2.1　光纤结构和类型

光纤是一种纤芯折射率n1比包层折射率n2高的同轴圆柱形电介质波导。实用光纤的结构、折射率分布和在纤芯内的传输路径如图2.1.1所示。纤芯材料主要成分为掺杂的SiO2，纯度达99.999%，其余成分为极少量的掺杂剂（如GeO2等）。掺杂剂可以提高纤芯的折射率。纤芯直径为8～100μm。包层材料一般也为SiO2，外径为125μm，其作用是把光限制在纤芯中。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。光能量主要在纤芯中传输，包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起到一定的机械保护作用。

根据光纤横截面上折射率的径向分布情况，把光纤可以粗略地分为阶跃型和渐变型两种。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。图2.1.1表示了不同种类光纤的光线在纤芯传播的路径和由于色散引起的输出光脉冲相对于输入光脉冲的展宽程度，以及其横截面的折射率分布。

2.1.1　多模光纤

可以传播数百到上千个模式的光纤称为多模（Multi Mode，MM）光纤。根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，多模光纤又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。

1. 阶跃多模光纤

阶跃（Step Index，SI）多模光纤折射率在纤芯中为n1且保持不变，但到包层中其折射率突然变为n2，如图2.1.1（a）所示，阶跃多模光纤的折射率分布可以表示为

式中，r为光纤的径向坐标；n1和n2分别表示纤芯折射率和包层折射率。在纤芯和包层界面处（r=a），折射率呈阶跃式变化。一般阶跃多模光纤的纤芯直径2a为50～100μm，光线以曲折形状传播，因为光纤色散使输出光脉冲信号展宽（Δτ1/2）最大，相应的带宽大约只有10MHz·km，所以这种光纤通常用于短距离传输。

2. 渐变多模光纤

阶跃多模光纤的主要缺点是存在大的模间色散，其带宽很窄。而单模光纤没有模间色散，只有模内色散，所以其带宽很宽。但是随之出现的问题是，由于单模光纤芯径很小，所以把光耦合进光纤是很困难的。那么是否可以制造一种光纤，既没有模间色散且带宽较宽、芯径较大，又使光耦合进光纤变容易呢？这就是如图2.1.1（b）所示的渐变折射率多模光纤，简称渐变多模光纤。

我们可以这样理解阶跃多模光纤存在的模间色散，在图2.1.1（a）中，代表各模的光线以不同的路经在纤芯内传输，在传输速度相同的情况下（均为c/n1，c是自由空间光速），到达终点所需的时间也不同。例如，编号为1的光线（即光线1）直线传输，路径最短，到达光纤末端所需的时间最短；编号为3的光线（即光线3）曲折传输，路径最长，到达光纤末端所需的时间最长，所以这些光线经光接收机内的光探测器变成各自的光生电流，这些光生电流在时域内叠加，从而使输出光脉冲相对于输入光脉冲展宽了ΔτSI。

渐变（Graded Index，GI）多模光纤纤芯折射率n1不是个常数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到在包层处变为n2，如图2.1.1（b）所示。这样的折射率分布可使模间色散降低到最小，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，所以各模光线的传输速度也互不相同。沿光纤轴线传输的光线速度最慢（因n1,r→0最大，所以速度c/n1,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n1,r→a最小，所以速度c/n1,r→a最快），这样一来到达终点所需的时间几乎相同，输出光脉冲展宽不大。

渐变多模光纤折射率分布可以用（r/a）的γ次方表示[9]，即

式中，γ为折射率光栅系数；n1>n2。使模间色散最小的γ为

通常Δ≈0.01，所以γ≈2，这是最佳的折射率光栅系数。此时输出光脉冲每单位长度的均方根模间色散σinter为

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成由折射率恒定不变的许多同轴圆柱薄层a、b和c等组成，对应各层折射率为na、nb、nc等，且na>nb>nc>…。渐变多模光纤减小模间色散的原理如图2.1.2所示。使光线1的入射角θA正好等于a层和b层的交界面A点发生全反射时临界角θc（ab）=arcsin（nb/na），然后到达光纤轴线上的O′点。而光线2的入射角θB却小于在a层和b层的交界面B点发生全反射时临界角θc（ab），因此不能发生全反射，而光线2以折射角θB′折射进入b层。如果nb适当且小于na，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nc适当小于nb，使光线2在B′点发生全反射，即θB′>θc（bc）=arcsin（nc/nb）。于是通过适当选择na、nb和nc，就可以确保光线1和2通过O′。那么，它们是否同时到达O′呢？由于na>nb，所以光线2在b层要比光线1在a层传输得快，尽管光线2传输的路径要长一些，也能与光线1几乎同时到达O′点。

实际上，渐变多模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2.1.2（b）和图2.1.2（c）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。入射光线除图2.1.2所示的子午光线外，还有斜射光线，即螺旋光线，所以要考虑所有这些光线通过渐变多模光纤时产生的模式色散，尽管其色散已比阶跃多模光纤小很多，但是也并不是说其色散不存在。

