光纖，或稱為光導纖維，是一種柔性玻璃或塑膠纖維，可以將光[ a ]從一端傳輸到另一端。這種光纖在光纖通訊中已廣泛應用，與電纜相比，它們允許傳輸更長的距離和更高的頻寬（資料傳輸速率）。使用光纖代替金屬線，因為訊號沿著光纖傳輸，損耗較小，且不受電磁幹擾。[ 1 ]光纖也用於照明和成像，通常纏繞成束，因此它們可用於將光帶入有限空間，或將影像帶出有限空間，就像纖維鏡一樣。[ 2 ]專門設計的光纖也用於各種其他應用，例如光纖感測器和光纖雷射。[ 3 ]
玻璃光纖通常透過拉製製造，而塑膠光纖可以透過拉製或擠壓製造。[ 4 ] [ 5 ]光纖通常包括一個被折射率較低的透明包層材料包圍的芯。透過全內反射現象將光保留在纖芯中，使光纖充當波導。[ 6 ]支援多種傳播路徑或橫模的光纖稱為多模光纖，而支援單一模式的光纖稱為單模光纖（SMF）。[ 7 ]多模光纖通常具有較寬的纖芯直徑[ 8 ]，用於短距離通訊鏈路以及必須傳輸高功率的應用。[ 9 ]單模光纖用於大多數長度超過 1,050 公尺（3,440 英尺）的通訊鏈路。[ 10 ]
能夠以低損耗連接光纖對於光纖通訊非常重要。[ 11 ]這比連接電線或電纜更複雜，並且涉及仔細切割光纖、精確對準纖芯以及將這些對準的纖芯耦合。對於需要永久連接的應用，熔接接頭很常見。在該技術中，使用電弧將纖維的末端熔化在一起。另一種常見的技術是機械接頭，光纖的末端透過機械力保持接觸。臨時或半永久連接是透過專用光纖連接器進行的。[ 12 ]
與光纖設計和應用相關的應用科學和工程領域被稱為光纖。該術語由印裔美國物理學家納林德·辛格·卡帕尼 (Narinder Singh Kapany)創造。[ 13 ]
歷史
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1840 年代初期，Daniel Colladon和Jacques Babinet在巴黎首次展示了透過折射引導光的原理，這項原理使光纖成為可能。 [ 14 ] 12 年後，約翰‧廷德爾 (John Tyndall)在倫敦的公開演講中對此進行了演示。 [ 15 ]廷德爾也在1870 年一本關於光的本質的介紹書中寫到了全內反射的性質： [ 16 ] [ 17 ]
19 世紀末，維也納的一群醫生透過彎曲的玻璃棒引導光線照亮體腔。[ 18 ]二十世紀初，諸如牙科期間的近距離內部照明之類的實際應用隨之而來。1920 年代，無線電實驗家克拉倫斯·漢塞爾 (Clarence Hansell)和電視先驅約翰·洛吉·貝爾德 (John Logie Baird)獨立演示了透過管道的影像傳輸。 20 世紀 30 年代，海因里希·拉姆 (Heinrich Lamm)展示了人們可以透過一束裸露光纖傳輸影像，並將其用於內部醫學檢查，但他的工作基本上被遺忘了。[ 15 ] [ 19 ]
1953 年，荷蘭科學家Bram van Heel首次演示了透過具有透明包層的光纖束進行影像傳輸。[ 19 ]同年晚些時候，倫敦帝國學院的Harold Hopkins和Narinder Singh Kapany成功製作了由10,000 多根光纖組成的圖像傳輸束，隨後透過由數千根光纖組合而成的75 公分長的束實現了影像傳輸。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]第一台實用的光纖半柔性胃鏡於1956年由獲得專利。、C. Wilbur Peters和Lawrence E. CurtissBasil Hirschowitz密西根大學[ 19 ]
Kapany於 1960 年在《科學美國人》上發表了一篇文章，向廣大讀者介紹了光纖這個主題，隨後創造了光纖這個術語。隨後他寫了第一本關於這個新領域的書。[ 19 ] [ 22 ]
1965年，德國物理學家Manfred Börner在烏爾姆的Telefunken研究實驗室展示了第一個可用的光纖資料傳輸系統，隨後於1966年首次申請了該技術的專利。，NASA 使用光纖在發送到月球的電視攝影機中。當時，攝影機的使用屬於機密 ，操作攝影機的員工必須受到具有適當安全許可的人員的監督。[ 25 ]
英國標準電話電纜公司 (STC) 的Charles K. Kao和George A. Hockham最先提出了這樣的想法：光纖的衰減可以降低到每公里 20分貝(dB/km) 以下，從而使光纖成為實用通訊介質， 1965年。他們正確、系統地對光纖的光損耗特性進行了理論分析，並指出了用於此類光纖的正確材料——高純度石英玻璃。這項發現為高錕贏得了2009年諾貝爾物理學獎。首次實現的。[ 28 ]他們透過在石英玻璃中摻雜鈦，展示了一種衰減率為 17 dB/km 的光纖。幾年後，他們使用二氧化鍺作為纖雜劑生產出了衰減僅為 4 dB/km 的光纖。 1981 年，通用電氣生產出可拉製成 25 英里（40 公里）長的熔融石英錠。 [ 29 ]
最初，高品質光纖只能以每秒 2 公尺的速度製造。化學工程師Thomas Mensah於 1983 年加入康寧，將製造速度提高到每秒 50 公尺以上，使光纖電纜比傳統銅纜更便宜。[ 30 ] [自行發布來源] [ 31 ] [ 32 ]這些創新開創了光纖電信時代。
