第3章 光纤通信传输介质——光导纤维

3.1 光纤结构和类型

固执于光的旧有理论的人们，最好是从它自身的原理出发，提出实验的说明。并且，如果它的这种努力失败的话，他应该承认这些事实。

——托马斯·扬（T.Young）

光纤由玻璃，即石英（SiO₂）组成。光纤和光缆结构如图3.1.1所示，光纤由玻璃制成的纤芯和包层组成，为了保护光纤，包层外面还增加尼龙外层。

光纤是一种纤芯折射率n₁比包层折射率n₂大的同轴圆柱形电介质波导。纤芯材料主要成分为二氧化硅（SiO₂），纯度达99.999%，其余成分为极少量的掺杂剂如二氧化锗（GeO₂）等，以提高纤芯的折射率。纤芯直径2a为8~100μm。包层材料一般也为SiO₂，外径2b为125μm，其作用是把光强限制在纤芯内。为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，还在包层外增加一层涂覆层，其主要成分是环氧树脂和硅橡胶等高分子材料。光在纤芯与包层的界面上发生全反射而被限制在纤芯内传播，包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。

实际光纤通信系统使用的光纤都是包在光缆内，光缆由许多光纤组成，光纤外面是松套管，松套管内是填充物。光缆的中心是一条增加强度用的钢丝，最外面是保护用的护套。

3.1.1 玻璃丝传光发展史——全反射应用

古代，希腊吹玻璃工匠观察到玻璃棒可以传光。

1854年，英国的廷德尔在英国皇家学会的一次演讲中指出，光线能够沿盛水的弯曲管道进行反射而传输，并用实验证实了这个想法。

1870年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也沿着水流传播，出现弯曲现象，这好像不符合光只能直线传播的定律。实际上，这时光仍是沿直线传播，只不过在水流中出现了光反射现象，因而光是以折线方式前进的。光也可以“走弯路”。

1927年，英国的贝尔德首次利用光全反射现象制成石英纤维，进行图像解析，并且获得了两项专利。

1930年，有人拉出了石英细丝，并论述了它传光的原理。

1951年，荷兰和英国开始进行柔软纤维镜的研制。

1953年，荷兰人范赫尔把一种折射率为1.47的塑料涂在玻璃纤维上，形成比玻璃纤维芯折射率低的套层，得到了对光线全反射（绝缘）的玻璃纤维。但由于塑料套层不均匀，光能量损失太大。

1955年，光在弯曲管道中反射前行的现象得到实际应用。当时在伦敦英国学院工作的卡帕尼博士用极细的玻璃制作成了光导纤维。每根细如丝的光导纤维是用两种折射率不同的玻璃制成，一种玻璃形成中心束线，另一种包在中心束线外面形成包层。由于两种玻璃在光学性质上的差别，光线以一定角度从光导纤维的一端射入后，不会从纤维壁逸出，而是沿两层玻璃的界面连续反射前进，从另一端射出。最初，这种光导纤维只是应用在医学上，用光纤束组成内窥镜，可以观察人体肠胃内的疾病，协助医生及时做出确切的判断。

其实，现代的多模光纤通信也就是运用光反射原理，把光的全反射限制在光纤内部，用光信号取代传统通信方式中的电信号，实现信息的传递。

3.1.2 多模光纤/单模光纤——由传输模式数量决定

作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，即多模光纤和单模光纤，如图3.1.2所示。顾名思义，多模光纤可以传输多个模式的光，而单模光纤却只能传输一个模式的光。图3.1.2也表示出这两种光纤内的光线在纤芯传播的路径，由于光线在这两种光纤中传播的路径不同，单模光纤只有一个模式，而且是直线传输；而多模光纤有多个模式，且每个模式传输的路径不同，高阶模比低阶模传输的路径长，所用的时间就长，到达终点的时间不同，几种模式的光合在一起就使输出脉冲相对于输入脉冲展宽了。

单模光纤的芯径要比多模光纤的小，当光纤的芯径很小时，光纤只允许与光纤轴线一致的光线通过，即只允许通过一个基模。只能传播一个模式的光纤称为单模光纤。单模光纤的纤芯直径比多模光纤小得多，模场直径只有9~10μm，仅是多模光纤的十分之一，光线沿轴线直线传播，如图3.1.2b所示，传播速度最快，输出脉冲信号到达终点的展宽（Δτ_1/2）最小。

多模光纤和单模光纤传播速度的差异可以用图3.1.3形象地表示，三种汽车各有不同的外形和速度，代表不同的模式，模式越高，传输越慢。

3.1.3 阶跃光纤/渐变光纤——折射率在纤芯分布不同色散也不同

根据光纤横截面上折射率的径向分布情况，可以将光纤粗略地分为阶跃（SI）光纤和渐变（GI）光纤。阶跃光纤折射率在纤芯为n₁保持不变，到包层突然变为n₂，如图3.1.4a所示。渐变光纤折射率n₁不像阶跃光纤是个常数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为n₂，如图3.1.4b所示。

