光导纤维

<image>

光导纤维（Optical fiber）又称光学纤维，简称光纤，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，光能够在纤维中以全内反射方式达成光传导。数码化的电子讯息由发光二极管或激光二极管转变为高频率的光脉冲并投射入光纤的发送端，光线通过光纤后，由接收端的光敏元件接收光讯号，再由电子线路还原为电子讯息。由于光讯号通过光纤传送时对电磁波具有极强的抗干扰能力，不像电讯号通过铜线传送时容易因为电磁波干扰而混入噪声，而且光纤可传送的频率范围比铜线大，所以适合用于远距离及资讯量大的通讯，当光纤在1970年代走向实用化后，已成为当今通讯网络的重要媒介。

## 研发

使用纤维引导光线的技术早已有多位物理学学者提出，然而要投入实用化，便需要克服光衰减的障碍。高锟于英国工作期间与工程师乔治·霍克汉姆（George Hockham），在1966年发表研究论文《光频率介质纤维表面波导》（Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies），提出石英基玻璃纤维用于长距离及高讯息量通讯的基本原理，阐述光导纤维的构造，以降低光讯号在传送时的衰减，还提出当每公里的讯号衰减小于20分贝时，便能成功通过光导纤维实现长距离的光通讯。根据高锟的研究论文，美国玻璃制造商康宁公司在1970年成功制作出世界上第一根低衰减的光导纤维，可用于长距离通讯，光通讯得以迈向实用化。因为其理论对光通讯的普及应用与现代通讯的发展有着深远的影响，高锟在2009年获颁发诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖评审委员会称高锟的研究有助建立今日网络世界的基础，为今日的日常生活创立许多革新，也为科学的发展提供新工具。

## 原理

<image>

光纤是圆柱形的介质波导，应用全内反射原理来传导光线。光纤的结构大致分为里面的纤芯部分与外面的包覆部分。为了要局限光信号于纤芯，包层的折射率必须小于纤芯的折射率。渐变光纤的折射率是缓慢改变的，从轴心到包覆，逐渐地减小；而突变光纤在核心-包覆边界区域的折射率是急剧改变的。

光导纤维是双重构造，纤芯部分是高折射率玻璃，表层部分是低折射率的玻璃或塑料，光在纤芯内传输，并在表层交界处不断进行全反射，沿“之”字形向前传输。这种纤维比头发稍粗，这样细的纤维要有折射率截然不同的双重结构分布，是一个非常惊人的技术。各国科学家经过多年努力，创造了内附着法、MCVD法、VAD法等等，制成了超高纯石英玻璃，特制成的光导纤维传输光的效率明显提升。现在较好的光导纤维，其光传输损失每公里只有零点二分贝；也就是说传播一公里后只损耗4.5％。

### 折射率

折射率可以用来计算在物质里的光线速度。在真空里，及外太空，光线的传播速度最快，大约为3亿米／秒。一种物质的折射率是真空光速除以光线在这物质里传播的速度。所以，根据定义，真空折射率是1。折射率越大，光线传播的速度越慢。通常光纤的核心的折射率是1.48，包覆的折射率是1.46。所以，光纤传导讯号的速度粗算大约为200000公里／秒。电话讯号，经过光纤传导，从纽约到悉尼，大约12000公里距离，会有最低0.06秒时间的延迟。

### 全内反射

<image>

当移动于密度较高的介质的光线，以大角度入射于核心-包覆边界时，假若这入射角（光线与边界面的法线之间的夹角）的角度大于临界角的角度，则这光线会被完全地反射回去。光纤就是应用这种效应来局限传导光线于核心。在光纤内部传播的光线会被边界反射过来，反射过去。由于光线入射于边界的角度必须大于临界角的角度，只有在某一角度范围内射入光纤的光线，才能够通过整个光纤，不会泄漏损失。这角度范围称为光纤的受光锥角，是光纤的核心折射率与包覆折射率的差值的函数。

更简单地说，光线射入光纤的角度必须小于受光角的角度，才能够传导于光纤核心。受光角的正弦是光纤的数值孔径。数值孔径越大的光纤，越不需要精密的熔接和操作技术。单模光纤的数值孔径比较小，需要比较精密的熔接和操作技术。

## 种类

光纤主要分为两类，渐变光纤与突变光纤。前者的折射率是渐变的，而后者的折射率是突变的。另外还分为单模光纤及多模光纤。近年来，又有新的光子晶体光纤问世。

### 多模光纤

<image>

核心直径较大的光纤（大于10 微米）的物理性质，可以用几何光学的理论来分析，这种光纤称为多模光纤，用于通信用途时，线材会以橘色外皮做为辨识。

在一个多模突变光纤内，光线靠着全反射传导于核心。当光线遇到核心-包覆边界时，假若入射角大于临界角，则光线会被完全反射。临界角的角度是由核心折射率与包覆折射率共同决定。假若入射角小于临界角，则光线会折射入包覆，无法继续传导于核心。临界角又决定了光纤的受光角，通常以数值孔径来表示其大小。较高的数值孔径会允许光线，以较近轴心和较宽松的角度，传导于核心，造成光线和光纤更有效率的耦合。但是，由于不同角度的光线会有不同的光程，通过光纤所需的时间也会不同，所以，较高的数值孔径也会增加色散。有些时候，较低的数值孔径会是更适当的选择。

