[科普中國(guó)]-石英光纖

石英光纖是一種以高折射率的純石英玻璃材料為芯，以低折射率的有機(jī)或無(wú)機(jī)材料為包皮的光學(xué)纖維。

簡(jiǎn)介由于石英光纖傳輸波長(zhǎng)范圍寬（從近紫外到近紅外，波長(zhǎng)從0.38-2.1um ），所以石英光纖適用于紫外到紅外各波長(zhǎng)信號(hào)及能量的傳輸，石英光纖數(shù)值孔徑大、光纖芯徑大、機(jī)械強(qiáng)度高、彎曲性能好和很容易與光源耦合等優(yōu)點(diǎn)，故在傳感、光譜分析、過(guò)程控制及激光傳輸（特別是傳輸He-Ne、Ar+離子和YAG激光的理想介質(zhì)）、激光醫(yī)療、測(cè)量技術(shù)、刑偵，信息傳輸和照明等領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛。已廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)療、生物工程、材料加工、傳感技術(shù)、國(guó)防軍事等各個(gè)領(lǐng)域。由于石英光纖的商品化、低成本、優(yōu)異的光傳輸性能和生物相容性，以及高強(qiáng)度、高可靠性和高激光損傷閾值等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得石英光纖在能量傳輸，尤其是在工業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的激光傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用，這是其他種類(lèi)的光纖無(wú)法比擬的。隨著成本的降低和技術(shù)的成熟，石英光纖在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，需求量逐年倍增1。

用途石英光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，是用純度特別高的石英玻璃（以SiO2為主要成分）制作的纖維狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。石英光纖的基本功能是對(duì)光束的束縛及傳播，即把一定波長(zhǎng)的光能束縛在幾到幾十微米的徑向范圍內(nèi)而沿石英光纖長(zhǎng)度方向作低損耗傳播。石英光纖作為傳輸介質(zhì)的基本特性用傳輸容量表示，它等于傳輸速率與傳輸距離的乘積。決定傳輸距離與傳輸性能指標(biāo)則是石英光纖的損耗和色散（或帶寬）。在已使用的多種傳輸介質(zhì)中，石英光纖具有的帶寬潛力是其它介質(zhì)無(wú)法比擬的。電話雙絞線傳輸帶寬一般約100KHz量級(jí)，同軸電纜一般工作在幾百到幾千MHz，微波通信傳輸帶寬也只有幾十GHz，但一根光纖在1.31μm和1.55μm窗口傳輸帶寬可以達(dá)到20THz。光纖的傳輸損耗也很低，1.55μm波長(zhǎng)石英光纖批量生產(chǎn)的損耗可在0.22dB/km以下，1.31μm波長(zhǎng)的損耗在0.34dB/km以下。相比之下，中同軸電纜工作在60MHz時(shí)，損耗已有19dB/km。

特點(diǎn)1、石英光纖主要材料是SiO2，其比重是2.2。銅的比重是8.9，而石英光纖外徑只125μm，同軸電纜約100mm，同軸電纜又是雙層導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，因此單位長(zhǎng)度的重量可以是光纖的幾千倍。這當(dāng)然會(huì)增加運(yùn)輸和施工費(fèi)用；

2、石英光纖的傳輸過(guò)程沒(méi)有電磁泄漏，這不僅有利于保密，而且避免了線路的串?dāng)_；

3、石英光纖的傳輸不受外界電磁輻射的影響，可以在馬達(dá)附近、核實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)等惡劣環(huán)境合作，而且強(qiáng)度高，耐大氣侵蝕好；

4、經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的光纖，其傳輸光束的振幅、相位、偏振狀態(tài)、波長(zhǎng)等物理量可受外界環(huán)境調(diào)制而變化。用石英光纖組成干涉儀，通過(guò)相位檢測(cè)，可得到極高的檢測(cè)靈敏度，因而石英光纖已成為傳感介質(zhì)廣泛用于工業(yè)自動(dòng)控制、軍用偵察等領(lǐng)域；

5、石英光纖中摻入某些元素后會(huì)成增益介質(zhì)，可做成具有不同性能的光纖激光器。光纖激光器是激光領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，它在激光器的小型化、實(shí)用化方面起著非常重要作用，是激光技術(shù)進(jìn)入信息領(lǐng)域的切入點(diǎn)2。

光纖的分類(lèi)光纖是光導(dǎo)纖維（OF：Optical Fiber）的簡(jiǎn)稱。但光通信系統(tǒng)中常常將Optical Fibe（光纖）又簡(jiǎn)化為Fiber，例如：光纖放大器（FiberAmplifier）或光纖干（Fiber Backbone）等等。有人忽略了Fiber雖有纖維的含義，但在光系統(tǒng)中卻是指光纖而言的。因此，有些光產(chǎn)品的說(shuō)明中，把fiber直譯成“纖維”，顯然是不可取的。光纖實(shí)際是指由透明材料作成的纖芯和在它周?chē)捎帽壤w芯的折射率稍低的材料作成的包層所被覆，并將射入纖芯的光信號(hào)，經(jīng)包層界面反射，使光信號(hào)在纖芯中傳播前進(jìn)的媒體。光纖的種類(lèi)很多，根據(jù)用途不同，所需要的功能和性能也有所差異。但對(duì)于有線電視和通信用的光纖，其設(shè)計(jì)和制造的原則基本相同，諸如：①損耗??；②有一定帶寬且色散??；③接線容易；④易于成統(tǒng)；⑤可靠性高；⑥制造比較簡(jiǎn)單；⑦價(jià)廉等。光纖的分類(lèi)主要是從工作波長(zhǎng)、折射率分布、傳輸模式、原材料和制造方法上作一歸納的，茲將各種分類(lèi)舉例如下。

（1）工作波長(zhǎng)：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、紅外光纖（0.85pm、1.3pm、1.55pm）。 （2）折射率分布：階躍（SI）型、近階躍型、漸變（GI）型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。

（3）傳輸模式：?jiǎn)文９饫w（含偏振保持光纖、非偏振保持光纖）、多模光纖。

（4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、復(fù)合材料（如塑料包層、液體纖芯等）、紅外材料等。按被覆材料還可分為無(wú)機(jī)材料（碳等）、金屬材料（銅、鎳等）和塑料等。

（5）制造方法：預(yù)塑有汽相軸向沉積（VAD）、化學(xué)汽相沉積（CVD）等，拉絲法有管律法（Rod intube）和雙坩鍋法等3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)