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大的同轴圆柱形电介质波导，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），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，可以把光纤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（见图2.1.1a、图2.1.1b）和单模光纤（见图2.1.1c）。图2.1.1表示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脉冲相对于输入脉冲的展宽Δτ，以及其横截面的折射率分布。

2.1.1 多模光纤

光的一个传输模式就是以某一角度（2.2.1节将给出是数值孔径NA）射入光纤端面，并能在纤芯内发生全反射的传播光线。如果光纤的芯径较大，允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤内传播，则称光纤中有多个模式。图2.1.1a和图2.1.1b表示有三个模在光纤中传输。

可以传播数百到上千个模式的光纤称为多模（MultiMode, 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为n₁保持不变，到包层突然变为n₂，如图2.1.1a所示，阶跃型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分别表示纤芯和包层的均匀折射率。在纤芯和包层界面处（r=a），折射率呈阶跃式变化。一般纤芯直径2a=50～100μm，光线以曲折形状传播，如图2.1.1a所示，这种阶跃多模光纤的传光原理可以简单地理解为，在这种波导内，光纤波导好像是一种透镜系统，对于每种模式的光线来说，对应一组焦距固定的透镜系统传输入射光。不同模式的光线，透镜的焦距也不同，模式3的光线对应的透镜焦距短，而模式2的光线对应的透镜焦距长。

阶跃多模光纤因色散使输出脉冲信号展宽（Δτ_1/2）最大，相应的带宽大约只有10MHz·km，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，光纤带宽很窄；而单模光纤没有模间色散，只有模内色散，所以带宽很宽。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。那么是不是制造一种光纤，既没有模间色散，带宽较宽，芯径较大，又使光耦合容易呢？这就是如图2.1.1b所示的渐变折射率多模光纤，简称为渐变多模光纤。

可以这样理解阶跃多模光纤存在的模间色散，在图2.1.1a中，代表各模的光线以不同的路径在纤芯内传输，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的光线直线传输，路经最短，到达光纤末端所需的时间最短；编号为3的光线曲折传输，路经最长，到达光纤末端所需的时间最长。所以这些光线经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后，使输出脉冲相对于输入脉冲展宽了Δτ_SI。

渐变（Graded Index, GI）多模光纤折射率n₁不像阶跃多模光纤是个常数，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2.1.1b所示。这样的折射率分布可使模间色散降到最小，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最快），这样一来到达终点所需的时间几乎相同，输出脉冲展宽不大。

为了进一步理解渐变多模光纤的传光原理，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n_a、n_b和n_c等组成，如图2.1.2a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透射进入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，尽管它传输的路径比较长，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着的自聚焦透镜，把光线局限在波导中传输，如图2.1.1b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2.1.2b和图2.1.2c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表示的子午光线外，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光纤时产生的模式色散，尽管其色散已比阶跃光纤小很多，但是也并不是说不存在。

渐变型光纤一般纤芯直径2a=50～100μm，光线以正弦形状传播，输出脉冲信号展宽（Δτ_1/2）比阶跃型光纤小，带宽可达0.2～2GHz·km，比特速率和距离乘积可达0.3～10（Gbit/s）·km，当速率为100Mbit/s时传输距离可达100km，信息传输容量是阶跃型光纤的100～200倍。虽然如此，对于中继距离在30km以上、传输速率为620Mbit/s到2.5Gbit/s的干线通信系统，GI光纤还是不能满足要求。高速率长距离传输系统采用带宽极大的单模光纤最为合适。

无论是阶跃型光纤还是渐变型光纤，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越强，通常Δ远小于1。

2.1.2 单模光纤

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（Single Mode, SM）光纤。标准单模光纤折射率分布和阶跃多模光纤的相似，只是纤芯直径比多模光纤的小得多，模场直径只有9～10μm，光线沿轴线直线传播，如图2.1.1c所示，传播速度最快，色散使输出脉冲信号展宽（Δτ_1/2）最小。

2.2.3节将会专门用导波理论解释单模光纤传输的条件，其结论是：当归一化波导参数（也叫归一化芯径）V<2.405时，只有一种模式，即基模LP₀₁（即零次模，N=0）通过光纤芯传输，这种只允许基模LP₀₁传输的光纤称为单模光纤。

多模光纤和单模光纤传播速度的差异可以用图2.1.3不同速度的汽车赛跑形象地表示，三种汽车各有不同的外形和速度，代表不同的模式。

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衰减最小的光纤等。

表2.1.1对阶跃多模光纤、渐变多模光纤和阶跃单模光纤的特性进行了比较。

2.1.3 超低损耗光纤

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。图2.1.4a表示纯硅芯光纤（Pure Silica Core Fiber, PSCF）在1550nm波长历年来损耗降低的情况。一种0.149dB/km（1550nm波长）的超低损耗光纤，其有效面积135μm2，色散21ps/（nm·km），色散斜率0.061ps/（nm2·km），损耗谱如图2.1.4b所示，为了比较，也画出了标准单模光纤（Standard Single-Mode Fiber,SSMF）的损耗与波长的关系。

降低光纤损耗，根本上是要减小瑞利散射损耗，该损耗占1550nm波长传输损耗的80%。瑞利散射起源于微掺杂浓度的波动和玻璃分子网格结构密度的波动。因此，PSCF芯不掺杂，这是减小掺杂浓度波动的最好解决办法。此外，为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。为了使PSCF损耗最小，选用光纤芯折射率指数横截面分布为环形的结构，如图2.1.5a所示，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。为了减小与光纤芯有效面积成反比的非线性影响，使PSCF的有效面积增大到135μm2。这种光纤的色散（21ps/（nm·km））相当大，其目的也是为了抑制非线性影响。

图2.1.5b表示17000km长PSCF光纤损耗在1550nm波长的分布，平均损耗为0.154dB/km，损耗分布类似高斯形状，其他特性，如有效面积、色散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高，如图2.1.1所示。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，需要先熔制出一根合适的玻璃棒，如图2.1.6a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2.1.6b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。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。