光纤，全称“光导纤维”，是一种重要的介质光波导，通常由玻璃或塑料等导光材料制成。它利用光的全反射原理进行光信号的传输，是现代通信技术中的关键组成部分。

基本结构

光纤的一般结构从内到外依次为纤芯、包层、涂覆层和护套。纤芯和包层是光纤结构的主体，纤芯由高折射率材料制成，是光波的传输介质；包层材料折射率比纤芯稍低，与纤芯共同构成光波导，形成对传输光波的约束作用。涂覆层与护套则主要用于隔离杂光，提高光纤强度，保护光纤。

结构组成与功能特点

发展历史

早期阶段——光纤的发现和简单应用

光纤相关的发现最早可以追溯到19世纪。1841年，丹尼尔·克拉顿（Daniel Colladon）最早发现光可以通过弯曲的水流传导。1926年，英国的J.C. Baird首次提出可以基于光的全反射制备石英光纤，并申请了相关专利。1930年，德国的拉姆(H. Lamm)将石英光纤束用于消化内镜中光学图像的传输。

成熟阶段——工艺理论的建立和完善

• 涂层工艺的改进：1953年，荷兰科学家Abraham Van Heel将低折射率的塑料涂在玻璃芯上，得到了满足全反射条件的光纤。
• 拉丝工艺的诞生：1954年，美国的B.I. Hirschowitz采用高温拉丝和套管方法，实现了具有高折射率内芯和低折射率包层并且不会漏光的光纤，为光纤的生产工艺奠定了基础。
• 超低损耗光纤的提出：1966年7月，华裔科学家高锟博士在PIEE杂志上发表论文《光频率的介质纤维表面波导》，从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并提出通过减少杂质和改进工艺可以极大减小光纤的衰减，预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性，为光纤通信奠定了理论基础。
• 光纤通信元年：1970年，美国康宁公司三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克用改进型化学相沉积法（MCVD法）成功研制成传输损耗只有20dB/km的低损耗石英光纤，证实了高锟等人的设想，使得光纤通信成为可能。
• CVD方法的使用：1972年，美国康宁公司将化学气相沉积方法用于光纤制作，光纤损耗进一步降低，光纤进入实用化阶段。

现代化发展阶段——光纤通讯的蓬勃发展

• 早期的光通信系统：约1973-1981年期间，1975年，美国贝尔实验室开通世界上第一个光纤数字通信线路，主要为多模光纤（MM-Fiber），早期为阶跃型多模光纤(SI-MM-Fiber)，后面为梯度多模光纤(GI-MM-Fiber)。光纤首次用于光通信系统，前期开发波长为850nm（第一窗口），后面又开发了1300nm（第二窗口）。
• 单模光纤的商业化：
  • 1983年，日本兴建了从北海道到冲绳岛的单模光缆干线，开启了普通单模光纤(1310nm)传输系统的商业化应用。
  • 1983-1985年，色散位移光纤(DSF)被研制并被商业化使用，打开了光纤通信的第三窗口(1550nm)。
  • 1986年，南安普顿大学研制出掺饵光纤放大器，与波分复用技术和光孤子技术结合，使得光纤通信超大容量和超远距离的传输成为可能。
  • 1990年前后，截止波长位移光纤(CSMF)被研制并被用于海底光缆，降低由宏观弯曲造成的损耗得到突破性进展。
  • 1993-1995年，色散补偿光纤(DCF)、非零色散位移单模光纤(NZ-DSF)被研制，解决了四波混频现象和光纤的非线性。
  • 1998年，美国朗讯公司推出全波光纤(AllWave fiber)，解决了光纤在1383nm处由于氢氧根造成的水峰吸收，打开了光纤通信的第五窗口(1360-1460nm)。
• 标准的制定：2002年5月，国际电信联盟(ITU-T)发布了单模光纤通信系统按光波段划分的标准，划分为O、E、S、C、L、U带。单模光纤的O带为第2窗口(1260-1360nm)、C带为第3窗口(1530-1565nm)、L带为第4窗口(1565-1625nm)、E带为第5窗口(1360-1460nm)；多模光纤型式按ITU-T的标准只有G.651光纤，波长为850nm(称为第1窗口)；按国际电工组织(IEC)的标准分为A1、A2、A3、A4四类多模光纤。

