[科普中国]-石英光纤

石英光纤是一种以高折射率的纯石英玻璃材料为芯，以低折射率的有机或无机材料为包皮的光学纤维。

简介由于石英光纤传输波长范围宽（从近紫外到近红外，波长从0.38-2.1um ），所以石英光纤适用于紫外到红外各波长信号及能量的传输，石英光纤数值孔径大、光纤芯径大、机械强度高、弯曲性能好和很容易与光源耦合等优点，故在传感、光谱分析、过程控制及激光传输（特别是传输He-Ne、Ar+离子和YAG激光的理想介质）、激光医疗、测量技术、刑侦，信息传输和照明等领域的应用极为广泛。已广泛应用于电子、医疗、生物工程、材料加工、传感技术、国防军事等各个领域。由于石英光纤的商品化、低成本、优异的光传输性能和生物相容性，以及高强度、高可靠性和高激光损伤阈值等诸多优点，使得石英光纤在能量传输，尤其是在工业和医学等领域的激光传输中得到了广泛的应用，这是其他种类的光纤无法比拟的。随着成本的降低和技术的成熟，石英光纤在照明领域的应用也越来越广泛，需求量逐年倍增1。

用途石英光纤是光导纤维的简称，是用纯度特别高的石英玻璃（以SiO2为主要成分）制作的纤维状波导结构。石英光纤的基本功能是对光束的束缚及传播，即把一定波长的光能束缚在几到几十微米的径向范围内而沿石英光纤长度方向作低损耗传播。石英光纤作为传输介质的基本特性用传输容量表示，它等于传输速率与传输距离的乘积。决定传输距离与传输性能指标则是石英光纤的损耗和色散（或带宽）。在已使用的多种传输介质中，石英光纤具有的带宽潜力是其它介质无法比拟的。电话双绞线传输带宽一般约100KHz量级，同轴电缆一般工作在几百到几千MHz，微波通信传输带宽也只有几十GHz，但一根光纤在1.31µm和1.55µm窗口传输带宽可以达到20THz。光纤的传输损耗也很低，1.55µm波长石英光纤批量生产的损耗可在0.22dB/km以下，1.31µm波长的损耗在0.34dB/km以下。相比之下，中同轴电缆工作在60MHz时，损耗已有19dB/km。

特点1、石英光纤主要材料是SiO2，其比重是2.2。铜的比重是8.9，而石英光纤外径只125µm，同轴电缆约100mm，同轴电缆又是双层导体结构，因此单位长度的重量可以是光纤的几千倍。这当然会增加运输和施工费用；

2、石英光纤的传输过程没有电磁泄漏，这不仅有利于保密，而且避免了线路的串扰；

3、石英光纤的传输不受外界电磁辐射的影响，可以在马达附近、核实验现场等恶劣环境合作，而且强度高，耐大气侵蚀好；

4、经特殊设计的光纤，其传输光束的振幅、相位、偏振状态、波长等物理量可受外界环境调制而变化。用石英光纤组成干涉仪，通过相位检测，可得到极高的检测灵敏度，因而石英光纤已成为传感介质广泛用于工业自动控制、军用侦察等领域；

5、石英光纤中掺入某些元素后会成增益介质，可做成具有不同性能的光纤激光器。光纤激光器是激光领域的一个重要发展方向，它在激光器的小型化、实用化方面起着非常重要作用，是激光技术进入信息领域的切入点2。

光纤的分类光纤是光导纤维（OF：Optical Fiber）的简称。但光通信系统中常常将Optical Fibe（光纤）又简化为Fiber，例如：光纤放大器（FiberAmplifier）或光纤干（Fiber Backbone）等等。有人忽略了Fiber虽有纤维的含义，但在光系统中却是指光纤而言的。因此，有些光产品的说明中，把fiber直译成“纤维”，显然是不可取的。光纤实际是指由透明材料作成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料作成的包层所被覆，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。但对于有线电视和通信用的光纤，其设计和制造的原则基本相同，诸如：①损耗小；②有一定带宽且色散小；③接线容易；④易于成统；⑤可靠性高；⑥制造比较简单；⑦价廉等。光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上作一归纳的，兹将各种分类举例如下。

（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85pm、1.3pm、1.55pm）。 （2）折射率分布：阶跃（SI）型、近阶跃型、渐变（GI）型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。

（3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。

（4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。

（5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法（Rod intube）和双坩锅法等3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学