光纖是一種介質光波導，通常由玻璃或者塑料制成，利用光的全反射原理進行光傳輸。光纖的基本結構包括纖芯、包層、涂覆層和護套，纖芯和包層為光纖結構的主體，對光波的傳播起著決定性作用，涂覆層與護套則主要用于隔離雜光，保護光纖。光纖的傳輸特性包括傳輸模式、損耗、色散、偏振、傳輸帶寬等。通常可以按照傳輸模式的不同，將光纖分為單模光纖和多模光纖。并且由于光纖組成材料的多樣性以及剖面折射率分布的差異，光纖的種類和功能非常豐富。不同光纖的制備方式也不盡相同，主要有氣相沉積技術和非氣相沉積工藝兩大類。光纖技術的發明最早可以追溯到19世紀，克拉頓發現光可沿彎曲水流傳導。之后的發展過程中，華裔科學家高錕為超低損耗光纖提出了理論基礎；1970年，低損光纖的問世，推動光纖向諸多領域的發展和使用，例如光通信、傳感探測、激光、醫療成像等。
概念簡述
光纖是“光導纖維”的簡稱，它是一種介質光波導。光纖波導是以玻璃或塑料等導光材料制成的纖維絲，其基本結構通常包括纖芯、包層、涂覆層和護套。
發展歷史
早期階段——光纖的發現和簡單應用
光纖相關的發現最早可以追溯到十九世紀。1841年，丹尼爾?克拉頓（Daniel Colladon）最早發現光可以通過彎曲的水流傳導。
直到1926年，英國的J.C. Baird首次提出，可以基于光的全反射制備石英光纖，并申請這一專利。
隨后的1930年，德國的拉姆(H. Lamm)將石英光纖束用于消化內鏡中光學圖像的傳輸。
成熟階段——工藝理論的建立和完善
涂層工藝的改進：1953年，荷蘭科學家Abraham Van Heel將低折射率的塑料涂在玻璃芯上，得到了滿足全反射條件的光纖。
拉絲工藝的誕生：1954年，美國的B.I. Hirschowitz采用高溫拉絲和套管方法，實現了具有高折射率內芯和低折射率包層并且不會漏光的光纖。這一方法也為光纖的生產工藝奠定了基礎。
超低損耗光纖的提出：1966年7月，華裔科學家高錕博士在PIEE雜志上發表論文《光頻率的介質纖維表面波導》，從理論上分析證明了用光纖作為傳輸媒體以實現光通信的可能性，提出光纖的衰減主要和其中的雜質有關，通過減少雜質以及改進工藝，可以極大的減小光纖的衰減，并預言了制造通信用的超低耗光纖的可能性，為光纖通信奠定了理論基礎。
光纖通信元年：1970年，美國康寧公司三名科研人員馬瑞爾、卡普隆、凱克用改進型化學相沉積法（MCVD法）成功研制成傳輸損耗只有20dB/km的低損耗石英光纖，不僅證實了高錕[kūn]等人的設想，而且使得光纖通信成為了可能。
CVD方法的使用：1972年，美國康寧公司將將化學氣相沉積方法用于光纖制作，光纖損耗進一步降至，光纖進入使用實用化階段。
現代化發展階段——光纖通訊的蓬勃發展
早期的光通信系統
時間：約1973-1981年期間
典型事件：1975年，美國貝爾實驗室開通世界上第一個光纖數字通信線路
光纖特點：主要為多模光纖（MM-Fiber），早期為階躍型多模光纖(SI-MM-Fiber)，后面為梯度多模光纖(GI-MM-Fiber)。
里程意義：光纖首次用于光通信系統，前期開發的是波長為850nm（又稱為第一窗口），后面又開發了1300nm（第二窗口）
單模光纖的商業化
標準的制定
2002 年5月，國際電信聯盟(ITU-T)發布了單模光纖通信系統按光波段劃分的標準——劃分為O、E、S、C、L、U帶。單模光纖的O帶為第2窗口(1260-1360nm)、C帶為第3窗口(1530-1565nm)、L帶為第4窗口(1565-1625nm)、E帶為第5窗口(1360-1460nm)；而多模光纖。
多模光纖型式按ITU-T的標準只有G.651光纖，波長為850nm(稱為第1 窗口)；按國際電工組織(IEC)的標準分為A1、A2、A3、A4四類多模光纖。
光纖在中國的發展
2022年6月，光纖用戶占比由2012年的不到10%提升至2021年的94.3%，行政村通寬帶實現全覆蓋，貧困地區通信難問題得到歷史性解決。同年，單晶有機金屬鈣鈦礦光纖首次制成。2023年5月，中國科學家實現千公里無中繼光纖量子密鑰分發。不僅創下了光纖無中繼量子密鑰分發距離的世界紀錄，也提供了城際量子通信高速率主干鏈路的方案。6月，中國科學家成功實現508公里光纖量子通信。
