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光纖（二）

2026-02-26

原理種類

光及其特性：
1.光是一種電磁波
可見光部分波長范圍是：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。
因光在不同物質中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質射向另一種物質時，在兩種物質的交界面處會產生折射和反射。而且，折射光的角度會隨入射光的角度變化而變化。當入射光的角度達到或超過某一角度時，折射光會消失，入射光全部被反射回來，這就是光的全反射。不同的物質對相同波長光的折射角度是不同的（即不同的物質有不同的光折射率），相同的物質對不同波長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），最外是加強用的樹脂涂層。光線在纖芯傳送，當光纖射到纖芯和外層界面的角度大于產生全反射的臨界角時，光線透不過界面，會全部反射回來，繼續在纖芯內向前傳送，而包層主要起到保護的作用。
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，只是在某個角度范圍內的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數值孔徑。光纖的數值孔徑大些對于光纖的對接是有利的。不同廠家生產的光纖的數值孔徑不同（AT&T CORNING）。
3.光纖的種類：
光纖的種類很多，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損耗小；
②有一定帶寬且色散小；
③接線容易；
④易于成統；
⑤可靠性高；
⑥制造比較簡單；
⑦價廉等。光纖的分類主要是從工作波長、折射率分布、傳輸模式、原材料和制造方法上作一歸納的，茲將各種分類舉例如下。
（1）工作波長：紫外光纖、可觀光纖、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：單模光纖（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，已廣泛應用于有線電視和通信系統。
石英玻璃光導纖維的優點是損耗低,當光波長為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而引起的光散射現象。所以，希望形成折射率變動因素的摻雜物，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，還具有從紫外線光到近紅外線光的透光廣譜，除通信用途之外，還可用于導光和圖像傳導等領域。

紅外光纖

作為光通信領域所開發的石英系列光纖的工作波長，盡管用在較短的傳輸距離，也只能用于2μm。為此，能在更長的紅外波長領域工作，所開發的光纖稱為紅外光纖。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，特點是多組分玻璃比石英玻璃的軟化點低且纖芯與包層的折射率差很大。主要用在醫療業務的光纖內窺鏡。

氟化物光纖

氟化物光纖（Fluoride Fiber）是由氟化物玻璃作成的光纖。氟化物光纖的代表是ZBLAN光纖，其原料是將氟化鋯（ZrF2）、氟化鋇（BaF2）、氟化鑭（LaF3）、氟化鋁（AlF3）、氟化鈉（NaF）等氟化物按照一定比例進行組合的。主要在2～10μm波長實現光傳輸。由于ZBLAN光纖具有超低損耗光纖的可能性，正在進行著用于長距離通信光纖的可行性開發，例如：其理論上的最低損耗，在3μm波長時可達10^-2～10^-3 dB/km，而石英光纖在1.55μm時卻在0.15~0.16dB/Km之間。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，尚未廣泛實用。最近，為了利用ZBLAN進行長距離傳輸，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，具有纖芯粗、數值孔徑（NA）高的特點。因此，易與發光二極管LED光源結合，損耗也較小。所以，非常適用于局域網（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）、聚苯乙稀（PS）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發應用氟索系列塑料。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，接續簡單，而且易于彎曲施工容易。近年來，加上寬帶化的進度，作為漸變型（GI）折射率的多模塑料光纖的發展受到了社會的重視。最近，在汽車內部LAN中應用較快，未來在家庭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中，只能傳輸一個傳播模式的光纖，通常簡稱為單模光纖（SMF：Single ModeFiber）。在有線電視和光通信中，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，理論上，只能形成單模傳輸。另外，SMF沒有多模色散，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以其傳播可能的模式為多個模式的光纖稱作多模光纖（MMF：MUlti ModeFiber）。纖芯直徑為50μm，由于傳輸模式可達幾百個，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，似乎形成歷史產品。但實際上，由于MMF較SMF的芯徑大且與LED等光源結合容易，在眾多LAN中更有優勢。所以，在短距離通信領域中MMF仍在重新受到重視。MMF按折射率分布進行分類時，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過程中，產生各個光路徑的時差，致使射出光波失真，色激較大。其結果是傳輸帶寬變窄，SI型MMF應用較少。

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