高速信息传递：光纤材料

光导纤维，简称光纤，指能够以光信号而非电信号的形式传递信息(光束和图像)的具有特殊光学性能的玻璃或塑料纤维。1966年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。从此，开创了光纤通信领域的研究工作。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。   

初中物理课上我们便知道了光存在全反射现象，所谓全反射，是指当光从高折射率介质向低折射率介质入射时，如果入射角度大于某个特定值，就会在界面处像遭遇镜面一样完全被反射回去（如图4-9a所示）。光信号在光纤就是以全反射的形式进行传导的（如图4-9b所示） 。

图1 全反射现象（a）和光纤以全反射的形式进行传导（b）

图片来源：中国科学院科学传播研究中心

光纤主要由纤芯、包层和表面涂覆层组成，结构如图4-10所示。纤芯主要由折射率较高的导光材料制成，例如石英光纤的芯层材料多为SiO2--GeO2。包层由折射率较低的导光材料制成，例如石英光纤的包层材料多为SiO2—B2O3或SiO2—P2O5。它的作用是约束光。由于光波在芯包界面上发生全反射，大部分的光能量被阻止在芯层中，光信号因此会沿着光纤向前传输。涂覆层是为保护裸光纤、提高光纤机械强度和抗微弯强度并降低衰减而涂覆的高分子材料层。

图2 光纤结构图

图片来源：中国科学院科学传播研究中心

光纤按纤芯的材质组成可分为玻璃光纤、塑料光纤、晶体及液芯等特种光纤；按工作波长分为紫外、可见、近红外及红外光导纤维；按折射率分为阶跃型、近阶跃型、渐变及其他光导纤维；按传输模式分为单模光纤和多模光纤；按应用分为通信光纤、传感光纤、传光光纤、激光光纤、红外光纤等。下面将以材质组成分类介绍几种纤芯材料。

一、玻璃光纤

玻璃光纤：玻璃是由某些熔体过冷后粘度增大到很高数值的固体，与液体的原子无序排列十分相似，呈各向同性。玻璃光纤又分为石英玻璃光纤和红外玻璃光纤，其中红外玻璃光纤包括硫化物玻璃、氟化物玻璃、重金属氧化物玻璃光纤等。

石英玻璃光纤是以二氧化硅为主要原料，并按不同的掺杂量，来控制纤芯和包层的折射率分布的光纤。石英（玻璃）系列光纤，具有低耗、宽带的特点，当光波长为1.0～1.7微米时，损耗只有1分贝/千米，在1.55微米处最低，只有0.2分贝/千米。已广泛应用于有线电视和通信系统。

图3石英玻璃光纤光缆断面

图片来源： Srleffler, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Optical_breakout_cable.jpg

硫化物玻璃光纤具有较宽的红外透明区域(1.2-12微米)，有利于多频分复用（利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长的激光）。硫化物玻璃有较低的结晶趋势和高机械化学稳定性，适合作有源和无源光纤器件。硫化物玻璃光纤具有很大的非线性系数，用它制作的非线性器件，可以有效地提高光开关的速率，开关速率可以达到数百吉字节/秒以上。

氟化物玻璃光纤是迄今为止研究最多的光纤，它的主要特点是具有最低的损耗，经大量的理论计算表明，氟化物光纤的最低损耗在2.5微米附近约为10-3分贝/千米，比石英光纤的最低损耗要低2-3个数量级，如按当前石英光纤无中继距离100千米的水平计算 ，可以推测氟化物光纤无中继距离可达到10000千米以上。

重金属氧化物玻璃光纤是以GeO2、La2O3、TeO3和GO- AL2O3等玻璃为基础的光纤。           重金属氧化物玻璃光纤声子具有声子能量小、红外透过范围广、稀土掺杂浓度高、非线性折射率高等优点，在光纤放大器、非线性光纤等方面得到了广泛研究与应用。

二、塑料光纤

塑料光纤是由高折射率的聚合物材料为纤芯和低折射率的聚合物材料为包层所构成的光纤。塑料光导纤维的光损耗较高，1982年，日本电信电报公司利用氘化甲基丙烯酸甲酯聚合抽丝作芯材，光损耗率降低到20分贝/千米。但塑料光导纤维的特点是能制大尺寸，大数值孔径的光导纤维，光源耦合效率高，挠曲性好，微弯曲不影响导光能力，配列、粘接容易，便于使用，成本低廉。但光损耗大，只能短距离应用。光损耗在10～100分贝/千米的光导纤维，可传输几百米。

图4 激光在透明塑料纤芯材料中传导

图片来源：Timwether, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Laser_in_fibre.jpg

三、特种光纤

物联网和云计算等新技术的出现，加大了特种光纤及各种新型光电子器件的需求，特种光纤作为一个新兴的产业，将面临较大的发展机遇与挑战，这也为我国民族光纤产业提供了横向发展与纵向延伸的历史舞台。特种光纤包括前沿的光子晶体光纤技术、色散补偿光纤技术、保偏光纤、掺稀土光纤、能量传输光纤等。限于篇幅，本书仅简单介绍光子晶体光纤。

光子晶体光纤又被称为微结构光纤或多孔光纤。它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。图4-13是美国海军研究实验室拍摄的光子晶体光纤的扫描电镜照片，纤维中心的实芯直径为5微米（左），孔的直径为4微米（右）。

图5 光子晶体光纤的扫描电镜照片

图片来源：Danh,  http://en.wikipedia.org/wiki/File:Photonic-crystal-fiber-from-NRL.jpg

来源：冯瑞华、鞠思婷著《新材料》，科学普及出版社