一般渐变多模光纤的纤芯直径2a为50～100μm，光线以正弦波的形状传播，输出光脉冲信号展宽（Δτ1/2）比阶跃多模光纤小，带宽可达0.2～2GHz·km，比特率和传输距离乘积可达0.3～10（Gbit/s）·km，当信道传输速率为100Mbit/s时，传输距离可达100km，信道容量是阶跃多模光纤的100～200倍。虽然如此，对于中继距离在30km以上，比特率为620Mbit/s～2.5Gbit/s的干线通信系统，渐变多模光纤还是不能满足要求。对于要求高传输速率、长距离的传输系统，采用带宽极大的单模光纤最为合适。

无论是阶跃多模光纤还是渐变多模光纤，均定义Δ为光纤的相对折射率差，即

光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2，Δ越大，把光能量束缚在纤芯的能力就越强，通常Δ?1。

2.1.2　单模光纤

只能传播一个模式的光纤称为单模光纤。标准单模（Single Mode，SM）光纤折射率分布和阶跃多模光纤相似，只是其纤芯直径比多模光纤小得多，其模场直径只有9～10μm，光线沿轴线直线传播，如图2.1.1（c）所示，色散使输出光脉冲信号展宽（Δτ1/2）最小。

事实上，为调整工作波长或改变色散特性，可以设计出各种结构复杂的单模光纤，已经开发的有色散位移光纤、非零色散位移光纤、色散补偿光纤，以及在1.55μm波长处衰减系数最小的光纤等。

阶跃多模光纤、阶跃单模光纤和渐变多模光纤的特性比较如表2.1.1所示。

2.1.3　超低损耗光纤

光纤通信的鼻祖高锟早在20世纪60年代就指出，光纤损耗是由材料中杂质离子的吸收产生的，如果使用纯硅材料拉制光纤，就可以获得超低损耗的光纤。因此，纯硅芯光纤（PSCF）的纤芯由不掺杂的纯硅玻璃组成。光纤性能历年进展情况如图2.1.3所示。一种1 550nm波长、0.149dB/km的超低损耗光纤，其有效芯径面积为135μm2，色散系数为21ps/（nm·km），色散斜率为0.061ps/（nm2·km），光纤衰减谱如图2.1.3（b）所示，为了比较，图2.1.3（b）中也画出了标准单模光纤（SSMF）衰减系数与波长的关系。

为了降低光纤损耗，从根本上就要减小瑞利散射损耗，该损耗占1 550nm波长处光纤损耗的80%。瑞利散射起源于微掺杂浓度波动和玻璃成分密度波动。因此，PSCF的纤芯不掺杂，这是减小掺杂浓度波动的最好解决办法。此外，为了抑制玻璃成分密度波动，可采用0.72dB/（km/μm-4）瑞利散射系数的玻璃。PSCF的结构及性能如图2.1.4所示。为了使PSCF损耗最小，选用PSCF折射率指数n分布横截面为环形的结构，如图2.1.4（a）所示，纤芯中心掺少量氟，围绕它的是纯硅环状芯。为了降低弯曲损耗性能，采用掺氟包皮的W形结构。为了减小与光纤有效芯径面积成反比的非线性影响，使PSCF的有效芯径面积增大到135μm2。这种光纤的色散系数为21ps/（nm·km）（相当大），其目的也是抑制非线性影响。

图2.1.4（b）表示PSCF衰减系数在1 550nm波长处的分布，其平均衰减系数为0.154dB/km，其衰减系数分布类似高斯分布，其他特性如有效芯径面积、色散系数和色散斜率等也具有好的稳定性。

2.1.4　光纤制造工艺

我们知道，光纤的纤芯折射率n1比包层折射率n2大，如图2.1.1所示。包层材料一般为SiO2。包层的作用是把光限制在纤芯中。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。

制造光纤时，要先熔制出一根合适的玻璃棒。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，通常把它称为光纤预制棒（简称预制棒）。把预制棒放入高温（约2000℃）加热炉中加温软化，拉制成线径很细的玻璃丝，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。这种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。这种只有约为125μm粗细的玻璃丝就是通信用的导光纤维，简称光纤。当然，为了使纤芯直径在拉制过程中保持一致，还要对线径进行测量和控制。预制棒制造原理和拉丝装置示意图如图2.1.5所示。

2.1.5　光子晶体光纤

在1.3.2节中，我们已介绍了光子晶体的概念，利用光子晶体可以制成光子晶体光纤[13]。光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）是一种微结构光纤，它的横截面上具有复杂的折射率分布，通常在其横截面上含有不同排列形式的气孔（见8.7.5节），这些气孔的尺度与光波波长大致在同一个量级，并且贯穿光子晶体光纤整个长度，光可以被限制在低折射率的纤芯区传播[4]。

有两种光子晶体光纤，一种是折射率导光型，另一种是光子带隙全反射型。前者用于色散补偿和控制（见8.7.1节）、非线性光学、多芯光纤、双包层光纤和光纤传感器等；后者用于大直径单模光纤高功率导光、光纤传感等方面。

光子晶体光纤是这样制成的：将几百个传统的氧化硅棒和氧化硅毛细管捆绑在一起，组成六角阵列，在2000℃高温下烧结，就可以制成二维光子晶体光纤。在光纤中心可以人为地引入空气孔作为导光通道，也可以将固体硅作为导光介质。制作三维光子晶体的一种方法是：用三束单频强光照射Si和GaAs基底，然后发生干涉并产生光强的三维分布，再加工出三维的微粒排列，这种方法相当于全息光刻。