光纤在中国的发展

• 起步阶段：1976年，赵梓森在中国自主研制出第一根光纤，被誉为“中国光纤之父”。1979年9月，上海、北京等地建成了市内电话中继线路用的光缆通信系统试验段，标志着中国光纤的起步。
• 实用化阶段：1981年，中国第一条实用化的光纤通信线路在武汉开通，中国光纤发展迈入实用产业化阶段。
• 跟进与大建设阶段：1986-1990年，通过国家“七五”科技攻关，中国光纤通信技术取得了巨大转变和成就，缩短了中国光纤通信技术与国际间的差距。“八五”和“九五”计划期间（1991-2000），中国建设了两个“八纵八横”通信光缆，实现了通信干线网在全国范围内的基本覆盖。
• 光纤到户的基本覆盖：2009年4月初，国务院提出加速下一代互联网和宽带光纤接入建设，其中“光进铜退”(FTTx)是重要部分，目的是最终推动光纤到户(FTTH)。2022年6月，光纤用户占比由2012年的不到10%提升至2021年的94.3%，行政村通宽带实现全覆盖，贫困地区通信难问题得到历史性解决。同年，单晶有机金属钙钛矿光纤首次制成。2023年5月，中国科学家实现千公里无中继光纤量子密钥分发，创下世界纪录，并提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。6月，中国科学家成功实现508公里光纤量子通信。

原理特性

传输原理

当光在光纤中传播时，根据光的全反射原理，在纤芯与包层的分界面处，当光线的入射角超过全反射临界角时（临界角受光的波长、材料折射率等因素影响），纤芯内的光线会被完全反射，无法穿过界面，从而被约束在纤芯内向前传播。

传输特性

• 传输模式：
  • 基模：光线在纤芯中传播时，不同的入射角会形成不同的光路，这些光路数量受光纤数值孔径的限制。沿着光纤中心轴传播的光路称为基模。
  • 高次模：其他没有平行于光纤中心轴的模式称为高次模。纤芯足够细时，光只能沿着光纤中心轴传播，这种光纤称为单模光纤；纤芯很大时，光纤中的光有多种模式，这类光纤称为多模光纤。
• 模间色散：多模光纤中，不同模式的传输速度和相位有差异，经过一定距离的传输后会产生延时，导致光脉冲变宽，这种现象称为光纤的模式色散（或模间色散）。
• 衰减（损耗）：
  • 衰减（损耗）系数：光在光纤中传播时，会因各种因素造成光损耗，一般用损耗系数描述。
  • 衰减（损耗）机理：包括材料的固有损耗（如红外吸收、紫外吸收、瑞利散射）、杂质吸收导致的损耗（如羟基离子吸收、金属离子吸收）、结构原因导致的损耗（如界面损耗、微弯损耗、弯曲损失、连接损耗）。
• 色散：
  • 色散类型：包括模式色散（多模光纤中不同模式因传播速度和相位差异造成的色散）、偏振色散（单模光纤中双折射使两个正交偏振模产生时延差而出现的色散）、波长色散（材料色散和波导色散，材料色散由于光纤材料折射率随光波长变化引起，波导色散由于光纤某一模式对不同波长群速度不同引起）。
  • 测定方法：包括相位法和微分相位差、脉冲法、干涉法。
  • 色散的抑制：基于纤芯半径、纤芯-包层折反射率差值等参数对色散的影响规律，利用光纤色散和纤芯的半径、纤芯—包层折射率差等参量的依存性进行抑制。带有色散抑制效果的光纤主要有色散位移光纤、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：单模光纤中，基模可以分解成两个正交的模式，当光纤满足理想的圆形以及各向同性的条件时，这两个模式的传输相位将始终保持相同，得到的合成光场的方向也不会随时间变化，称作线偏振场。
  • 双折射现象：实际应用时，光纤存在结构缺陷、形状变形、折射率和内部应力不均一等问题，导致正交模式的简并被打破，形成相位差，原来的线偏振态发生改变，出现椭圆偏振。光纤内的光线偏振状态会沿着光纤轴发生从线偏振到椭圆偏振再到线偏振的周期变化，即双折射现象。