義大利研究中心CSELT與康寧公司合作開發實用光纖電纜，並於 1977 年在都靈部署了第一條城域光纖電纜。。[ 35 ]
現代光纜的衰減遠小於銅纜，因此可實現中繼距離為 70-150 公里（43-93 英里）的長距離光纖連接。由南安普敦大學的David N. Payne和貝爾實驗室的Emmanuel Desurvire領導的兩個團隊開發了摻鉺光纖放大器，透過減少或消除光纖中繼器來降低長距離光纖系統的成本，分別於1986年和1987年。[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]
光子晶體的新興領域導致了 1991 年光子晶體光纖的發展，[ 39 ]它透過週期性結構的衍射而不是全內反射來引導光。第一個光子晶體光纖於2000 年投入商業應用。這些纖維可以具有空心。[ 41 ]
用途
[編輯]溝通
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光纖被用作電信和電腦網路的介質，因為它很靈活並且可以捆綁為電纜。它對於長距離通訊尤其有利，因為與電纜中的電流相比，紅外線光通過光纖傳播的衰減要低得多。這樣就可以用很少的中繼器跨越很長的距離。
已部署系統中的典型速率為 10 或 40 Gbit/s。[ 42 ] [ 43 ]
透過使用波分複用(WDM)，每根光纖可以承載許多獨立的通道，每個通道使用不同的光波長。每根光纖的淨資料速率（無開銷位元組的資料速率）是每通道資料速率減去前向糾錯(FEC) 開銷，再乘以通道數量（截至 2008 年，在商業密集 WDM系統中通常最多為80 個） ）。
| 日期 | 里程碑 |
|---|---|
| 2006年 | NTT提供111 Gbit/s。[ 44 ] [ 45 ] |
| 2009年 | 貝爾實驗室提供的 100 Pbit/s·km（單支 7000 km 光纖上 15.5 Tbit/s）。[ 46 ] |
| 2011年 | 單核上 101 Tbit/s（370 個通道，每個通道 273 Gbit/s）。[ 47 ] |
| 2013年1月 | 透過多芯（光路）光纖電纜進行 1.05 Pbit/s 傳輸。[ 48 ] |
| 2013年6月 | 使用 4 模式軌道角動量復用的單通道 400 Gbit/s 。[ 49 ] |
| 2022 年 10 月 | 使用光子晶片的 1.84 Pbit/s [ 50 ] [ 51 ] |
| 2023 年 10 月 | 22.9 Pbit/s，NICT [ 52 ] |
對於短距離應用，例如辦公大樓中的網路（請參閱光纖到辦公室），光纖佈線可以節省電纜管道的空間。這是因為單根光纖可以比電纜（例如標準5 類電纜）傳輸更多的數據，後者通常以 100 Mbit/s 或 1 Gbit/s 的速度運行。
光纖通常也用於設備之間的短距離連接。例如，大多數高清電視都提供數位音訊光纖連接。這允許使用S/PDIF協定透過光學TOSLINK連接透過光傳輸音訊。
感應器
[編輯]光纖在遙感領域有多種用途。在某些應用中，光纖本身就是感測器（光纖將光線傳輸到分析光特性變化的處理設備）。在其他情況下，光纖用於將感測器連接到測量系統。
光纖可用作感測器來測量應變、溫度、壓力和其他量，方法是修改光纖，使被測量的特性調製光纖中光的強度、相位、偏振、波長或傳輸時間。改變光強度的感測器是最簡單的，因為只需要簡單的光源和偵測器。此類光纖感測器的一個特別有用的功能是，如果需要，它們可以在長達一公尺的距離內提供分散式感測。分佈式聲學感測就是其中一個例子。
相較之下，可以透過將微型感測元件與光纖尖端整合來提供高度局部化的測量。[ 53 ]這些可以透過各種微米和奈米製造技術來實現，這樣它們就不會超出纖維尖端的微觀邊界，從而允許透過皮下針插入血管等應用。
外在光纖感測器使用光纖電纜（通常是多模電纜）來傳輸來自非光纖感測器或連接到光發射器的電子感測器的調製光。外置感測器的一個主要優點是它們能夠到達原本無法到達的地方。一個例子是透過使用光纖將輻射傳輸到引擎外部的高溫計來測量噴射引擎內部的溫度。外部感測器可以以相同的方式用於測量電力變壓器的內部溫度，其中存在的極端電磁場使得其他測量技術無法實現。外部感測器測量振動、旋轉、位移、速度、加速度、扭矩和扭轉。利用光干涉的固態陀螺儀已經開發出來。光纖陀螺儀( FOG) 沒有移動部件，利用薩尼亞克效應來偵測機械旋轉。
光纖感測器的常見用途包括先進的入侵偵測安全系統。光沿著放置在柵欄、管道或通訊電纜上的光纖感測器電纜傳輸，並且對返回的訊號進行監控和分析以排除乾擾。此返回訊號經過數位處理，以偵測幹擾並在發生入侵時發出警報。
光纖廣泛用作光學化學感測器和光學生物感測器的組件。[ 54 ]
動力傳輸
[編輯]光纖可用於傳輸電力，使用光伏電池將光轉換為電能。[ 55 ]雖然這種電力傳輸方法不如傳統方法有效，但它在不希望有金屬導體的情況下特別有用，例如在產生強磁場的 MRI 機器附近使用的情況。[ 56 ]其他範例包括為高功率天線元件中的電子設備和高壓傳輸設備中使用的測量設備供電。
