光纤的结构与材料

光纤结构示意图

涂覆层
包层
纤芯

图1：光纤横截面结构示意图

光纤是工作在光波波段的圆柱状介质波导，由纤芯、包层和涂覆层组成。

纤芯

折射率高于包层，以满足全反射条件实现光的传输

材料：二氧化硅(SiO₂)为主，掺杂二氧化锗等提高折射率

包层

包围纤芯，提供全反射界面

材料：纯二氧化硅或掺杂三氧化二硼等降低折射率

涂覆层

保护光纤，防止机械损伤和环境影响

材料：硅树脂、聚氨酯、丙烯酸酯等

结构特点

  • 纤芯：直径通常为8-10μm(单模)或50-80μm(多模)，折射率最高
  • 包层：直径通常为125μm，折射率略低于纤芯，形成全反射条件
  • 涂覆层：直径通常为250μm，提供机械保护和环境隔离

材料组成

  • 纤芯和包层：多由二氧化硅（SiO₂）等材料制成，掺杂不同物质（如二氧化锗、五氧化二磷、三氧化二硼等）来调整折射率
  • 涂覆层：常用硅树脂、硅橡胶等材料，提供机械保护

光纤的分类

按材料分类

塑料光纤

  • 纤芯粗，数值孔径高
  • 可实现多种模式传输
  • 适用于局域网及近距离通信

石英光纤

  • 损耗低、频带宽
  • 工作在紫外光 - 近红外光波段
  • 适用于长距离通信

按横截面折射率分布分类

阶跃型光纤折射率分布
折射率 n(r)
半径 r
n₁
n₂
渐变型光纤折射率分布
折射率 n(r)
半径 r
n₁
n₂

图2：阶跃型光纤与渐变型光纤折射率分布对比

均匀光纤（阶跃型光纤）

  • 纤芯折射率均匀
  • 包层折射率也均匀
  • 两者有明显阶跃
  • 折射率分布：n(r) = n₁ (0 ≤ r ≤ a)
  • n(r) = n₂ (r > a)

非均匀光纤（渐变型光纤）

  • 纤芯折射率随半径变化
  • 折射率分布规律为：n(r)=n(0)[1−2Δ(r/a)^g]^(1/2)
  • 其中Δ为相对折射率差，a为纤芯半径，g为折射率分布指数
  • 通常g≈2时，光纤具有最小模式色散

按纤芯中传输的模式数量分类

特性 单模光纤 多模光纤
纤芯直径 8∼10μm 50∼80μm
模式色散 无 存在
适用场景 长距离、高速率通信 传输距离近、小容量的场景
带宽 高 较低
成本 较高 较低

光纤的传输特性

（一）损耗特性

损耗会使光信号能量/功率减小，限制传输距离（存在噪声）。

P(L) = P(0) × exp(-α'L)

其中α'为衰减系数，单位dB/km时α=4.343α'

损耗类型

  • 材料吸收损耗：材料中粒子吸收光能造成光信号降低
  • 散射损耗：改变光的方向，使光不能传输到接收端
  • 使用中的损耗：包括弯曲损耗和连接损耗
850nm
1310nm
1550nm
1400nm
波长 (nm)

图3：不同波长下的光纤损耗示意图（1400nm附近因OH⁻吸收出现损耗峰）

（二）色散特性

色散是信号中不同成分具有不同的群速度而使信号发生畸变的过程。

输入脉冲

→

输出脉冲（展宽）

图4：色散导致脉冲展宽示意图

色散类型

  • 模式色散：不同模式的传播速度差异导致
  • 材料色散：光纤材料本身折射率和波长呈非线性关系导致
  • 波导色散：波导结构导致的色散
D = Δτ / (c × Δλ × L)

其中D为色散系数，Δτ为时延差，Δλ为波长间隔，L为光纤长度

（三）非线性效应

产生原因是光纤传输的光功率增高，使折射率与光功率相关。

非线性效应类型

  • 散射效应：如受激拉曼散射、受激布里渊散射
  • 折射率相关效应：如自相位调制、交叉相位调制、四波混频（FWM）

非线性效应的影响

非线性效应会产生新的频率成分，导致信号脉冲展宽；改变信号相位，导致信号交叉干扰。

光纤的传输原理

基于光的全反射，当入射角大于临界角时，光在纤芯和包层界面发生全反射，从而实现光的传输。

图5：光纤中光的全反射传输原理

分析方法

射线法（几何光学）

  • 近似为光线
  • 简单直观
  • 无法分析单模光纤

波动法（波动光学）

  • 基于电磁场理论
  • 复杂但精确
  • 适用于所有场景

关键概念与公式

折射定律：n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂
数值孔径：NA = √(n₁² - n₂²) ≈ n₁√(2Δ)
时延差：Δτ = τ_max - τ_0 ≈ τ_0(n₁/n₂ - 1)

数值孔径的意义

数值孔径(NA)是光纤接收光能力大小的量度。实际工作中数值孔径不能过大，否则会有更多模式，导致色散，影响通信容量。

光纤的制造工艺

最常用方法是预制棒法，制造过程为：原料制备 → 制棒 → 清洗 → 拉丝（高温） → 性能测试 → 包装入库。

原料制备

→

制棒

→

清洗

→

拉丝

图6：光纤制造主要工艺流程

原材料与反应

制作石英光纤材料的反应，原材料如SiCl₄、GeCl₄、CF₂Cl₂等在高温（1400∼1600°C）下与O₂反应生成SiO₂、GeO₂、SiF₄等。

制棒方法（气相沉积法）

管外法

  • 包括OVD、VAD法
  • 效率高
  • 难以控制，不适用于制作折射率复杂的渐变光纤

管内法

  • 包括MCVD、PCVD法
  • MCVD无污染，但效率不高
  • PCVD加热效率提高

预制棒熔缩

加热火焰缩为实心预制棒，火焰缩在床上进行。这是光纤制造过程中的关键步骤，直接影响光纤的质量和性能。