[科普中国]-渐变光纤

渐变光纤也称梯度光纤、渐变折射率光纤，是横截面上纤芯区折射率渐变或梯度分布（如抛物线形）的光纤。采用渐变折射率光纤的目的是减少多模光纤的模式色散。这种光纤的色散小，带宽比突变型光纤大1~2个数量级，适合于中距离的光纤通信系统使用。

简介渐变折射率光纤又称自聚焦光纤，光纤折射率中心最高，沿径向递减，光束在光纤中传播，可以自动聚焦而不发生色散。适用于多模通信的传输。自聚焦光纤的折射率分布一般采用具有抛物线型的折射率梯度分布，在自聚焦光纤棒中,光线的轨迹是正弦型的。多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是连续变化的，它随纤芯半径r的增加按一定的规律减小。采用渐变折射率光纤的目的是减少多模光纤的模式色散。1

适用范围渐变型折射率光纤 折射率沿芯径从中心向外逐渐变小，包层为一常数的光纤。渐变型又称梯度型。光在光纤里是沿着连续弯曲途径前进的。渐变型光纤中有代表性的是折射率沿径向按抛物线变化的光纤，这种光纤的色散小，带宽比突变型光纤大1~2个数量级，适合于中距离的光纤通信系统使用。

光线传输形式相比于普通的单模光纤，渐变折射率光纤（GradedIndexFiber,GIF）的折射率分布有很大不同，其折射率的分布是从其纤芯中心处最大n1向外边缘逐渐减小直至包层恒定不变为n2的折射率，通常情况下单模光纤的直径为10μm左右，渐变折射率多模光纤的纤芯直径为62.5μm左右，是普通单模光纤纤芯直径的6倍，并且渐变折射率光纤还有个明显的特点是其具有更大的数值孔径（NA）。

由于渐变多模光纤的折射率的呈抛物线的分布，光线在渐变折射率光纤中的传播路径呈正弦波的形式，并且具有一定的周期性。这种光线的正弦波的传播周期大小由光纤纤芯半径和相对折射率来决定。这种传播形式非常重要的一点是无论传播光线的入射角是多少，光线或光线的延长线都将完全会聚到同一个点，形成自聚焦效应。由于光线在纤芯内部按照正弦波的形式周期传播，如果想要光线在光纤端头的汇聚，则需要控制渐变折射率光纤的长度约为正弦波周期的整数倍，这加大了光纤锥的制作难度。不同长度的渐变折射率光纤中，光线在外部位置汇聚点不同，因此可以通过调节渐变多模光纤的长度来调节捕获的工作距离。2

特点由于渐变多模光纤光线的传播路径和其一些自身的优点，本文实验将采用渐变折射率多模光纤来制作单光纤光镊锥，以下是渐变多模光纤的一些优点：(1)渐变多模光纤的数值孔径较大，能使光纤更好的汇聚，并且信号的畸变较小；(2)由于其折射率的渐变分布，光线在纤芯内部呈正弦波的形式传播，并且对于不同入射角的光线，都可以使其汇聚到一点上，这有利于细胞的捕获；(3)光线在光纤内部传播并且在外部汇聚，使得捕获细胞的距离变大，并且可以根据改变渐变折射率光纤的长度来改变控制光线在外部汇聚点的位置，从而调节捕获的工作距离，下节空气腔的设计正是基于这个原理。同时可以通过特殊的方法，将渐变折射率光纤制作成光纤锥，使得汇聚效果更加的好，利于细胞的捕获。

但是渐变折射率光纤在在传输模式上有一些缺点，其为多模传输模式，传输性能差，传输带宽窄，因此本文设计的长程光镊系统中，渐变多模光纤只适用于制作光纤的锥头，另一端要和单模光纤连接来保证光源激光的传输。2

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学