[科普中国]-光纤材料

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是光的全反射。前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。分为单模光纤、多模光纤、特种光纤等，具有带宽宽、无串音、抗核辐射等优点。

应用背景由于现代网络技术的普遍应用与发展，大众对数据信息的个性化需求日益增长。随着人们交流沟通的日渐频繁和生活节奏的不断加快，人们越来越期望及时、方便、快捷地获取海量信息，这就让信息的传输变得更为重要，对承载信息传输功能的通讯网络的传输能力提出了更高的要求。光纤作为一种优良的通信传输的传输介质，具有信息传输速度快、数据信息的存储容量大等特点，越来越受到人们的青睐，并逐渐成为信息传输的主要手段现在，它不仅是网络通信的媒介，同时也是我国工业生产领域中数据传输的重要载体。光纤、光缆己经渗透到了生活的方方面面，对国民生产生活产生越来越重要的影响。1

发展历史光纤通信从理论提出到技术实现，再到之后的高速发展，只经过了短短几十年的时间。美国学者高锟在上世纪六十年代中期发表了一篇论文2，文章中提出了光纤作为通信介质的理念，并提出当在石英玻璃纤维外覆盖其它材料时，通过光的全反射原理可充分保证光可以在石英玻璃纤维的表面进行全反射传播。这篇学术论文在当时掀起了关于光的反射研宄的热潮，同时也开启了光纤作为数据信息传输载体的先河，揭开了光纤通信大幕的一角，从此光纤通信激起了人们极大的研究兴趣。1

但是光纤通信早期发展较慢，主要是因为当时研制的光纤损耗较高（高达400dB/km）。但随着研宄的不断深入，研宄方法的不断改进，光纤损耗逐渐降低（日本紧接着研制出损耗为100dB/km的通信光纤）。之后，英国标准电信研宄所提出，光纤损耗理论上能够降低至20dB/km。在上个世纪七十年代，美国内的一家公司运用粉末法研制出了一种低于标准损耗的石英光纤，将光纤通信的实现成为可能，开启了光纤通信的新时代。之后又出现了掺锗元素的石英光纤，这种类型光纤的损耗已经降低到了0.2dB/km，该数据是我国石英光纤历史上损耗的最小值。光纤技术的研发和该技术的普遍应用是全球范围内数据信息通信历史上的重要突破。光纤通信技术从概念的设计到现阶段社会生产与生活领域的普遍应用经历了较长的发展时间，特别是在过去的20年里，光纤通信的新技术不断被发掘，通信能力极大增强（光纤通信系统的传输容量增加了近万倍，传输速度提高了约100倍），这使得光纤通信技术在更大的范围内得到了迅速的发展。光纤己经不仅仅是信息传输的重要载体，同时在传感技术领域、临床医学领域、金属检测以及地质勘探等领域也发挥中巨大的作用。根据光纤通信技术的发展历史可以将其具体划分为几个不同的时期，主要包括从850nm多模光波时期到1310nm时期，从1310nm单模光线时期到1550nm时期，最后发展成长距离传输的光纤通信技术。1

材料分类光纤从应用功能的角度进行分析可以划分为通信光纤和特种光纤两类。从光纤传输信息的角度进行分析与研宄，光纤可以具体划分为两种类别，即多模光纤与单模光纤。在光纤发展的初期，光纤主要包括三种不同规格的传输窗口——850、1310、1550nm，经过一段时间的应用与发展，人们不断进行修改与升级，全波窗口的应用比较普遍。现阶段，人们对光纤系统进行系统化的改良与升级之后，出现了单模光纤、多模光纤、全波光纤、特种光纤等，不同种类的光波本身具备不同的属性。1

单模光纤单模光纤是目前通信光纤中应用最广泛，技术最为成熟的一类。随着光纤通信技术的飞快发展和新技术的不断出现，特别是波分复用、密集波分复用技术的应用，通过改变折射率或折射率分布，光纤又出现了许多种新的类型。如G652型细化成了G65型和B型两种。1

多模光纤多模光纤的诞生相对来讲比较早，同时也是最早投入到商业运营的光纤产品，根据对光纤的折射率分布的不同，可以将其划分为两种类型的光纤，即渐变光纤和阶跃光纤。这种类型的光纤主要分布在波长标准为85m或131m的信息传输系统中，在某种情况下也会分布在波长为632.8nm窗口中。多模光纤的优势主要包括两方面内容：

（1）多模光纤材料的数值孔径是常规光纤材料的两倍到三倍，这种类型的光纤耦合概率较高；

（2）在数据信息的传输过程中光纤的通光面积较大，同时接受大功率的数据信息传输与整合，在这种过程中并不会出现一定的非线性现象。

多模光纤的弊端主要包括两方面内容：

（1）光纤系统在数据信息的传输过程中的损耗较大，有效传输距离比较短；

（2）在数据信息的传播过程中经常会出现色散现象，所以对于频宽具有一定的局限性。现阶段，由于现代化网络技术的普遍应用与发展，光纤通信技术的应用领域在不断的扩大，多模纤维的功能也在不断的升级，目前高新技术的出现也大幅度增加了光纤市场的占有份额。总体来讲，多模光纤的应用领域会随着社会生产水平与生产力的发展而不断扩大。1

特种光纤特种光纤种类很多，典型的特种光纤有以下几类。

（1）偏振保持光纤（简称保偏光纤）偏振保持光纤根据外形的不同具体分为熊猫型光纤、椭圆型光纤、领结型光纤等。现阶段，在我国工业领域中应用比较普遍的就是熊猫型的偏振光纤。上述不同种类光纤的主要优势就是在数据的传输过程中可以保证传输的稳定性与可靠性。

