4.9 光纤与波导¶
光纤（Optical Fiber）和光波导（Optical Waveguide）通过全内反射或折射率差约束，将光限制在微小截面内长距离传输，避免了自由空间传播中的衍射发散损失。光纤是现代通信网络的基础，也在光谱传感、内窥成像、光纤激光、激光传能等光电领域广泛应用。
一、光纤的基本结构与传光原理¶
1.1 结构¶
纤芯（Core）—— 折射率 n₁，导光区域
包层（Cladding）—— 折射率 n₂ < n₁，全内反射边界
涂覆层（Coating）—— 机械保护，防水防磨
外套（Jacket）—— 缓冲和强度保护
1.2 全内反射条件¶
纤芯折射率 $n_1$ 大于包层折射率 $n_2$，光在界面以大于临界角入射时发生全内反射：
$$\sin\theta_c = \frac{n_2}{n_1}$$
1.3 数值孔径（NA）¶
光纤能接受的最大入射半角（接受锥角）：
$$\text{NA} = \sin\theta_{max} = \sqrt{n_1^2 - n_2^2}$$
NA 越大，光纤收光能力越强（但模式数也越多）。典型值：单模光纤 NA ≈ 0.12，多模光纤 NA ≈ 0.2–0.5，粗芯多模 NA ≈ 0.5。
二、光纤类型¶
2.1 单模光纤（SMF）¶
纤芯极细（≈ 8–10 μm），在特定波长（1310/1550 nm）只允许基模传播：
- 无模式色散：所有光路等长，脉冲展宽极小。
- 带宽极高：可支持 Tb/s 级通信。
- 耦合困难：与光源耦合需精确对准（亚微米级）。
- 应用：长距离光纤通信（电信网络）、光纤干涉仪、高精度传感。
2.2 多模光纤（MMF）¶
纤芯较粗（50 μm 或 62.5 μm），允许多个模式传播：
- 耦合容易：对准公差大，与 LED 和激光器易耦合。
- 模式色散：不同模式传播速度不同，脉冲展宽，限制高速通信距离。
- 应用：短距局域网（数据中心）、工业传感、照明导光。
2.3 粗芯多模光纤（Large Core Fiber）¶
纤芯 100–1000 μm，NA 大（0.22–0.5），集光能力强：
- 应用：激光功率传输（工业激光切割焊接）、光谱探头、内窥镜照明。
2.4 保偏光纤（PM Fiber）¶
通过在纤芯引入双折射（椭圆包层或应力区，如 PANDA 型、Bow-Tie 型），使两个偏振态的传播速度不同，防止偏振态在传输中随机混合：
- 应用：光纤陀螺、相干通信、偏振维持传感系统。
2.5 特种光纤¶
| 类型 | 特点 | 应用 |
|---|---|---|
| 光子晶体光纤（PCF） | 包层为周期微孔阵列，可设计负色散 | 超连续谱产生、非线性光学 |
| 空芯光纤 | 光在空气中传播，色散极低 | 高功率激光传输、中红外 |
| 双包层光纤 | 泵浦光在外包层传播，信号在纤芯放大 | 光纤激光器（高功率） |
| 红外光纤 | 氟化物（ZBLAN）、硫化物、空芯，透过中远红外 | 红外光谱传感、医疗激光传能 |
三、光纤的主要损耗机制¶
| 损耗类型 | 来源 | 典型波段影响 |
|---|---|---|
| 瑞利散射 | 玻璃折射率的微观不均匀性，$\propto \lambda^{-4}$ | 短波段主导（<1 μm） |
| OH 吸收 | 光纤中残余水分（OH 键振动） | 1.38 μm 吸收峰 |
| 红外吸收 | SiO₂ 本征振动吸收 | >1.6 μm 增大 |
| 弯曲损耗 | 弯曲半径过小，光逃逸包层 | 弯曲过紧时急剧增加 |
| 接头损耗 | 对准偏差、NA 失配 | 连接处局部损耗 |
标准单模光纤最低损耗约 0.15 dB/km（1550 nm），这是当前硅基光纤的理论极限附近。
四、平面光波导¶
平面光波导（Planar Waveguide）是在基片（硅、玻璃、III-V族半导体）上制造的微纳级光传输结构，是集成光子学（Photonic Integrated Circuit, PIC）的基础：
| 类型 | 尺寸 | 应用 |
|---|---|---|
| 硅基波导（SOI） | 400 nm × 200 nm | 硅光芯片、片上光谱仪 |
| 氮化硅波导（SiN） | μm 量级 | 低损耗 PIC、频率梳 |
| LiNbO₃ 波导 | μm 量级 | 高速电光调制器 |
| III-V 族波导（InP、GaAs） | μm 量级 | 片上激光器、调制器 |
集成光子学正在将传统光谱仪、干涉仪、滤波器等功能集成到芯片尺度，推动光谱检测设备的小型化和成本下降。
五、光纤在公司业务中的应用¶
| 应用场景 | 光纤类型 | 作用 |
|---|---|---|
| 高光谱探头（远程采样） | 粗芯多模光纤束 | 将目标光谱传至仪器 |
| 激光功率传输（工业/医疗） | 大芯径多模光纤 | 无损传输激光能量 |
| 光纤激光器泵浦 | 双包层光纤 | 泵浦光耦合与放大 |
| 偏振灵敏传感 | 保偏光纤 | 维持偏振态稳定 |
参考资料¶
- Saleh & Teich, Fundamentals of Photonics (3rd Edition), Wiley — 第 8–10 章光纤与波导
- Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems (6th Edition), Wiley
- 光子晶体光纤综述: Russell, "Photonic Crystal Fibers", Science, 2003
更新时间¶
2026-03-03