其他用途
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光纖在醫療和其他應用中用作光導，在這些應用中，需要將亮光照射在沒有清晰視線路徑的目標上。許多顯微鏡使用光纖光源為正在研究的樣品提供強烈的照明。
光纖也用於成像光學。連貫的纖維束有時與透鏡一起用於稱為內視鏡的長而薄的成像設備，該設備用於透過小孔觀察物體。醫用內視鏡用於微創探查或外科手術。工業內視鏡（請參閱纖維鏡或管道鏡）用於檢查難以到達的任何物體，例如噴射引擎內部。
在某些建築物中，光纖將陽光從屋頂傳送到建築物的其他部分（請參閱非成像光學元件）。光纖燈用於裝飾應用中的照明，包括標誌、藝術品、玩具和人造聖誕樹。光纖是透光混凝土建築產品LiTraCon的固有組成部分。
光纖還可用於結構健康監測。這種類型的感測器可以檢測可能對結構產生持久影響的應力。它是基於測量模擬衰減的原理。
在光譜學中，光纖束將光從光譜儀傳輸到無法放置在光譜儀本身內部的物質，以分析其組成。光譜儀透過反射光並穿過物質來分析物質。透過使用光纖，光譜儀可用於遠端研究物體。[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]
摻有鉺等稀土元素的光纖可用作光纖雷射或光放大器的增益介質。透過將一小段摻雜光纖拼接成常規（未摻雜）光纖線路，稀土摻雜光纖可用於提供訊號放大。摻雜光纖透過第二雷射波長進行光泵浦，除了訊號波之外，第二雷射波長也耦合到線路中。兩個波長的光都透過摻雜光纖傳輸，該光纖將能量從第二泵浦波長傳輸到訊號波。引起放大的過程就是受激發射。
光纖也被廣泛用作非線性介質。玻璃介質支持許多非線性光學相互作用，並且光纖中可能的長相互作用長度促進了各種現象，這些現象可用於應用和基礎研究。[ 60 ]相反，光纖非線性會對光訊號產生有害影響，通常需要採取措施來盡量減少這種不良影響。
手槍、步槍和霰彈槍的光纖瞄準器使用光纖來提高瞄準器上標記的可見度。
工作原理
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光纖是圓柱形介質波導（非傳導波導），透過全內反射過程沿其軸傳輸光。光纖由包層包圍的纖芯組成，兩者均由介電材料製成。[ 61 ]為了將光訊號限制在纖芯中，纖芯的折射率必須大於包層的折射率。纖芯和包層之間的邊界可以是突變的（在階梯折射率光纖中），或是漸變的（在漸變折射率光纖中） 。可使用雷射或LED將光輸入光纖。
光纖不受電幹擾，因為不同電纜中的訊號之間不存在串擾，也不會拾取環境雜訊。在光纖內傳輸的訊息甚至不受核裝置產生的電磁脈衝的影響。 [二] [ 62 ]
光纖電纜不會導電，這使得光纖可用於保護高壓環境中的通訊設備，例如發電設施或容易遭受雷擊的應用。電氣隔離還可以防止接地環路問題。由於光纜中不含可能產生火花的電力，因此可以在有爆炸性煙霧的環境中使用。與電氣連接相比，竊聽（在本例中為光纖竊聽）更加困難。
光纖電纜不是金屬竊盜的目標。相較之下，銅電纜系統使用大量銅，自2000 年代大宗商品繁榮以來就成為目標。
折射率
[編輯]折射率是測量材料中光速的一種方法。光在真空中傳播得最快，例如在外太空。真空中的光速約為每秒300,000公里（186,000 英里）。介質的折射率是透過將真空中的光速除以該介質中的光速來計算的。因此，根據定義，真空的折射率為 1。用於電信的典型單模光纖具有由純二氧化矽製成的包層，在 1500 nm 處的折射率為 1.444，以及由折射率約為 1.4475 的摻雜二氧化矽製成的纖芯。[ 61 ]折射率越大，光在該介質中傳播的速度越慢。根據這些訊息，一個簡單的經驗法則是，使用光纖進行通訊的訊號將以每秒 200,000 公里左右的速度傳播。因此，在相距 16,000 公里的悉尼和紐約之間通過光纖傳輸電話意味著至少有 80 毫秒的延遲（大約一個呼叫者說話和另一個呼叫者聽到之間的時間（一秒）。[三]
全內反射
[編輯]當在光密介質中傳播的光以陡峭的入射角（大於邊界的臨界角）撞擊邊界時，光被完全反射。這稱為全內反射。這種效應用於光纖中以將光限制在纖芯中。大多數現代光纖都是弱導光纖，這意味著纖芯和包層之間的折射率差異非常小（通常小於 1%）。[ 63 ]光穿過纖芯，在纖芯與包層之間的邊界來回反射。
由於光必須以大於臨界角的角度撞擊邊界，因此只有在一定角度範圍內進入光纖的光才能沿著光纖傳播而不會洩漏出去。這個角度範圍稱為光纖的接收錐。與光纖軸存在一個最大角度，光可以在該角度進入光纖，從而使其在光纖的芯中傳播或行進。此最大角度的正弦就是光纖的數值孔徑(NA)。與具有較小 NA 的光纖相比，具有較大 NA 的光纖需要較低的熔接和工作精度。此接收錐體的尺寸是光纖纖芯和包層之間折射率差的函數。單模光纖的數值孔徑較小。
多模光纖