• 传输带宽：脉冲信号以一定时间间隔送入光纤时，邻近的信号可能因靠得太近发生交叠，导致输出端无法辨识。传输带宽定义为脉冲信号在输出端仍然可以被辨识的最大输入速度，很大程度上取决于光的色散。

光纤类型

按剖面折射率分布分类

• 阶跃型光纤：又称SI型光纤，纤芯的折射率处处相同，包层的折射率也处处相同，但纤芯折射率更高，整个光纤的折射率在二者交界面发生阶跃式变化。
• 渐变型光纤：又称GI型光纤、抛物线型光纤，纤芯的折射率呈抛物线变化，中间最高，向外逐渐降低，纤芯最外围的折射率和包层的折射率相同。
• 其他类型：
  • W型光纤：折射率分布像W型，具有两个包层，通过调整内外包层和纤芯的折射率以及半径可以得到色散平坦光纤和色散位移光纤。
  • 三角形纤芯：纤芯具有三角形分布的折射率，是改良的色散移位纤维，适用于具有密集波分复用和孤子传输的长距离系统。
  • 椭圆型纤芯：纤芯具有椭圆型分布的折射率，具有双折射特性。
  • 多芯光纤（Multi Core Fiber）：在一个共同的包层区中存在多个纤芯的光纤结构，纤芯相互接近程度不同可实现不同功能，如纤芯间隔大形成不产生光耦合的结构，能提高传输线路的单位面积集成密度。

按传输模式分类

• 单模光纤：
  • 定义：单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）中只有基模可以传输，其余高次模全部截止。
  • 特点：芯径极细，只能传输一种模态，可以完全避免模态色散，传输频带很宽（带宽一般比渐变型多模光纤的带宽高一两个数量级），传输容量很大。折射率分布一般采用阶跃折射率分布（称为单模阶跃折射率光纤）。
  • 适用领域：适用于大容量、长距离的光纤通信。
• 多模光纤：
  • 定义：多模光纤（Multi Mode Fiber，MMF）指在一定工作波长下，光纤除传输基模之外，还可以同时传输其他模式的光纤。
  • 特点：具有模式色散，带宽较窄，传输容量较低；但制造、连接、耦合比较容易。可采用阶跃折射率分布（称为多模阶跃折射率光纤），也可采用渐变折射率分布（称为多模渐变折射率光纤）。
  • 适用领域：仅适用于较小容量的光纤通信。

