光纤
光纤是一种介质光波导，通常由玻璃或者塑料制成，利用光的全反射原理进行光传输。光纤的基本结构包括纤芯、包层、涂覆层和护套，纤芯和包层为光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用，涂覆层与护套则主要用于隔离杂光，保护光纤。光纤的传输特性包括传输模式、损耗、色散、偏振、传输带宽等。通常可以按照传输模式的不同，将光纤分为单模光纤和多模光纤。并且由于光纤组成材料的多样性以及剖面折射率分布的差异，光纤的种类和功能非常丰富。不同光纤的制备方式也不尽相同，主要有气相沉积技术和非气相沉积工艺两大类。光纤技术的发明最早可以追溯到19世纪，克拉顿发现光可沿弯曲水流传导。之后的发展过程中，华裔科学家高锟为超低损耗光纤提出了理论基础；1970年，低损光纤的问世，推动光纤向诸多领域的发展和使用，例如光通信、传感探测、激光、医疗成像等。
概念简述
光纤是“光导纤维”的简称，它是一种介质光波导。光纤波导是以玻璃或塑料等导光材料制成的纤维丝，其基本结构通常包括纤芯、包层、涂覆层和护套。
发展历史
早期阶段——光纤的发现和简单应用
光纤相关的发现最早可以追溯到十九世纪。1841年，丹尼尔•克拉顿（Daniel Colladon）最早发现光可以通过弯曲的水流传导。
直到1926年，英国的J.C. Baird首次提出，可以基于光的全反射制备石英光纤，并申请这一专利。
随后的1930年，德国的拉姆(H. Lamm)将石英光纤束用于消化内镜中光学图像的传输。
成熟阶段——工艺理论的建立和完善
涂层工艺的改进：1953年，荷兰科学家Abraham Van Heel将低折射率的塑料涂在玻璃芯上，得到了满足全反射条件的光纤。
拉丝工艺的诞生：1954年，美国的B.I. Hirschowitz采用高温拉丝和套管方法，实现了具有高折射率内芯和低折射率包层并且不会漏光的光纤。这一方法也为光纤的生产工艺奠定了基础。
超低损耗光纤的提出：1966 年，华裔科学家高锟提出——光纤的衰减主要和光纤中的杂质有关，通过减少杂质以及改进工艺，可以极大的减小光纤的衰减，预言了超低损耗光纤的可能。为光纤通信奠定了理论基础。
光纤通信元年：1970年，康宁公司的莫勒(Maurer)博士等人制备了第一个低损光纤(损耗小于)，不仅证实了高等人的设想，而且使得光纤通信成为了可能。
CVD方法的使用：1972年，美国康宁公司将将化学气相沉积方法用于光纤制作，光纤损耗进一步降至，光纤进入使用实用化阶段。
现代化发展阶段——光纤通讯的蓬勃发展
早期的光通信系统
时间：约1973-1981年期间
典型事件：1975年，美国贝尔实验室开通世界上第一个光纤数字通信线路
光纤特点：主要为多模光纤（MM-Fiber），早期为阶跃型多模光纤(SI-MM-Fiber)，后面为梯度多模光纤(GI-MM-Fiber)。
里程意义：光纤首次用于光通信系统，前期开发的是波长为850nm（又称为第一窗口），后面又开发了1300nm（第二窗口）
单模光纤的商业化
标准的制定
2002 年5月，国际电信联盟(ITU-T)发布了单模光纤通信系统按光波段划分的标准——划分为O、E、S、C、L、U带。单模光纤的O带为第2窗口(1260-1360nm)、C带为第3窗口(1530-1565nm)、L带为第4窗口(1565-1625nm)、E带为第5窗口(1360-1460nm)；而多模光纤。
多模光纤型式按ITU-T的标准只有G.651光纤，波长为850nm(称为第1 窗口)；按国际电工组织(IEC)的标准分为A1、A2、A3、A4四类多模光纤。
光纤在中国的发展
2022年6月，光纤用户占比由2012年的不到10%提升至2021年的94.3%，行政村通宽带实现全覆盖，贫困地区通信难问题得到历史性解决。
光纤结构
光纤的一般结构如图1所示，从内到外依次是纤芯、包层、涂覆层和护套。纤芯和包层为光纤结构的主体，纤芯由高折射率材料制成，是光波的传输介质；包层材料折射率比纤芯稍低一些，它与纤芯共同构成光波导，形成对传输光波的约束作用，对光波的传播起着决定性作用。涂敷层与护套则主要用于隔离杂光，提高光纤强度，保护光纤。在特殊应用场合不加涂敷层与护套，为裸体光纤，简称裸纤。