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大芯徑（大於10微米）的光纖可以透過幾何光學進行分析。從電磁分析來看，這種光纖稱為多模光纖（見下文）。在階梯折射率多模光纖中，光線透過全內反射沿著纖芯引導。以大於該邊界的臨界角的角度（相對於垂直於邊界的線測量的）與纖芯-包層邊界相交的光線被完全反射。臨界角由纖芯和包層材料之間的折射率差決定。以低角度與邊界相遇的光線從纖芯折射到它們終止的包層。臨界角決定了光纖的接收角，通常以數值孔徑表示。高數值孔徑允許光以接近軸和不同角度的光線沿著光纖傳播，從而允許光有效耦合到光纖中。然而，這種高數值孔徑會增加色散量，因為不同角度的光線具有不同的路徑長度，因此穿過光纖所需的時間也不同。
在漸變折射率光纖中，纖芯的折射率在軸和包層之間連續減少。這使得光線在接近包層時平滑地彎曲，而不是從纖芯-包層邊界突然反射。由此產生的彎曲路徑減少了多路徑色散，因為高角度光線更多地穿過纖芯的低折射率外圍，而不是高折射率中心。選擇折射率分佈以最小化光纖中各種光線的軸向傳播速度的差異。這種理想的折射率分佈非常接近折射率與軸的距離之間的拋物線關係。 [需要引用]
單模光纖
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1. 纖芯：直徑 8 μm
2. 包層：直徑 125 μm
3. 緩衝液：直徑250μm
4. 護套：直徑400μm
芯直徑小於傳播光波長約十倍的光纖無法使用幾何光學建模。相反，必須將其作為電磁波導結構進行分析，根據麥克斯韋方程式簡化為電磁波方程式。[ d ]作為光波導，光纖支援一種或多種受限橫模，光可以透過這些橫模沿著光纖傳播。僅支援一種模式的光纖稱為單模。[ e ]波導分析顯示光纖中的光能並未完全限制在纖芯中。相反，特別是在單模光纖中，束縛模式的能量的很大一部分以倏逝波的形式在包層中傳播。最常見的單模光纖類型的芯直徑為 8-10 微米，設計用於近紅外線。相較之下，多模光纖的纖芯直徑小至 50 微米，大至數百微米。
特殊用途纖維
[編輯]一些特殊用途的光纖由非圓柱形芯或包層構成，通常具有橢圓形或矩形橫截面。其中包括光纖感測器中使用的保偏光纖和旨在抑制回音壁模式傳播的光纖。
光子晶體光纖由折射率變化的規則圖案製成（通常以沿著光纖長度延伸的圓柱形孔的形式）。這種光纖使用衍射效應來取代全內反射或除了全內反射之外，將光限制在光纖的芯部。纖維的特性可以根據各種應用進行客製化。
衰減機制
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光纖中的衰減，也稱為傳輸損耗，是指光訊號通過傳輸介質時強度的降低。光纖中的衰減係數通常以 dB/km 為單位表示。介質通常是石英玻璃纖維[ f ]，將入射光束限制在其中。衰減是限制數位訊號遠距離傳輸的重要因素。因此，許多研究都集中在限制光訊號的衰減和最大化光訊號的放大。四十年來，石英光纖的衰減降低了四個數量級，這是製造流程、原料純度、預製棒和光纖設計不斷改進的結果，這使得這些光纖接近理論衰減下限。[ 64 ]
單模光纖可以製成損耗極低的。 Corning 的 Vascade® EX2500 光纖是一種用於電信波長的低損耗單模光纖，在 1550 nm 處的標稱衰減為 0.148 dB/km。[ 65 ] 10 公里長的此類光纖可傳輸近 71% 的 1550 nm 光能。
光纖中的衰減主要是由散射和吸收引起的。在基於氟化物玻璃的光纖（例如 ZBLAN）中，最小衰減受到雜質吸收的限制。絕大多數光纖都是基於石英玻璃，其中雜質吸收可以忽略不計。在石英光纖中，衰減是由內在機制決定的：光傳播通過的玻璃中的瑞利散射，以及同一玻璃中的紅外線吸收。二氧化矽中的吸收在波長高於 1570 nm 時急劇增加。在對電信最有用的波長處，瑞利散射是主要的損耗機制。創紀錄的低損耗光纖在1550 nm 的衰減成分如下：瑞利散射損耗：0.1200 dB/km，紅外線吸收損耗：0.0150 dB/km，雜質吸收損耗：0.0047 dB/km，波導缺陷損耗：0.0010 dB/ km公里。
光散射
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光透過光纖芯的傳播是基於光波的全內反射（就幾何光學而言）或導模（就電磁波導而言）。在典型的單模光纖中，大約75%的光透過具有較高折射率的芯材料傳播，大約25%的光透過具有較低折射率的包層傳播。纖芯和包層玻璃之間的界面非常光滑，不會產生顯著的散射損耗或波導缺陷損耗。散射損耗主要源自於構成纖芯和包層的玻璃體中的瑞利散射。
光學品質玻璃纖維中的光散射是由玻璃結構中的分子水平不規則性（成分波動）引起的。事實上，一種新興的思想流派認為玻璃只是多晶固體的極限情況。在這個框架內，表現出不同程度的短程有序的域成為金屬以及玻璃和陶瓷的組成部分。分佈在這些域之間和域內的是微觀結構缺陷，為光散射提供了最理想的位置。