按组成材料分类

• 石英光纤：
  • 材料成分：掺有少量杂质的二氧化硅（俗称石英），可通过控制杂质含量调整光纤的折射率分布。
  • 特点：光学损耗非常低，强度高，可靠性好，价格较高，应用最广泛。
  • 使用领域：广泛应用于通信系统。
• 多组分玻璃光纤：
  • 材料成分：纤芯和包层均为硅酸盐系玻璃。
  • 特点：制作工艺温度低，成本便宜，折射率调节范围大，损耗大。
  • 使用领域：医疗光纤内窥镜、短距离图像成像。
• 氟化物光纤：
  • 材料成分：纤芯和包层均为氟化物玻璃，包括氟化钴、氟化钡、氟化镧、氟化铝、氟化钠等，简称ZBLAN光纤。
  • 特点：在特定波长范围内工作，光损耗低，可达石英光纤的百分之一以下，环境稳定性差。
  • 使用领域：温敏器、热图像传输、海底光缆传输。
• 硫系玻璃光纤：
  • 材料成分：元素周期表中Ⅵ主族的硫、硒、碲元素为主要成分的玻璃。
  • 特点：红外透过率、耐化学性、机械性能均高于石英光纤，制造费用低。
  • 使用领域：激光医学、远程切割焊接、红外成像、各种传感器及军用。
• 塑料光纤：
  • 材料成分：纤芯和包层以有机玻璃（PMMA）、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（PC）等聚合物为主，又称聚合物光纤。
  • 特点：具有大的芯径，柔韧性好，易于连接，质量轻，价格低，传输带宽大。
  • 使用领域：适合于较短长度的应用，如室内计算机联网、船舶内通信、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、工业控制系统以及纺织、照明、太阳能利用系统等方面。
• 塑包光纤：
  • 材料成分：纤芯为高纯度的石英，包层为硅胶等塑料。
  • 特点：纤芯粗、数值孔径(NA)高、容易与发光二极管LED光源结合，损耗也较小。
  • 使用领域：局域网(LAN)和近距离通信。
• 碳涂覆光纤：
  • 材料成分：在石英光纤的表面涂敷碳膜的光纤，又称碳涂层光纤(Carbon Coated Fiber,CCF)。
  • 特点：采用高密度的碳纤维薄膜将光纤与外部环境隔绝，阻断了外界氢分子的侵入，提高了纤维的力学性能，改善了因氢分子侵入造成的光损耗；在室温的氢气环境中可维持20年不增加损耗。
  • 使用领域：海底光缆。
• 掺氟光纤：
  • 材料组成：纤芯使用SiO2，包层中掺入降低折射率的氟元素。
  • 特点：瑞利散射很小，光纤损耗接近理论的最低。
• 掺稀土光纤：
  • 材料组成：在纤芯掺入稀土元素（钇、铒、铽等土族元素和镧系元素）。
  • 特点：具有激光振荡和光放大的现象，又称有源光纤。
  • 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等领域。

按特殊功能分类

• 具有色散抑制效果：
  • 色散位移光纤：通过改变光纤的模场直径，使光纤的色散-波长曲线向长波方向移动，使零色散波长点移动到最小衰减波长处，产生最小的色散。
  • 色散平坦光纤：通过选择合适的光纤材料和结构，使某一段波长范围内光纤的色散系数近似为零。
  • 逆色散光纤：具有负色散值的光纤，可加接在普通光纤之后对其产生的色散进行补偿，使总的色散为零。
• 具有偏振态选择效果：
  • 低双折射光纤：记作LB光纤，设法将单模光纤的缺陷和内部残余应力降到最低，使光纤截面更加接近规正的圆形，使单模光纤双折射最小。

  • 高双折射光纤：记作HB光纤，利用几何双折射、应力双折射等效应，设计具有高度非对称性的光纤，提高双折射。高折射率光纤中又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，单偏振光纤(SP)只选择两个分开的正交模式中的一个，又称绝对单模光纤。

  
  