传输原理
当光在光纤中传播时，根据光的全反射原理，在纤芯-包层分界面处，如果光线的入射角超过全反射的临界角，纤芯内的光线将被全部反射回来，无法穿过界面，只能被束缚在纤芯内向前传播。
光纤的传输特性
传输模式
基模
光线在纤芯中传播时，不同的入射角会形成不同的光路，这些光路数量会受光纤数值孔径的限制，把这些可以有效传播的光路称作模式。其中，沿着光纤中心轴传播的光路称为基模(用表示），其他没有平行于光纤中心轴的模式称为高次模。
当纤芯足够细，光只能沿着光纤中心轴传播，这种光纤称为单模光纤；当纤芯很大时，光纤中的光有种模式，这类光纤称为多模光纤。
模间色散
多模光纤中，不同模式的传输速度和相位都有差异，经过一定距离的传输后会产生延时，导致光脉冲变宽，这种现象就是光纤的模式色散（或模间色散）。
衰减(损耗)
衰减(损耗)系数
光在光纤中传播时，会因为各种因素造成光损耗，一般可以用损耗系数描述，损耗系数由下面的式子定义。
（1）
其中
表示入射到光纤中，光的初始能量
表示通过长度为的光纤时，光所含的能量
衰减(损耗)机理
材料的固有损耗有三部分：材料分子结构的振动导致的红外吸收、因电子跃迁导致的紫外吸收、小尺度粒子引起的瑞利散射。
光纤中的杂质造成的损耗分为两部分：羟基离子吸收引起的损耗，铁、铬、铜等金属离子引起的光吸收。
光纤构造方面产生的损耗分为四类：
(1)界面损耗：纤芯与包层的交界处不平整带来的损耗；
(2)微弯损耗：光纤的侧面受压不均匀时，产生小幅度弯曲造成的损耗；
(3)弯曲损失：光纤弯曲程度太大导致光线无法全反射造成的损耗；
(4)连接损耗：连接部位，由于光纤寸尺不匹配导致光的漏出。
色散
色散类型
一般的色散都是指波长色散。
测定方法
色散的抑制
抑制光纤中色散是基于纤芯半径、纤芯-包层折反射率差值等参数对色散的影响规律，基本原理是利用光纤色散和纤芯的半径、纤芯—包层折射率差等参量的依存性。
这种带有色散抑制效果的光纤主要有色散位移光纤、非零色散位移光纤、色散平坦光纤、逆色散光纤。
偏振
线偏振场
单模光纤中，基模可以分解成两个正交的模式，当光纤满足理想的圆形以及各向同性的条件时，这两个模式的传输相位将始终保持相同，得到的合成光场的方向也不会随时间变化，称作线偏振场。
双折射现象
实际应用时，光纤总是存在一定程度的不足，例如结构的缺陷、形状的变形、光纤折射率和内部的应力不均一，会导致正交模式的简并被打破，形成相位差。原来的线偏振态也会因此发生改变，出现椭圆偏振。通常光纤内的光线的偏振状态，会沿着光纤轴发生从线偏振到椭圆偏振再到线偏振的周期变化的现象，即所谓的双折射现象。
传输带宽
脉冲信号以一定的时间间隔送入光纤时，邻近的的信号可能会因为靠的太近发生交叠，导致输出端无法辨识。传输带宽定义为脉冲信号在输出端仍然可以被辨识的最大输入速度。传输带宽在很大程度上取决于光的色散。
光纤的类型
按剖面折射率分布分类
阶跃型光纤
又称SI型光纤，纤芯的折射率处处相同，包层的折射率也处处相同，但纤芯折射率更高，整个光纤的折射率在二者的交界面发生阶跃式变化。
渐变型光纤
又称GI型光纤、抛物线型光纤，纤芯的折射率呈抛物线变化，中间最高，向外逐渐降低，纤芯最外围的折射率和包层的折射率相同。
其他类型
W型光纤：折射率分布像W型，这种光纤具有两个包层，通过调整内外包层和纤芯的折射率以及半径可以得到色散平坦光纤和色散位移光纤。
三角形纤芯：纤芯具有三角形分布的折射率，它是一个改良的色散移位纤维，适用于用于具有密集波分复用和孤子传输的长距离系统。
椭圆型纤芯：纤芯具有椭圆型分布的折射率，它具有双折射特性。
按传输模式分类
单模光纤
单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）中，只有基模可以传输，其余的高次模全部截止。光在单模光纤中的传播轨迹，是以平行于光纤中心轴线的形式。
特点：芯径极细，只能传输一种模态，可以完全避免模态色散，传输频带很宽，传输容量很大。折射率分布一般采用阶跃折射率分布(称为单模阶跃折射率光纤）。
适用领域：这种光纤适用于大容量，长距离的光纤通信。
多模光纤
多模光纤（Multi Mode Fiber，MMF）指在一定的工作波长下，光纤除了传输基模之外，还可以同时传输其他模式的光纤。
