高速信息傳遞：光纖材料

光導纖維，簡稱光纖，指能夠以光信號而非電信號的形式傳遞信息(光束和圖像)的具有特殊光學性能的玻璃或塑料纖維。1966年英籍華人高錕博士發(fā)表了一篇劃時代性的論文，他提出利用帶有包層材料的石英玻璃光學纖維，能作為通信媒質。從此，開創(chuàng)了光纖通信領域的研究工作。一對金屬電話線至多只能同時傳送一千多路電話，而根據理論計算，一對細如蛛絲的光導纖維可以同時通一百億路電話！鋪設1000公里的同軸電纜大約需要500噸銅，改用光纖通信只需幾公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，幾乎是取之不盡的。???

初中物理課上我們便知道了光存在全反射現(xiàn)象，所謂全反射，是指當光從高折射率介質向低折射率介質入射時，如果入射角度大于某個特定值，就會在界面處像遭遇鏡面一樣完全被反射回去（如圖4-9a所示）。光信號在光纖就是以全反射的形式進行傳導的（如圖4-9b所示）?。

圖1?全反射現(xiàn)象（a）和光纖以全反射的形式進行傳導（b）

圖片來源：中國科學院科學傳播研究中心

光纖主要由纖芯、包層和表面涂覆層組成，結構如圖4-10所示。纖芯主要由折射率較高的導光材料制成，例如石英光纖的芯層材料多為SiO2--GeO2。包層由折射率較低的導光材料制成，例如石英光纖的包層材料多為SiO2—B2O3或SiO2—P2O5。它的作用是約束光。由于光波在芯包界面上發(fā)生全反射，大部分的光能量被阻止在芯層中，光信號因此會沿著光纖向前傳輸。涂覆層是為保護裸光纖、提高光纖機械強度和抗微彎強度并降低衰減而涂覆的高分子材料層。

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圖2?光纖結構圖

圖片來源：中國科學院科學傳播研究中心

光纖按纖芯的材質組成可分為玻璃光纖、塑料光纖、晶體及液芯等特種光纖；按工作波長分為紫外、可見、近紅外及紅外光導纖維；按折射率分為階躍型、近階躍型、漸變及其他光導纖維；按傳輸模式分為單模光纖和多模光纖；按應用分為通信光纖、傳感光纖、傳光光纖、激光光纖、紅外光纖等。下面將以材質組成分類介紹幾種纖芯材料。

一、玻璃光纖

玻璃光纖：玻璃是由某些熔體過冷后粘度增大到很高數值的固體，與液體的原子無序排列十分相似，呈各向同性。玻璃光纖又分為石英玻璃光纖和紅外玻璃光纖，其中紅外玻璃光纖包括硫化物玻璃、氟化物玻璃、重金屬氧化物玻璃光纖等。

石英玻璃光纖是以二氧化硅為主要原料，并按不同的摻雜量，來控制纖芯和包層的折射率分布的光纖。石英（玻璃）系列光纖，具有低耗、寬帶的特點，當光波長為1.0～1.7微米時，損耗只有1分貝/千米，在1.55微米處最低，只有0.2分貝/千米。已廣泛應用于有線電視和通信系統(tǒng)。

圖3石英玻璃光纖光纜斷面

圖片來源：?Srleffler, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Optical_breakout_cable.jpg

硫化物玻璃光纖具有較寬的紅外透明區(qū)域(1.2-12微米)，有利于多頻分復用（利用多個激光器在單條光纖上同時發(fā)送多束不同波長的激光）。硫化物玻璃有較低的結晶趨勢和高機械化學穩(wěn)定性，適合作有源和無源光纖器件。硫化物玻璃光纖具有很大的非線性系數，用它制作的非線性器件，可以有效地提高光開關的速率，開關速率可以達到數百吉字節(jié)/秒以上。

氟化物玻璃光纖是迄今為止研究最多的光纖，它的主要特點是具有最低的損耗，經大量的理論計算表明，氟化物光纖的最低損耗在2.5微米附近約為10-3分貝/千米，比石英光纖的最低損耗要低2-3個數量級，如按當前石英光纖無中繼距離100千米的水平計算?，可以推測氟化物光纖無中繼距離可達到10000千米以上。

重金屬氧化物玻璃光纖是以GeO2、La2O3、TeO3和GO- AL2O3等玻璃為基礎的光纖。???????????重金屬氧化物玻璃光纖聲子具有聲子能量小、紅外透過范圍廣、稀土摻雜濃度高、非線性折射率高等優(yōu)點，在光纖放大器、非線性光纖等方面得到了廣泛研究與應用。

二、塑料光纖

塑料光纖是由高折射率的聚合物材料為纖芯和低折射率的聚合物材料為包層所構成的光纖。塑料光導纖維的光損耗較高，1982年，日本電信電報公司利用氘化甲基丙烯酸甲酯聚合抽絲作芯材，光損耗率降低到20分貝/千米。但塑料光導纖維的特點是能制大尺寸，大數值孔徑的光導纖維，光源耦合效率高，撓曲性好，微彎曲不影響導光能力，配列、粘接容易，便于使用，成本低廉。但光損耗大，只能短距離應用。光損耗在10～100分貝/千米的光導纖維，可傳輸幾百米。

圖4?激光在透明塑料纖芯材料中傳導

圖片來源：Timwether, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Laser_in_fibre.jpg

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三、特種光纖

物聯(lián)網和云計算等新技術的出現(xiàn)，加大了特種光纖及各種新型光電子器件的需求，特種光纖作為一個新興的產業(yè)，將面臨較大的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)，這也為我國民族光纖產業(yè)提供了橫向發(fā)展與縱向延伸的歷史舞臺。特種光纖包括前沿的光子晶體光纖技術、色散補償光纖技術、保偏光纖、摻稀土光纖、能量傳輸光纖等。限于篇幅，本書僅簡單介紹光子晶體光纖。

光子晶體光纖又被稱為微結構光纖或多孔光纖。它的橫截面上有較復雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個長度，光波可以被限制在低折射率的光纖芯區(qū)傳播。圖4-13是美國海軍研究實驗室拍攝的光子晶體光纖的掃描電鏡照片，纖維中心的實芯直徑為5微米（左），孔的直徑為4微米（右）。

圖5?光子晶體光纖的掃描電鏡照片

圖片來源：Danh,??http://en.wikipedia.org/wiki/File:Photonic-crystal-fiber-from-NRL.jpg

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來源：馮瑞華、鞠思婷著《新材料》，科學普及出版社