光纖結構
光纖的一般結構如圖1所示，從內到外依次是纖芯、包層、涂覆層和護套。纖芯和包層為光纖結構的主體，纖芯由高折射率材料制成，是光波的傳輸介質；包層材料折射率比纖芯稍低一些，它與纖芯共同構成光波導，形成對傳輸光波的約束作用，對光波的傳播起著決定性作用。涂敷層與護套則主要用于隔離雜光，提高光纖強度，保護光纖。在特殊應用場合不加涂敷層與護套，為裸體光纖，簡稱裸纖。
傳輸原理
因光在不同物質中的傳播速度存在差異，當光從一種物質射向另一種物質時，在兩種物質的交界面處會同時發生折射和反射現象。其中，折射光的角度會隨入射光的角度變化而改變，這是理解光的全反射原理的基礎。當光在光纖中傳播時，根據光的全反射原理，在纖芯與包層的分界面處，當光線的入射角達到或超過全反射臨界角時（臨界角受光的波長、材料折射率等因素影響），纖芯內的光線會使折射光消失，自身被完全反射，無法穿過界面，從而被約束在纖芯內向前傳播，這一現象就是光的全反射。
光纖的傳輸特性
傳輸模式
基模
光線在纖芯中傳播時，不同的入射角會形成不同的光路，這些光路數量會受光纖數值孔徑的限制，把這些可以有效傳播的光路稱作模式。其中，沿著光纖中心軸傳播的光路稱為基模(用表示），其他沒有平行于光纖中心軸的模式稱為高次模。
當纖芯足夠細，光只能沿著光纖中心軸傳播，這種光纖稱為單模光纖；當纖芯很大時，光纖中的光有種模式，這類光纖稱為多模光纖。
模間色散
多模光纖中，不同模式的傳輸速度和相位都有差異，經過一定距離的傳輸后會產生延時，導致光脈沖變寬，這種現象就是光纖的模式色散（或模間色散）。
衰減(損耗)
衰減(損耗)系數
光在光纖中傳播時，會因為各種因素造成光損耗，一般可以用損耗系數描述，損耗系數由下面的式子定義。
（1）
其中
表示入射到光纖中，光的初始能量
表示通過長度為的光纖時，光所含的能量
衰減(損耗)機理
材料的固有損耗有三部分：材料分子結構的振動導致的紅外吸收、因電子躍遷導致的紫外吸收、小尺度粒子引起的瑞利散射。
光纖中的雜質造成的損耗分為兩部分：羥基離子吸收引起的損耗，鐵、鉻、銅等金屬離子引起的光吸收。
光纖構造方面產生的損耗分為四類：
(1)界面損耗：纖芯與包層的交界處不平整帶來的損耗；
(2)微彎損耗：光纖的側面受壓不均勻時，產生小幅度彎曲造成的損耗；
(3)彎曲損失：光纖彎曲程度太大導致光線無法全反射造成的損耗；
(4)連接損耗：連接部位，由于光纖寸尺不匹配導致光的漏出。
色散
色散類型
一般的色散都是指波長色散。
測定方法
色散的抑制
抑制光纖中色散是基于纖芯半徑、纖芯-包層折反射率差值等參數對色散的影響規律，基本原理是利用光纖色散和纖芯的半徑、纖芯—包層折射率差等參量的依存性。
這種帶有色散抑制效果的光纖主要有色散位移光纖、非零色散位移光纖、色散平坦光纖、逆色散光纖。
偏振
線偏振場
單模光纖中，基模可以分解成兩個正交的模式，當光纖滿足理想的圓形以及各向同性的條件時，這兩個模式的傳輸相位將始終保持相同，得到的合成光場的方向也不會隨時間變化，稱作線偏振場。
雙折射現象
實際應用時，光纖總是存在一定程度的不足，例如結構的缺陷、形狀的變形、光纖折射率和內部的應力不均一，會導致正交模式的簡并被打破，形成相位差。原來的線偏振態也會因此發生改變，出現橢圓偏振。通常光纖內的光線的偏振狀態，會沿著光纖軸發生從線偏振到橢圓偏振再到線偏振的周期變化的現象，即所謂的雙折射現象。
傳輸帶寬
脈沖信號以一定的時間間隔送入光纖時，鄰近的的信號可能會因為靠的太近發生交疊，導致輸出端無法辨識。傳輸帶寬定義為脈沖信號在輸出端仍然可以被辨識的最大輸入速度。傳輸帶寬在很大程度上取決于光的色散。
光纖的類型
按剖面折射率分布分類
階躍型光纖
又稱SI型光纖，纖芯的折射率處處相同，包層的折射率也處處相同，但纖芯折射率更高，整個光纖的折射率在二者的交界面發生階躍式變化。
漸變型光纖
又稱GI型光纖、拋物線型光纖，纖芯的折射率呈拋物線變化，中間最高，向外逐漸降低，纖芯最外圍的折射率和包層的折射率相同。