散射取決於被散射光的波長和散射中心的大小。從光纖散射的光強度的角度依賴性與瑞利散射的角度依賴性相匹配，表明散射中心比傳播光的波長小得多。它源自於由玻璃的假想溫度驅動的密度波動，以及纖芯和包層中摻雜劑的濃度波動。瑞利散射係數R可以表示為：其中R d表示密度波動的瑞利散射，R c表示摻雜劑濃度波動的瑞利散射。使用二氧化鍺或氟等摻雜劑 來產生纖芯和包層之間的折射率差，以形成波導結構。其中λ為波長，n為折射率，p為光彈性係數，β c為等溫壓縮係數，k B為玻爾茲曼常數，T f為假想溫度。影響密度波動散射的唯一物理顯著變數是玻璃的假想溫度，較低的假想溫度會導致更均勻的玻璃和更低的瑞利散射。假想溫度可顯著降低約100重量％。纖芯中鹼金屬氧化物摻雜劑的濃度為 ppm，且在光纖拉製過程中光纖的冷卻速度較慢。這些方法用於生產衰減最低的光纖，特別是用於海底電信電纜的光纖。
對於小摻雜劑濃度，R c與x (d n /d x ) 2成比例，其中x是SiO 2基玻璃中摻雜劑的摩爾分數， n是玻璃的折射率。當使用GeO 2摻雜劑來提高纖芯折射率時，會增加瑞利散射的濃度波動分量，進而增加光纖的衰減。這就是為什麼最低衰減光纖不在纖芯中使用GeO 2，而是在包層中使用氟，以降低包層的折射率。純石英芯光纖中的R c與LP01模式和包層中氟引起的濃度波動分量之間的重疊積分成正比。
在鉀摻雜純矽芯 (KPSC) 光纖的纖芯中，只有密度波動起著重要作用，因為 K 2 O、氟和氯的濃度非常低。纖芯中的密度波動透過鉀摻雜產生的較低假想溫度得到緩和，並且透過光纖拉製過程中的退火進一步降低。這與包層不同，包層中較高的氟摻雜劑水平和由此產生的濃度波動會增加損耗。在這種光纖中，與透過光纖包層段傳播的光相比，透過纖芯傳播的光經歷較低的散射和較低的衰減。
在高光功率下，光纖中的非線性光學過程也會造成散射。[ 66 ] [ 67 ]
紫外-可見-紅外線吸收
[編輯]除了光散射之外，由於特定波長的選擇性吸收也會衰減或訊號損失。主要材料考慮因素包括電子和分子，如下所示：
- 在電子層面上，這取決於電子軌道是否間隔（或“量子化”），以便它們可以吸收紫外線（UV）或可見光範圍內特定波長或頻率的光（或光子）量子。這就是顏色產生的原因。
- 在原子或分子層面上，它取決於原子或分子振動或化學鍵的頻率、其原子或分子的堆積程度以及原子或分子是否表現出長程有序。這些因素將決定材料傳輸紅外線 (IR)、遠紅外線、無線電和微波範圍內較長波長的能力。
任何光學透明裝置的設計都需要根據其特性和限制來選擇材料。在較低頻率區域（中遠紅外線波長範圍）觀察到的晶體結構吸收特性定義了材料的長波長透明度極限 。它們是固體晶格的組成原子和分子的熱致振動運動與入射光波輻射之間相互作用耦合的結果。因此，所有材料都受到遠紅外線 (>10 μm) 中原子和分子振動（鍵拉伸）引起的吸收限制區域的限制。
換句話說，特定材料對紅外光的選擇性吸收發生是因為所選的光波頻率與該材料的顆粒振動的頻率（或頻率的整數倍，即諧波）相符。由於不同的原子和分子具有不同的固有振動頻率，因此它們會選擇性地吸收不同頻率（或光譜部分）的紅外光。
光波的反射和傳播是由於光波的頻率與物體振動的自然共振頻率不匹配而發生的。當這些頻率的紅外線照射到物體時，能量會被反射或傳遞。
損失預算
[編輯]由於包含連接器和接頭，電纜線路上的衰減顯著增加。在計算發射器和接收器之間可接受的衰減（損耗預算）時，包括：
- 由於光纜類型和長度而產生的 dB 損耗，
- 連接器所引入的 dB 損耗，以及
- 接頭引入的 dB 損耗。
在拋光良好的連接器上，每個連接器通常會引入 0.3 dB 的雜訊。每個接頭通常會產生小於 0.2 dB 的雜訊。[需要引用]
總損失可按下式計算：
- 損耗 = 每個連接器的 dB 損耗 × 連接器的數量 + 每個熔接的 dB 損耗 × 熔接數量 + 每公里的 dB 損耗 × 光纖公里數，
其中每公里的 dB 損耗是光纖類型的函數，可以在製造商的規格中找到。例如，典型的 1550 nm 單模光纖每公里損耗為 0.3 dB。[需要引用]
測試時使用計算出的損耗預算來確認測量的損耗在正常工作參數範圍內。
製造業
[編輯]材料
[編輯]玻璃光纖幾乎總是由二氧化矽製成，但一些其他材料，例如氟鋯酸鹽、氟鋁酸鹽和硫屬化物玻璃以及藍寶石等晶體材料，用於較長波長的紅外線或其他特殊應用。二氧化矽和氟化物玻璃的折射率通常約為 1.5，但某些材料（例如硫族化物）的折射率可高達3。 。
塑膠光纖(POF) 通常是纖芯直徑 0.5 毫米或更大的階梯折射率多模光纖。 POF 通常具有比玻璃光纖更高的衰減係數，為 1 dB/m 或更高，這種高衰減限制了基於 POF 的系統的範圍。
二氧化矽
[編輯]二氧化矽在很寬的波長範圍內表現出相當好的光傳輸性。在光譜的近紅外線（近 IR）部分，特別是 1.5 μm 左右，二氧化矽可以具有極低的吸收和散射損耗，約為 0.2 dB/km。如此低的損耗取決於使用超純二氧化矽。透過保持低濃度的羥基(OH) ，可以實現 1.4 μm 區域的高透明度。或者，高 OH濃度更有利於紫外線(UV) 區域的傳輸。[ 68 ]
二氧化矽可以在相當高的溫度下拉製成纖維，並且具有相當寬的玻璃化轉變範圍。另一個優點是石英光纖的熔接和切割相對有效。二氧化矽纖維還具有較高的機械強度，可以抵抗拉力甚至彎曲，前提是纖維不太厚並且表面在加工過程中經過充分處理。即使是簡單地切割光纖末端也可以提供具有可接受的光學品質的非常平坦的表面。二氧化矽也具有相對的化學惰性。特別是它不吸濕（不吸水）。
