度传感器：分为辐射型光纤温度传感器（基于普朗克协会黑体辐射理论）半导体吸收光纤温度传感器（基于半导体带隙宽度-温度-波长的关联性）荧光光纤温度传感器（基于荧光激发光波强度的温度调制特性）光纤液体温度传感器（基于液体包层折射率受温度影响的特性）偏振光纤温度传感器（基于应时的旋光性受温度影响）干涉型光纤温度传感器（基于光纤中光相位随温度变化的特性）

光纤位移传感器：利用光纤可以实现位移的非接触、高精度探测。通常有一种径向强度调制类型、透射式光强自动补偿型、和集成光学微位移传感器。基于光学三角漫反射技术，也可以检测旋转体的位移。

光纤应变传感器：光纤应变检测的原理是基于当光纤受力变形时，光纤传输的光的特性会发生变化。光纤应变传感器包括微弯损耗型干涉型和振荡器型。

光纤旋转传感器：也被称为光纤陀螺，它使用萨格纳克效应（在旋转设备中，沿着相同的光路、在相反方向传输的两个光束之间的光程差与设备的旋转速度有关），不仅可以测量转速，还可以用于导航系统。

光纤用于测量电磁信号：光纤磁场传感器——可以通过法拉第旋转效应或磁致伸缩效应来测量磁场强度；光纤电流传感器——基于法拉第旋转效应；光纤电压传感器——利用电光效应，施加的电场会改变光纤的各向异性。

光纤传像技术

利用光纤传输图像的方法：一种是利用光纤通信技术进行图像传输，另一种是光纤束图像传输技术纤维束图像传输是将每根纤维与一个最基本的图像元素相匹配，并且每根纤维应该彼此关联地排列在纤维束的两侧。

具体应用：军事上可以用来传输密码和光学潜望镜，医学上可以用来检查器官，工业上可以把图像光束和计算机编程结合起来提取特征信息。