渐变多模光纤的折射率分布可使光纤内的光线同时到达终点，其理由是，虽然各模光线以不同的路径在纤芯内传输，但是因为这种光纤的纤芯折射率不再是一个常数，所以各模的传输速度也互不相同。如图3.1.5所示，沿光纤轴线传输的光线速度最慢（因n_1,r→0最大，所以速度c/n_1,r→0最小）；光线3到达末端传输的距离最长，但是它的传输速度最快（因n_1,r→a最小，所以速度c/n_1,r→a最大），这样一来到达终点所需的时间几乎相同。n_1,r→0表示纤芯折射率从包层变化到纤芯，n_1,r→a表示纤芯折射率从纤芯变化到与包层交界处。

为了进一步理解渐变多模光纤的传光原理，我们可把这种光纤看作由折射率恒定不变的许多同轴圆柱薄层a、b和c等组成，如图3.1.6a所示，而且n_a>n_b>n_c>…。使光线1的入射角θ_A正好等于折射率为n_a的a层和折射率为n_b的b层的交界面A点发生全反射时的临界角θ_c（ab）=arcsin（n_b/n_a），然后到达光纤轴线上的O′点。而光线2的入射角θ_B却小于在a层和b层交界面B点处的临界角θ_c（ab），因此不能发生全反射，而光线2以折射角θ_B′折射进入b层。如果n_b适当且小于n_a，光线2就可以到达b和c界面的B′点，它正好在A点的上方（OO′线的中点）。假如选择n_c适当且比n_b小，使光线2在B′发生全反射，即θ_B′>θ_C（bc）=arcsin（n_c/n_b）。于是通过适当地选择n_a、n_b和n_c，就可以确保光线1和光线2通过O′。那么，它们是否同时到达O′呢？由于n_a>n_b，所以光线2在b层要比光线1在a层传输得快，尽管它传输得路径比较长，也能够赶上光线1，所以几乎同时到达O′点。这种渐变多模光纤的传光原理，相当于在这种波导中有许多按一定规律排列的自聚焦透镜，把光线局限在波导中传输，如图3.1.5所示。

实际上，渐变光纤的折射率是连续变化的，所以光线从一层传输到另一层也是连续的，如图3.1.6b和图3.1.6c所示。当光线经多次折射后，总会找到一点，其折射率满足全反射。

3.1.4 相速度/群速度——相速度是波前传输速度，群速度是相速度的分量

现在考虑传输模中的一条光线，如图3.1.7所示，它在纤芯内以角度θ全反射，在介质中的相速度，即光在光纤中的传输速度υ=c/n₁。但是，能量沿波导传输的速度是

这一速度称为群速度，它表示调制光脉冲包络的传输速度，如图3.1.7所示。

群速度和光纤模式有关，模数不同，其群速度也不同。由于不同的模有不同的传输速度，因而在入射端输入的光脉冲中，次数越高的模越滞后。这并不难理解，因为模的次数越高，其角度θ越大（见图3.1.2），传输就需要更多的时间。

3.1.5 光纤制造

光纤的纤芯折射率n₁比包层折射率n₂高，纤芯材料主要成分为SiO₂，其余成分为极少量的掺杂剂（如GeO₂等），以提高纤芯的折射率。包层材料一般也为SiO₂，作用是把光强限制在纤芯中，为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化性，其包层外增加了一层涂覆层，其主要成分是环氧树脂和硅橡胶等高分子材料。

制造光纤时，需要先熔制出一根合适的玻璃棒，如图3.1.8a所示。为使光纤的纤芯折射率n₁ 比包层折射率n₂ 高，首先在制备纤芯玻璃棒时，要均匀地掺入少量比石英折射率高的材料（如锗）；接着在制备包层玻璃时，再均匀地掺入少量比石英折射率低的材料（如硼）。这就制成了拉制光纤的原始玻璃棒，通常把它叫作光纤预制棒。把预制棒放入高温（约2000℃）拉丝炉中加温软化，拉制成线径很细的玻璃丝，如图3.1.8b所示，同时在玻璃丝外增加一层高分子材料涂覆层，以便增强玻璃丝的柔韧性和机械强度。玻璃丝中的纤芯和包皮的厚度比例和折射率分布与预制棒材料的完全一样。这种只有约125μm粗细的玻璃丝就是通信用的导光纤维，简称为光纤。当然，为了使纤芯直径在拉制过程中保持一致，还需要对线径进行测量控制。