制备工艺

工艺方法及分类

光纤制备的核心在于预制棒的制备和拉丝，根据制备预制棒方式的不同，光纤制造工艺可分为气相沉积技术和非气相沉积工艺两大类。

气相沉积技术

• 生产对象：石英光纤。
• 原料：液态卤化物。
• 工艺流程：包括原料的制备与提纯、预制棒（芯棒和包层）的制备、拉丝、涂覆与套塑，另外还包括相应的筛选和检测。
  • 原料的制备与提纯：气相技术生产光纤所使用的原料一般由工业硅先在高温下进行氯化反应，然后进一步提纯获得。提纯目的是除去杂质，减少杂质在光纤中引起光损耗，使用精馏-吸附-精馏混合提纯法，精馏可有效除去有害过渡金属及其氧化物，吸附主要除去原料中的氢氧基和其他氢物。
  • 预制棒的制备：
    • 气相沉积芯棒技术：以高纯氧为载体，将汽化的原料带入反应器中，通过化学反应得到高纯度的石英芯棒，可严格控制过渡金属离子和OH基。主要有改良化学气相沉积法（MCVD）、气相轴向沉积法（VAD）、外部气相沉积法（OVD）、等离子化学气相沉积法（PCVD）。
    • 外包层的制备：
      • 套管法：选取形状参数尺寸合适的套管，将芯棒插入其中，经高温压缩成型得到预制棒。也可将多个套管按顺序套在一个芯棒上，一边拉伸一边高温压缩，称为在线套管法。
      • 粉末外包法：实质上是一种外沉积工艺，先对芯棒进行预处理，再进行粉末沉积。优势在于可依据不同尺寸和折射率选择合适厚度的外包层，所制得的光纤同心度高，纵向均匀。
      • 等离子体外包法：分为等离子体喷涂法（用高频等离子体将纯度非常高的石英粉在芯棒上熔制成外包层）和等离子体外沉积法（原料为四氯化硅，通过等离子增强化学气相沉积法合成石英玻璃外包层）。
  • 光纤拉丝：
    • 拉丝机：光纤拉丝工艺在拉丝机内完成，拉丝机一般由预制棒传送系统、加热和冷却系统、拉丝装置、控制系统组成。拉丝机完成拉丝后继续进行涂敷固化工艺，并将得到的光纤进行成品卷绕。
    • 技术原理：光纤预制棒送入拉丝机后，下端受热，在自重作用下垂落形成细丝。细丝经冷却系统固化成型，再经过涂敷器和紫外固化装置形成带有涂覆层的光纤，最后送入收丝系统卷绕收丝。
    • 工艺关键点：加热源温度和预制棒的传送速度，因为拉制的光纤尺寸外形由加热温度和预制棒的传送速度控制。
  • 涂覆：
    • 目的：在裸纤上面增加涂层可以保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤、增加光纤的柔韧性和力学强度、隔离杂光。
    • 涂覆材料：主要有热固化硅树脂、聚氨基甲酸、紫外光固化丙稀酸树脂和环氧树脂等。
    • 涂覆方式：涂覆在裸纤上的结构一般有两层，从内到外依次是预涂层（软缓冲层）、硬缓冲层。预涂层采用一层非常薄的高折射率材料，可吸收多余的光，增加力学性能，防止磨损；硬缓冲层采用硅酮树脂或者紫外光固化丙烯酸酯，起到防止磨损和提供力学强度的作用。
  • 套塑：
    • 目的：在经过涂层处理后，光纤表面再套上一圈塑性材料，用以隔离杂光同时增强光纤力学性能。
    • 套塑方式：分松套和紧套。松套是将一种塑胶套在光纤外面，光纤能够在塑套里面自由移动；紧套是指将一种尼龙或聚乙稀胶类材料紧密地包裹在光纤外面，光纤不能自由移动。

非气相沉积工艺

• 直接熔融法：
  • 生产对象：多组分氧化物玻璃光纤。
  • 工艺原理：在两个被加热的同心的坩埚中，分别放置纤芯材料（内）和包层材料（外），熔融的液态氧化物玻璃从坩埚底部流出，通过调节加热温度等参数，使纤芯和包层的量相均衡，获得多组分氧化物玻璃光纤。
• 界面凝胶法：
  • 生产对象：塑料多模光纤。
  • 工艺原理：利用高分子聚合中分子体积不同而发生的选择扩散来制造梯度折射率分布的塑料多模光纤。一般采用加热的方式来实现扩散，也可借助一个高速旋转装置解决扩散慢的问题。
• 机械挤塑法：
  • 生产对象：塑料多模光纤。
  • 工艺原理：纤芯和包层材料分别由各自的挤塑机挤出，然后再一起通过一个十字交叉的挤塑头，形成一根具有阶跃折射率分布的塑料多模光纤。若再经过加热管的作用，可以将光纤中的折射率分布改变为梯度折射率分布。
• 管束拉丝和打孔拉丝法：
  • 生产对象：（石英玻璃）光子晶体光纤(Photon Crystal Fiber,PCF)。
  • 工艺方法：分为石英玻璃光子晶体光纤和聚合物光子晶体光纤。前者是通过将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃芯棒成束后，送入高温度炉加热拉制而成的PCF；后者是在已制成的聚合物光纤预制棒上打孔，然后将打孔后的聚合物光纤预制棒送入高温度炉加热拉制而成的PCF。