渐变光纤的核心的折射率，从轴心到包覆，逐渐地减低。这会使朝着包覆传导的光线，平滑缓慢地改变方向，而不是急剧地从核心-包覆边界反射过去。这样，大角度光线会花更多的时间，传导于低折射率区域，而不是高折射率区域。因此，所形成的曲线路径，会减低多重路径色散。工程师可以精心设计渐变光纤的折射率分布，使得各种光线在光纤内的轴传导速度差值，能够极小化。这理想折射率分布应该会非常接近于抛物线分布。

### 单模光纤

<image>

核心直径小于传播光波波长约十倍的光纤，不能用几何光学理论来分析其物理性质。替而代之，必须改用麦克斯韦方程组来分析，导出相关的电磁波方程式。视为光学波导，光纤可以传播多于一个横模的光波。只允许一种横模传导的光纤称为单模光纤。用于通信用途时，线材会以黄色外皮做为辨识。大直径核心、多横模的光纤的物理性质，也可以用电磁波波动方程式分析。结果会显示出，这种光纤允许多于一个横模的光波。这样的解析多模光纤，所得到的结果，与几何光学的解析结果大致相同。

波导分析显示，在光纤内的光波的能量，并不是全部局限于核心里。令人惊讶地，特别是在单模光纤里，有很大一部分的能量是以渐逝波的形式传导于包覆。

最常见的一种单模光纤，核心直径大约为7.5–9.5 微米，专门用于传导近红外线。多模光纤的核心直径可以小至50微米，或者大至几百微米。

### 特种光纤

有些特种光纤的核心或包覆会特别地制作成非圆柱形，通常像椭圆形或长方形。这包括保偏光纤。

光子晶体光纤是一种新型的光纤，其折射率以规律性的模式变化（通常沿着光纤的轴向会有圆柱空洞）。光子晶体光纤应用绕射效应（单独的或加上全反射效应）来局限光波于光纤核心。

## 衰减机制

在介质内，光纤的衰减，又称为传输损失，指的是随着传输距离的增加，光束（或讯号）强度会减低。由于现代光传输介质的高质量透明度，光纤的衰减系数的单位通常是dB/km（每公里长度介质的分贝）。因为石英玻璃纤维能够满足严格的规定，局限光束于内部，传输介质材料大多是由石英玻璃纤维制成的。

阻碍数字信号远距离传输的一个重要因素就是衰减。因此，减少衰减是光纤光学研究的必然目标。经过多次实验得到的结果，显示出散射和吸收是造成光纤衰减的主要原因之一。

### 光散射

<image>

<image>

因为光线的全反射，光线可以传输于光纤核心。粗糙、不规则的表面，甚至在分子层次，也会使光线往随机方向反射，称这现象为漫反射或散射，其特征通常是多种不同的反射角。

大多数物体因为表面的光散射，可以被人类视觉侦测到。光散射跟入射光波的波长有关。可见光的波长大约是1微米。人类视觉无法侦测到小于这尺寸的物体。所以，位于可见物体表面的散射中心也有类似的空间尺寸。

光波入射于内部的边界面时，会因为非相干散射而造成衰减。对于晶体材料或多晶材料，像金属或陶瓷，除了细孔以外，大部分内部界面的形式乃晶界，分隔了晶粒尺寸的微小区域。材料学专家发现，假若能将散射中心（或晶界）的尺寸减小到低于入射光波的波长，则光散射的影响会减小很多，可以被忽略。这发现引起更多有关透明陶瓷材料的研究。

类似地，在光学光纤内，光散射是由分子层次的不规则玻璃结构所造成的。很多材料学专家认为玻璃无疑是多晶材料的极限案例。而其展现出短距离现像的畴域 (domain），则是金属、合金、玻璃、陶瓷等等的基础建筑材料。散布在这些畴域之间，有很多微结构缺陷，是造成光散射的最理想地点。

当功率变高时，光纤的非线性光学行为也可能会造成光散射。

### 紫外线和红外线吸收

除了光散射以外，光纤材料会选择性地吸收某些特定波长的光波，这也会造成衰减或讯号损失。吸收光波的机制类似颜色显现的机制。

- 在电子层次，光纤材料的每种组成原子，其不同的电子轨域的能级差值，决定了光纤材料能否吸收某特定频率或频率带的光子。这些特定频率或频率带的光子，大多属于紫外线或可见光的频区。这就是很多可见物质显示出颜色的机制。
- 在原子或分子层次，振动频率、堆积结构、化学键强度等等，这些重要因素共同决定了材料传输红外线，远红外线，无线电波，微波等等长波的能力。

<image>

在设计任何透明光学元件前，必须先知道材料的性质和限制，然后才能选择适当的材料。任何材料在低频率区域的晶格吸收特性，也赋予了这项材料对于这低频率光波的透明限制。这是组成的原子或分子的热感应振动，和入射光波之间，相互耦合的结果。因此，在红外线频区（＞ 1微米），每一种材料都要避开这些由于原子或分子振动机制而产生的吸收区域。

因为某特定频率的红外线光波，恰恰好匹配了，某种材料的原子或分子的自然振动频率，这种材料会选择性地吸收这特定频率的光波。由于不同的原子或分子有不同的自然振动频率，它们会选择性地吸收不同频率（或不同频率带）的红外线光波。

由于光波频率不匹配光纤材料的自然振动频率，会造成光波的反射或透射。当红外线光波入射于这不匹配的光纤材料，一部分能量会被反射，另一部分能量会被透射。

## 应用

目前用于通信中的光纤主要是玻璃纤维，其外径约为250微米，中心通光部分直径为10~60微米。光纤也带来医疗技术是革新，由于幼小及讯息传输量大，被大量应用于观察体内的内视镜。在娱乐方面，常用于音响的讯号线。