特点：具有模式色散，带宽较窄，传输容量较低；但是制造、连接、耦合比较容易。可采用阶跃折射率分布(称为多模阶跃折射率光纤），也可以采用渐变折射率分布(称为多模渐变折射率光纤）。
适用领域：仅适用于较小容量的光纤通信。
按组成材料分类
(1)石英光纤
材料成分：掺有少量或等杂质的二氧化硅(，俗称石英)，可以通过控制杂质含量来调整光纤的折射率分布。
特点：非常低的光学损耗，高强度，可靠性好，价格也较高，应用最广泛。
使用领域：广泛应用于通信系统。
(2)多组分玻璃光纤
材料成分：纤芯和包层均为硅酸盐系玻璃（主要成分为）；
特点：制作工艺的温度低，成本便宜，折射率调节的范围大，损耗大；
使用领域：医疗光纤内窥镜、短距离图像成像。
(3)氟化物光纤
材料成分：纤芯和包层均为氟化物玻璃，包括三氟化钴()、氟化钡()、三氟化镧(LaF3)、氟化铝(AlF3)、氟化钠(NaF)等，因此也简称ZBLAN光纤；
特点：在 波长范围内工作，光损耗低，可达石英光纤的百分之一以下，环境稳定性差；
使用领域：温敏器、热图像传输、海底光缆传输。
(4)硫系玻璃光纤
材料成分：元素周期表中Ⅵ主族的硫(S)，(Se)，锦(Te)元素为主要成分的玻璃；
特点：它的红外透过率、耐化学性、机械性能均高于石英光纤，并且制造费用低；
使用领域：激光医学，远程切割焊接，红外成像，各种传感器，以及军用。
(5)塑料光纤
材料成分：纤芯和包层是以有机玻璃（PMMA）、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酷（PC）等聚合物为主，所以又被称为聚合物光纤。
特点：具有大的芯径，柔韧性好，易于连接，质量轻，价格低，传输带宽大；
使用领域：宽带接入网系统、家庭智能网络系统、数据传输系统、汽车智能系统、工业控制系统以及纺织、照明、太阳能利用系统等方面。
(6)塑包光纤
材料成分：纤芯为高纯度的石英，包层为硅胶等塑料；
特点：纤芯租、数值孔径(NA)高、容易与发光二极管 LED光源结合，损耗也较小；
使用领域：局域网(LAN)和近距离通信。
(7)碳涂覆光纤
材料成分：在石英光纤的表面涂敷碳膜的光纤，又称碳涂层光纤(碳 Coated Fiber,CCF)；
特点：采用高密度的碳纤维薄膜将光纤与外部环境隔绝，从而阻断了外部离子的侵入，提高了纤维的力学性能，改善了因离子侵入造成的光损耗；
使用领域：海底光缆。
(8)掺氟光纤
材料组成：纤芯使用SiO2，包层中为掺入降低折射率的氟元素；
特点：瑞利散射很小,光纤损耗接近理论的最低。
(9)掺稀土光纤
材料组成：在纤芯掺入稀土元素（土族元素（、铒、）和系元素）；
特点：具有激光振荡和光放大的现象，又称为有源光纤；
使用领域：光纤放大器、光纤传感器、高功率激光传输、自由空间激光通信和超短脉冲放大等领域。
按特殊功能分类
具有色散抑制效果
色散位移光纤：色散位移光纤（DSF）就是通过改变光纤的模场直径，使得光纤的色散-波长曲线向长波方向移动的一类光纤。
常规石英光纤一般工作在最小衰减波长处(1.5微米)，但这一波长下，光纤存在较大的色散。合适的DSF光纤，可以使得零色散波长点移动到最小衰减波长处，产生最小的色散。
色散平坦光纤：简称DFF光纤，是指通过选择合适的光纤材料和结构，使得某一段波长范围内，光纤得色散系数近似为零。
逆色散光纤：简称DCF光纤，顾名思义，是一类具有负色散值的光纤，它可以加接在普通光纤之后，对其产生的色散进行补偿，使得总的色散近似为零。
具有偏振态选择效果
光探测器过程中，当对光偏振态具有选择性或者需要稳定的偏振态的时候，就要用到偏振保持光纤，常见的保偏光纤有下面两种。
低双折射光纤：记作LB 光纤，它设法将单模光纤的缺陷和内部残余应力降到最低，同时使光纤截面更加接近规正的圆形，使单模光纤双折射最小。
高双折射光纤：记作HB光纤，高双折射光纤是利用几何双折射、应力双折射等效应，设计具有高度非对称性的光纤，从而提高双折射。高折射率光纤中又分为双偏振光纤和单偏振光纤，双偏振光纤就是所谓的保偏光纤，单偏振光纤(SP)只选择两个分开的正交模式中的一个，又称绝对单模光纤。
光纤制备工艺