石英玻璃可以摻雜各種材料。摻雜的目的之一是提高折射率（例如使用二氧化鍺（GeO 2）或氧化鋁（Al 2 O 3））或降低折射率（例如使用氟或三氧化硼（B 2 O 3））。也可以使用雷射活性離子（例如稀土摻雜光纖）進行摻雜，以獲得要用於例如光纖放大器或雷射應用中的活性光纖。光纖芯和包層通常都是摻雜的，因此整個組件（芯和包層）實際上是相同的化合物（例如鋁矽酸鹽、鍺矽酸鹽、磷矽酸鹽或硼矽酸鹽玻璃） 。
特別是對於活性光纖，純二氧化矽通常不是非常合適的基質玻璃，因為它對稀土離子的溶解度較低。由於摻雜離子的聚集，這可能導致猝滅效應。鋁矽酸鹽在這方面更有效。
石英光纖也表現出較高的光學損傷閾值。這項特性確保了雷射誘導擊穿的可能性較低。當光纖放大器用於放大短脈衝時，這對光纖放大器來說非常重要。
由於這些特性，石英光纖成為許多光纖應用的首選材料，例如通訊（塑膠光纖的極短距離除外）、光纖雷射、光纖放大器和光纖感測器。在開發各種類型的二氧化矽纖維方面付出的巨大努力進一步提高了此類纖維相對於其他材料的性能。[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]
氟化玻璃
[編輯]氟化物玻璃是一類由多種金屬的氟化物組成的非氧化物光學品質玻璃。由於這些玻璃的黏度較低，在透過玻璃化轉變（或從熔體中拉製光纖）對其進行加工時很難完全避免結晶。因此，雖然重金屬氟化物玻璃（HMFG）表現出非常低的光學衰減，但它們不僅難以製造，而且非常脆弱，並且對濕氣和其他環境攻擊的抵抗力很差。它們的最佳屬性是它們缺乏與羥基（OH）基團（3,200–3,600 cm -1 ；即2,777–3,125 nm或2.78–3.13 μm）相關的吸收帶，而幾乎所有氧化物玻璃中都存在該吸收帶。如此低的損耗在實踐中從未實現，而且氟化物光纖的脆弱性和高成本使其不太適合作為主要候選材料。
氟化物光纖用於中紅外光譜、光纖感測器、測溫和成像。氟化物光纖可用於在 2.9 μm 的 YAG（釔鋁石榴石）雷射等介質中進行引導光波傳輸，以滿足醫療應用（例如眼科和牙科）的要求。[ 77 ] [ 78 ]
重金屬氟化物玻璃的例子是ZBLAN玻璃組，由鋯、鋇、鑭、鋁和鈉氟化物組成。它們的主要技術應用是作為平面和光纖形式的光波導。它們在中紅外線（2,000–5,000 nm）範圍內尤其具有優勢。
磷酸鹽玻璃
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磷酸鹽玻璃是由多種金屬的偏磷酸鹽組成的一類光學玻璃。這種玻璃的結構單元不是矽酸鹽玻璃中觀察到的 SiO 4 四面體，而是五氧化二磷(P 2 O 5 )，它至少以四種不同的形式結晶。最熟悉的多晶型是P 4 O 10的籠狀結構。
對於高濃度摻雜稀土離子的光纖來說，磷酸鹽玻璃比石英玻璃更有優勢。氟化物玻璃和磷酸鹽玻璃的混合物是氟磷酸鹽玻璃。[ 79 ] [ 80 ]
硫系玻璃
[編輯]硫屬元素－元素週期表第 16 族的元素－特別是硫(S)、硒(Se) 和碲(Te)－與更多正電性元素（例如銀）反應，形成硫屬化物。這些是用途極為廣泛的化合物，因為它們可以是晶體或非晶體、金屬或半導體、以及離子或電子的導體。硫系玻璃可用於製造遠紅外線傳輸光纖。[ 81 ]
流程
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瓶坯
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標準光纖的製造方法是，首先建造具有精心控制的折射率分佈的大直徑預製棒，然後拉製預製棒以形成長而細的光纖。預製件通常透過三種化學氣相沉積方法製造：內部氣相沉積、外部氣相沉積和氣相軸向沉積。[ 82 ]
在內部氣相沉積中，預成型件最初是一根長約 40 公分（16 英寸）的中空玻璃管，水平放置並在車床上緩慢旋轉。四氯化矽(SiCl 4 ) 或四氯化鍺(GeCl 4 )等氣體與氧氣一起注入管末端。然後透過外部氫氣燃燒器加熱氣體，使氣體溫度達到 1,900 K（1,600 °C，3,000 °F），其中四氯化物與氧氣反應生成二氧化矽或二氧化鍺顆粒。當選擇的反應條件允許該反應在整個管體積的氣相中發生時，與反應僅發生在玻璃表面上的早期技術相比，該技術稱為改進的化學氣相沉積。
然後氧化物顆粒聚集形成大顆粒鏈，隨後作為煙灰沉積在管壁上。沉積是由於氣體核心和壁之間的巨大溫差導致氣體在稱為熱泳的過程中將顆粒向外推出。然後，焊炬沿著管子的長度上下移動，以均勻地沉積材料。當火炬到達管的末端後，它會被帶回管的起始處，然後沉積的顆粒被熔化以形成固體層。重複此過程直到沉積了足夠量的材料。對於每一層，可以透過改變氣體成分來改變成分，從而精確控製成品光纖的光學特性。
在外部氣相沉積或氣相軸向沉積中，玻璃是透過火焰水解形成的，火焰水解是四氯化矽和四氯化鍺在氫氧火焰中與水反應而被氧化的反應。在外部氣相沉積中，玻璃沉積在實心棒上，在進一步加工之前將其移除。在氣相軸向沉積中，使用短籽晶棒，並在其端部建造多孔預製件，其長度不受源棒尺寸的限制。透過加熱至約 1,800 K（1,500 °C，2,800 °F），多孔預成型件被固結成透明的固體預成型件。