（2）有源光纤内部掺稀土元素，如饵、镱等。

（3）光子晶体光纤光子晶体光纤是一种新型光纤产品，这种类别的光纤产品本身具有比较明显的优势。光子晶体可以随机改变内部的结构，组成结构的不同，光纤产品的基本属性也存在差异。目前，这种光纤在我国社会生产与生活领域中应用比较广泛的光纤产品。光纤在数据信息的通信过程中的稳定性、可靠性以及在其他领域中应用的范围不断的扩展，光纤本身同时具备频带较宽、抗腐蚀性强、重量小、抗辐射和抗干扰性较强等优势，让西方国家产生了浓厚兴趣要将光纤应用于军事领域。这种运用的发展极为迅速，并得到各国军方的大力资助，以至于近些年来特种光纤的研制发展领先于常规通信光纤的发展。1

优点光纤通信是一种以高频光波为载波，以光纤为传输介质，将信息进行点点发送的现代通信形式，优点很多。与传统的通讯传输方式相比，光纤传输的优点体现在以下方面：

带宽较宽数据信息的存储容量大光纤数据信息的频带宽度较大，相比于常规的铜线以及其他类型的电缆，频带宽度较大，光纤在数据信息传输过程中具有较高的光源调节性能、多样化的调节方法以及光纤本身具有将强的色散性能等。从单一波长的光纤通信的角度出发，尽管终端设备中存在的电子瓶颈会对光纤的应用功能造成一定的消极影响，可是在数据信息的传输过程中可以运用其他网络技术适当的增加数据信息的存储容量。光纤通信系统光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性也由于铜线或电缆。1

损耗低中继距离长现阶段，石英光纤的损耗标准为20dB/km，该项数据指标是光纤应用历史上数据信息传输损耗的最低标准；从光纤的制作材料上看，在未来某个阶段，光纤会用其他的材料进行制作，同时该系统的标准还会大幅度降低；其实光纤通信系统的主要优势就是在长途的数据信息传输中，中继站的数量相对较少，从而大幅度降低了光纤通信系统的复杂性，提高了光纤系统在数据信息传输过程中的稳定性与可靠性，基于这种现状，在光纤系统构建过程中所投入的生产成本也在逐渐减少。1

抗电磁干扰目前，光纤系统的原材料主要是石英纤维，非金属材质，本身具有较强的抗电磁干扰性，对于自然状态下的雷电、电离层的变化以及太阳黑子和耀斑活动都不会干扰光纤通信系统。1

无串音光纤通信系统在运行过程中不会出现串音现象。在电磁波的传输过程中，常规材料制作而成的通信设备在数据信息的传输过程中会受到电磁波的干扰，从而在数据信息的传输过程中并稳定，同时还伴随一些串音现象的出现。但是光线通信设备则不会出现这种现象，即使系统内部出现了光波泄露的情况，也会被处于外部的表层吸收。即使在受到弯曲或者处于比较恶劣的自然环境中，也会保证数据信息传输的稳定性。1

抗核辐射光纤的基底材料是二氧化硅，属于无机物，抗核辐射能力非常好，可以在极其恶劣的核环境下（如核电站、核试验基地）工作。1

重量轻易携带光纤的密度与铜线和其他的材料的密度相比较低，从而大幅度降了材料本身的重量。同轴电缆的直径是为10mm，带涂敷层的光纤外径仅有250微米，所以光纤的宽度与其材料相比较细。1

性能指标随着光纤通信的不断发展，光纤进入了我们生产生活的方方面面。森林、湖泊、高山、海底都出现了光纤和光缆的身影。在沙漠和热带地区工作的光纤要求能承受高温的考验；在雨林、湿地工作的光纤要求能抵御潮湿空气的侵袭；在微风拂面的海边，需要光纤能抵挡盐雾的袭扰；在被二氧化硫、硫化氢污染的空气中，要求光纤能经受硫化的侵蚀。所以光纤应该要在各种环境下均能保证正常通信，不发生断裂，所以研究各种环境下光纤的机械强度变得十分重要。这些形形色色的不同环境，可以用常温、高温高湿、盐雾、硫化等典型环境来模拟。因此，研宄光纤在常温和经过高温高湿、盐雾、硫化处理后的机械性能，对保证光纤使用的可靠性和传输的稳定性具有十分重要的意义。光纤在敷设及安装及使用过程中总难免会出现弯曲。光纤在敷设过程中难免会发生弯曲。光纤弯曲的出现，使得传导模变为辐射模，产生光损耗，影响信息传输的质量和效率。因此，研究光纤的弯曲损耗变得非常重要。

弯曲损耗，就损耗机理而言分为两种一一宏弯损耗和微弯损耗。宏弯损耗指的是由于光纤宏观弯曲，光在光纤中传输不满足全反射定律，导致一部分光从光纤中逸出，传导模变为辐射模，产生光损耗。微弯损耗指的是纤芯和包层的借口在几何上的不完善造成微观凸起或凹陷，使光在光纤中传输不满足全反射定律，一部分光逸出，产生光损耗。我们研宄光纤的宏弯损耗的场合较多。有些场所（如接线盒处、光缆连接处）要求光纤的弯曲半径尽可能小，因此研宄光纤的弯曲半径最小到多少损耗可以忽略不计，即确定光纤临界弯曲半径也势在必行。1

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学