技术应用

光纤通信技术

• 技术原理：光具有强度、相位、波长等特性参量，利用光纤作为传输通道，可以传输这些光学信息，实现通信。
• 优点：
  • 带宽和传输信息的容量大。
  • 抗电磁干扰能力强。
  • 体积小，重量轻。
  • 传输损耗小，传输距离长。
  • 没有向外的光波辐射。
  • 安全保密。
  • 工程安装铺设方便。
• 应用领域：
  • 电信网间的传输线路：由于光纤的优异特性，使其在室内电话中继线和长途干线中可以发挥巨大优势，也是光纤的主要使用场合。
  • 多种网络层面的光通信：通过将光纤连接计算机和各种终端设备，可以实现高速、大容量的局域数字通信网。
  • 光纤入户：简称FTTH，指将光纤从电信端直接接入家庭用户，可以同时完成视频、数据、语音及多媒体等业务的传输，实现居民的网上购物、医疗、教育等需求。
  • 恶劣危险场合的使用：在石油天然气厂库、电站等多种需要防辐射、电离放电、易燃易爆等场合，光纤通信可以发挥巨大功能，不仅避免了电路短路、电火花的风险，而且传输容量大。

有源光纤技术

• 有源光纤：指受到光激励或者其他能量激励时，可以诱使光纤本身的能量放大（或增益）的一类光纤。有源光纤一般为掺入稀土元素的光纤，可用于光纤放大器和光纤激光器。
• 光纤放大器：利用有源光纤可以和半导体激光泵浦源等器件构成光纤放大器。其中有源光纤主要起到接受泵浦光源的信号光并将它放大的作用，并且可以减少电子线路，改善接收设备的灵敏度。将光纤放大器与波分复用技术、光孤子技术、CATV等技术结合可用于光纤通讯领域。
• 光纤激光器：相比于光纤放大器，光纤激光器多了一个对内部光子进行谐振放大的光纤谐振腔。它主要有两类——双包层光纤技术构成的激光器以及光纤成栅技术形成的激光器。所输出的激光具有良好的稳定性、功率输出、光谱纯度，以及较低的相对强度噪声，还可以进行波长的转换。

光纤传感技术

• 光纤用于传感探测主要有两类：一类是用光纤作为探测元件的一部分，以提高对所探测量的灵敏度；一类是用光纤仅仅作为传感器的信息传输通道，探测头则有其他元件构成。利用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：分为辐射式光纤温度传感器（基于普朗克黑体辐射理论）、半导体吸收式光纤温度传感器（基于半导体禁带宽度-温度-波长的关联性）、荧光式光纤温度传感器（基于荧光受光激励辐射光波强度受温度调制特性）、光纤液体温度传感器（基于作为液体包层受折射率受温度影响特性）、偏振型光纤温度传感器（基于石英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改变而变化的特性）。
• 光纤位移传感器：利用光纤可以实现对位移的非接触、高精度探测。通常有放射式强度调制型、透射式光强自动补偿型、以及集成光学微位移传感器。也可以基于光学三角漫反射技术对旋转体的位移进行探测。
• 光纤应变传感器：光纤检测应变的原理是基于光纤受应力发生形变时，光纤传输光的特性会发生改变。光纤应变传感器有微弯损耗型，干涉型和振荡器型。
• 光纤旋转传感器：又称为光纤陀螺，利用Sagnac效应（旋转装置中，沿着同一光路、方向相反传输的两束光的光程差与装置的旋转速度相关），不仅可以测量旋转速度，也可以用于导航系统。

• 光纤用于测量电磁信号：光纤磁场传感器——利用法拉第旋光效应或者磁致伸缩效应可以对磁场强度进行测量；光纤电流传感器——以法拉第旋光效应为基础；光纤电压传感器——利用电光效应，施加电场会改变光纤的各向异性属性。

光纤传像技术

• 光纤传输图像的途径：一是利用光纤通信技术进行图象传输，二是光纤束传像技术，纤维束传像是将每个纤维与一个最基础的像元相匹配，在纤维束的两侧，每个纤维都要进行相互关联布置。
• 具体应用：军事上可用于传送密码以及光纤潜望镜，医学上可用于检查器官的光纤内窥镜，工业上可以将传像束与计算机编程结合提取特征信息。