典型的通訊光纖使用圓形預製棒。對於某些應用，例如雙包層光纖，優選另一種形式。[ 83 ]在基於雙包層光纖的光纖雷射中，不對稱形狀提高了雷射泵浦的填充因子。
由於表面張力的存在，形狀在拉絲過程中變得平滑，並且所得光纖的形狀不會再現預製件的鋒利邊緣。然而，預製件的仔細拋光很重要，因為預製件表面的任何缺陷都會影響所得光纖的光學和機械性能。
繪畫
[編輯]無論結構如何，預製棒都被放置在稱為拉絲塔的設備中，其中預製棒尖端被加熱，光纖被拉出為繩索。可以控制纖維上的張力以維持所需的纖維厚度。
包層
[編輯]光由折射率較低的光學包層引導至光纖纖芯，並透過全內反射將光捕獲在纖芯中。對於某些類型的光纖，包層由玻璃製成，並與芯一起從折射率徑向變化的預製棒中拉製而成。對於其他類型的光纖，包層由塑膠製成，並且像塗層一樣應用（見下文）。
塗料
[編輯]包層塗有緩衝層（不要與實際的緩衝管混淆），可保護其免受潮濕和物理損壞。[ 70 ]這些塗層是在拉絲過程中塗在光纖外部的紫外線固化聚氨酯丙烯酸酯複合材料或聚醯亞胺材料。這些塗層可以保護非常脆弱的玻璃纖維束（大約是人類頭髮的大小），並使其能夠經受嚴格的製造、驗證測試、佈線和安裝。必須從光纖上剝去緩衝塗層才能進行端接或熔接。
現今的玻璃光纖拉製製程採用雙層塗層方法。內部初級塗層被設計用作減震器，以最大限度地減少微彎曲引起的衰減。外部二次塗層可保護主塗層免受機械損壞，並充當橫向力的屏障，並且可以著色以區分成束電纜結構中的絞線。這些光纖塗層是在光纖拉製過程中施加的，速度接近每小時 100 公里（60 英里/小時）。光纖塗層使用以下兩種方法之一進行塗覆：濕碰乾和濕碰濕。在乾濕法中，纖維經過一次塗層塗覆，然後進行紫外線固化，然後經過二次塗層塗覆，隨後進行固化。在濕碰濕中，纖維經過初級和次級塗層應用，然後進行紫外線固化。[ 84 ]
在計算光纖在不同彎曲配置下承受的應力時，應考慮塗層的厚度。[ 85 ]當塗層光纖纏繞在心軸上時，光纖所承受的應力由下式給出： [ 85 ] : 45 其中E是光纖的楊氏模量，d m是芯軸的直徑，d f是包層的直徑，d c是塗層的直徑。
在兩點彎曲配置中，塗層光纖被彎曲成 U 形，並放置在兩個面板的凹槽之間，面板被聚在一起直到光纖斷裂。此配置中光纖中的應力由下式給出：[ 85 ]：47 其中d是面板之間的距離。係數 1.198 是與此配置相關的幾何常數。
光纖塗層可保護玻璃纖維免受可能導致強度下降的刮痕。濕氣和刮痕的結合加速了纖維強度的老化和惡化。當纖維長期承受低應力時，會發生纖維疲勞。隨著時間的推移或在極端條件下，這些因素結合起來會導致玻璃纖維中的微觀缺陷蔓延，最終導致纖維失效。
光纖波導的三個關鍵特性可能會受到環境條件的影響：強度、衰減和對微彎曲造成的損耗的抵抗力。外部光纖電纜護套和緩衝管可保護玻璃光纖免受可能影響光纖性能和長期耐用性的環境條件的影響。在內部，塗層確保了所傳輸訊號的可靠性，並有助於最大限度地減少微彎曲引起的衰減。
電纜施工
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在實際光纖中，包層通常塗有堅韌的樹脂，並具有額外的緩衝層，該緩衝層可能進一步被護套層（通常是塑膠）包圍。這些層增加了光纖的強度，但不影響其光學特性。剛性光纖組件有時會在光纖之間放置吸光玻璃，以防止從一根光纖洩漏的光進入另一根光纖。這減少了光纖之間的串擾，或減少了光纖束成像應用中的耀斑。 [ 86 ] [ 87 ]多纖光纜通常使用彩色緩衝區來辨識每條線。
現代電纜有各種各樣的護套和鎧裝，專為諸如直埋在溝渠中、高壓隔離、作為電力線雙重用途、[ 88 ] [驗證失敗]安裝在導管中、綁紮到空中電話桿、潛艇等應用 設計。
一些光纜版本採用芳綸紗線或玻璃紗線作為中間強度構件來增強。從商業角度來看，使用玻璃紗更具成本效益，且不會損失機械耐久性。玻璃紗還可以保護電纜芯免受囓齒動物和白蟻的侵害。
實際問題
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安裝
[編輯]光纜非常柔韌，但如果光纖彎曲半徑小於 30 毫米左右，傳統光纖的損耗會大幅增加。當電纜在拐角處彎曲時，這會產生問題。可彎曲光纖旨在更輕鬆地在家庭環境中安裝，已標準化為 ITU-T G.657。這種類型的光纖可以以低至 7.5 毫米的半徑彎曲，而不會產生不利影響。甚至已經開發了更多可彎曲的纖維。[ 89 ]可彎曲光纖還可以抵抗光纖駭客攻擊，其中透過彎曲光纖並偵測洩漏來秘密監視光纖中的訊號。[ 90 ]
電纜的另一個重要特性是電纜承受拉力的能力，這決定了安裝過程中可以對電纜施加多大的力。
終止和拼接
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光纖透過光纖連接器連接到終端設備。這些連接器通常為標準類型，如FC、SC、ST、LC、MTRJ、MPO或SMA。光纖通常可以透過接插板上的連接器連接，或透過拼接永久連接，即將兩根光纖連接在一起以形成連續的光波導。普遍接受的熔接方法是熔接，即將光纖端部熔化在一起。為了更快地進行緊固工作，可以使用機械接頭。所有拼接技術都涉及安裝保護拼接的外殼。