工艺方法及分类
光纤制备的核心在于预制棒的制备和拉丝，根据制备预制棒方式的不同可以将光纤制造工艺分为下面两类。
气相沉积技术
生产对象：石英光纤；
原料：液态卤化物，如；
工艺流程：如图所示，基本流程包括原料的制备与提纯、预制棒（芯棒和包层）的制备、拉丝、涂覆与套塑，另外各个还包括相应的筛选和检测。
(1)原料的制备与提纯
气相技术生产光纤所使用的原料一般由工业硅先在高温下进行氯化反应，然后进一步提纯获得。
提纯的目的是为了除去杂质，减少杂质在光纤中引起光损耗。所使用的方法为精馏-吸附精馏混合提纯法；其中精馏可以有效除去有害过渡金属以及他们的氧化物，吸附主要是除去原料中的羟基和其他氢物。
(2)预制棒的制备
在制作光纤的过程中，首先要用高纯度的原料制作出符合特定条件的玻璃条，也就是所谓的“光纤预制棒”。光纤预制棒里面是高折射率的芯棒，外面则是包层，通过将光纤预制棒进行拉丝工艺便可得到裸纤。
随着技术的发展，预制棒的制造从早期的一步法（芯棒和包层都由气相沉积工艺完成）转入了两步法（气相沉积芯棒技术+外包技术）。
气相沉积芯棒技术
工作原理：以高纯氧为载体，将汽化的原料带入反应器中，通过化学反应得到高纯度的石英芯棒；
特点：可以严格控制过渡金属离子和OH基。
类型：主要有改良化学气相沉积法（ModifiedChemical Vapour Deposition，MCVD）、气相轴向沉积法（VapourAxial Deposition Method，VAD）、外部气相沉积法（Outside Vapour Deposition Method,OVD）、等离子化学气相沉积法（PCVD）。
外包层的制备
(3)光纤拉丝
(4)涂覆
(5)套塑
非气相沉积工艺
直接熔融法
生产对象：多组分氧化物玻璃光纤；
工艺原理：在两个被加热的同心的埚中，分别放置纤芯材料（内）和包层材料（外），熔融的液态氧化物玻璃从坩埚底部流出，采用调节加热温度等参数，使得纤芯和包层的量相均衡，获得多组分氧化物玻璃光纤。
界面凝胶法
生产对象：塑料多模光纤；
工艺原理：利用高分子聚合中分子体积不同而发生的选择扩散来制造梯度折射率分布的塑料多模光纤。一般采用加热的方式来实现扩散，也可以借助一个高速旋转装置，解决扩散慢的问题。
机械挤塑法
生产对象：塑料多模光纤；
工艺原理：纤芯和包层材料分别由各自的挤塑机挤出，然后再一起通过一个十字交叉的挤塑头，形成一根具有阶跃折射率分布的塑料多模光纤。若再经过加热管的作用，可以将光纤中的折射率分布改变为梯度折射率分布。
管束拉丝和打孔拉丝法
生产对象：（高纯二氧化硅）光子晶体光纤(Photon Crystal Fiber,PCF)；
工艺方法：分为石英玻璃光子晶体光纤和聚合物光子晶体光纤。前者是通过将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃芯棒成束后，送入高温度炉加热拉制而成的PCF；后者是在已制成的聚合物光纤预制棒上打孔，然后将打孔后的聚合物光纤预制棒送入高温度炉加热拉制而成的PCF。
光纤技术应用
光纤通信技术
电信网间的传输线路
由于光纤的优异特性，使其在室内电话中继线和长途干线中可以发挥巨大优势，也是光纤的主要使用场合。
多种网络层面的光通信
通过将光纤连接计算机和各种终端设备，可以实现高速、大容量的局域数字通信网。
光纤入户
简称FTTH，指将光纤从电信端直接接入家庭用户，可以同时完成视频、数据、语音及多媒体等业务的传输，实现居民的网上购物、医疗、教育等需求。
恶劣危险场合的使用
在石油天然气厂库、电站等多种需要防辐射、电离放电、易燃易爆等场合，光纤通信可以发挥巨大功能，不仅避免了电路短路、电火花的风险，而且传输容量大。
有源光纤技术
光纤传感技术
光纤用于传感探测主要有两类：一类是用光纤作为探测元件的一部分，以提高对所探测量的灵敏度；一类是用光纤仅仅作为传感器的信息传输通道，探测头则有其他元件构成。利用光纤传感器可以检测温度、位移、应变、电压电流等物理量。
光纤传像技术
参考资料
电子信息产业调整和振兴规划.中华人民共和国中央人民政府.2023-04-04
我国建成全球最大的移动宽带和光纤网络.亚太光纤光缆产业协会(APC).2023-04-04