熔接是透過專用儀器完成的。首先剝去光纖端部的保護性聚合物塗層（以及更堅固的外護套，如果有的話）。末端用精密切割刀切割，使其垂直，然後放入熔接機的特殊支架中。通常透過放大的觀察屏來檢查接頭，以檢查接頭前的劈裂和接頭後的熔合情況。熔接機利用小型馬達將端面對齊在一起，並在間隙處的電極之間發出小火花，燒掉灰塵和濕氣。然後熔接機產生更大的火花，使溫度升高到玻璃熔點以上，從而永久熔合兩端。仔細控制火花的位置和能量，以便熔化的纖芯和包層不會混合，從而最大限度地減少光學損失。熔接機透過將光引導穿過一側的包層並測量從另一側的包層洩漏的光來測量熔接損耗估計值。熔接損耗通常低於 0.1 dB。這一過程的複雜性使得光纖熔接比熔接銅線困難得多。
機械光纖接頭的設計目的是安裝更快、更容易，但仍需要剝離、仔細清潔和精密切割。光纖末端透過精密套管對齊並固定在一起，通常使用透明的折射率匹配凝膠來增強光在接頭上的傳輸。機械接頭通常具有較高的光學損耗，且不如熔接接頭堅固，特別是在使用凝膠的情況下。
光纖端接在連接器中，連接器精確、牢固地固定光纖端部。光纖連接器是一個剛性的圓柱體，周圍有一個套筒，該套筒將筒體固定在其配合插座中。配合機構可以是推入式、旋轉式和閂鎖式（卡口式安裝）或旋入式（螺紋式）。套筒通常可以在套筒內自由移動，並且可以具有鍵，以防止套筒和光纖在連接器配合時旋轉。
典型的連接器是透過準備光纖端並將其插入連接器主體的後部來安裝的。快速凝固黏合劑通常用於牢固地固定光纖，並且應變消除裝置固定在後部。一旦黏合劑凝固，纖維的末端就會被拋光。根據光纖類型和應用，使用不同的拋光輪廓。由此產生的訊號強度損失稱為間隙損失。對於單模光纖，光纖端通常經過拋光，具有輕微的曲率，使配對的連接器僅在其芯部接觸。這稱為物理接觸(PC) 拋光。可以以一定角度對彎曲表面進行拋光，以形成有角度的物理接觸（APC）連接。這種連接比 PC 連接具有更高的損耗，但大大減少了背向反射，因為從成角度的表面反射的光會從纖芯中洩漏出來。即使斷開連接，APC 光纖端部也具有低背向反射。
在 20 世紀 90 年代，每個連接器的零件數量、光纖的拋光以及每個連接器中需要烘烤環氧樹脂的需要使得端接光纖電纜變得困難。如今，市場上的連接器類型提供了更簡單、勞動強度更低的電纜端接方式。一些最受歡迎的連接器在工廠進行了預拋光，並在連接器內部包含凝膠。以所需的長度進行切割，以盡可能接近連接器內部已有的拋光件。凝膠圍繞著連接器內兩部分的交會點，光損失非常小。[ 91 ]對於最嚴苛的安裝，工廠預拋光的尾纖長度足以到達第一個熔接外殼，確保良好的性能並最大限度地減少現場勞動力。
自由空間耦合
[編輯]通常需要將一根光纖與另一根光纖或與諸如發光二極管、雷射二極體或調製器之類的光電器件對準。這可能涉及仔細對準光纖並將其與設備接觸，或者可以使用透鏡以允許透過氣隙耦合。通常，光纖模式的尺寸遠大於雷射二極體或矽光學晶片中模式的尺寸。在這種情況下，使用錐形或透鏡光纖來將光纖模場分佈與其他元件的模場分佈相匹配。光纖末端的透鏡可以透過拋光、雷射切割[ 92 ]或熔接形成。
在實驗室環境中，使用光纖發射系統耦合裸光纖端，該系統使用顯微鏡物鏡將光聚焦到一個細點。精密平移台（微定位台）用於移動透鏡、光纖或裝置，以優化耦合效率。末端帶有連接器的光纖使這個過程變得更加簡單：連接器只需插入預先對準的光纖準直器中，該準直器包含一個可以精確定位到光纖上或可調節的透鏡。為了實現單模光纖的最佳注入效率，光束的方向、位置、尺寸和發散度都必須進行最佳化。透過良好的優化，可以實現 70% 至 90% 的耦合效率。
對於經過適當拋光的單模光纖，如果使用良好的透鏡，即使在遠場，發射的光束也具有幾乎完美的高斯形狀。透鏡需要足夠大以支援光纖的全部數值孔徑，並且不得在光束中引入像差。通常使用 非球面透鏡。
光纖熔斷器
[編輯]在光強度高於每平方公分 2兆瓦時，當光纖受到衝擊或突然損壞時，可能會發生光纖熔斷。損傷產生的反射會在斷裂前立即使光纖蒸發，並且這種新的缺陷仍然具有反射性，因此損傷會以每秒1-3 公尺（4-11 公里/小時，2-8 英里/小時）的速度傳播回發射器。[ 93 ] [ 94 ]開放式光纖控制系統可確保光纖斷裂時雷射眼的安全，也能有效阻止光纖熔絲的傳播。 [ 95 ]在海底電纜等情況下，可能會使用高功率等級而不需要開放式光纖控制，發射器處的光纖熔斷器保護裝置可以斷開電路以最大程度地減少損壞。
色散
[編輯]纖維的折射率隨光的頻率略有變化，光源也不是完全單色的。用於傳輸訊號的光源的調製也稍微加寬了傳輸光的頻帶。結果是，在長距離和高調製速度下，光的不同部分可能需要不同的時間才能到達接收器，最終使訊號無法辨別。[ 96 ]這個問題可以透過多種方式克服，包括使用額外的中繼器和使用具有相反折射率梯度的相對較短的光纖長度。
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