其他類型
W型光纖：折射率分布像W型，這種光纖具有兩個包層，通過調整內外包層和纖芯的折射率以及半徑可以得到色散平坦光纖和色散位移光纖。
三角形纖芯：纖芯具有三角形分布的折射率，它是一個改良的色散移位纖維，適用于用于具有密集波分復用和孤子傳輸的長距離系統。
橢圓型纖芯：纖芯具有橢圓型分布的折射率，它具有雙折射特性。
多芯光纖（Multi Core Fiber）：在一個共同的包層區中存在多個纖芯的光纖結構。由于纖芯的相互接近程度不同，可實現兩種功能：其一是纖芯間隔大，形成不產生光耦合的結構，這種光纖能提高傳輸線路的單位面積集成密度。
按傳輸模式分類
單模光纖
單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）中，只有基模可以傳輸，其余的高次模全部截止。光在單模光纖中的傳播軌跡，是以平行于光纖中心軸線的形式。9/125μm指光纖的纖核為9μm，包層為125μm，9/125μm是單模光纖的一個重要的特征。
特點：芯徑極細，只能傳輸一種模態，可以完全避免模態色散，傳輸頻帶很寬（其帶寬一般比漸變型多模光纖的帶寬高一兩個數量級），傳輸容量很大。折射率分布一般采用階躍折射率分布(稱為單模階躍折射率光纖）。
適用領域：這種光纖適用于大容量，長距離的光纖通信。
多模光纖
多模光纖（Multi Mode Fiber，MMF）指在一定的工作波長下，光纖除了傳輸基模之外，還可以同時傳輸其他模式的光纖。在多模光纖中，芯的直徑是50μm和62.5μm兩種，大致與人的頭發的粗細相當。
特點：具有模式色散，帶寬較窄，傳輸容量較低；但是制造、連接、耦合比較容易。可采用階躍折射率分布(稱為多模階躍折射率光纖），也可以采用漸變折射率分布(稱為多模漸變折射率光纖）。
適用領域：僅適用于較小容量的光纖通信。
按組成材料分類
(1)石英光纖
材料成分：以二氧化硅（SiO?，俗稱石英）為主要原料，摻有少量其他成分，可以通過控制摻雜量來調整纖芯和包層的折射率分布。
特點：非常低的光學損耗，寬帶，高強度，可靠性好，價格也較高，應用最廣泛。
使用領域：廣泛應用于有線電視和通信系統。
(2)多組分玻璃光纖
材料成分：纖芯和包層均為硅酸鹽系玻璃（主要成分為）；
特點：制作工藝的溫度低，成本便宜，折射率調節的范圍大，損耗大；
使用領域：醫療光纖內窺鏡、短距離圖像成像。
(3)氟化物光纖
材料成分：纖芯和包層均為氟化物玻璃，包括三氟化鈷()、氟化鋇()、三氟化鑭(LaF3)、氟化鋁(AlF3)、氟化鈉(NaF)等，因此也簡稱ZBLAN光纖；
特點：在 波長范圍內工作，光損耗低，可達石英光纖的百分之一以下，環境穩定性差；
使用領域：溫敏器、熱圖像傳輸、海底光纜傳輸。
(4)硫系玻璃光纖
材料成分：元素周期表中Ⅵ主族的硫(S)，(Se)，錦(Te)元素為主要成分的玻璃；
特點：它的紅外透過率、耐化學性、機械性能均高于石英光纖，并且制造費用低；
使用領域：激光醫學，遠程切割焊接，紅外成像，各種傳感器，以及軍用。
(5)塑料光纖
材料成分：纖芯和包層是以有機玻璃（PMMA）、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（PC）等聚合物為主，所以又被稱為聚合物光纖。
特點：具有大的芯徑，柔韌性好，易于連接，質量輕，價格低，傳輸帶寬大；
使用領域：適合于較短長度的應用，如室內計算機聯網和船舶內的通信等，以及寬帶接入網系統、家庭智能網絡系統、數據傳輸系統、汽車智能系統、工業控制系統以及紡織、照明、太陽能利用系統等方面。
(6)塑包光纖
材料成分：纖芯為高純度的石英，包層為硅膠等塑料；
特點：纖芯租、數值孔徑(NA)高、容易與發光二極管 LED光源結合，損耗也較小；
使用領域：局域網(LAN)和近距離通信。
(7)碳涂覆光纖
材料成分：在石英光纖的表面涂敷碳膜的光纖，又稱碳涂層光纖(Carbon Coated Fiber,CCF)；
特點：采用高密度的碳纖維薄膜將光纖與外部環境隔絕，從而阻斷了外界氫分子的侵入，提高了纖維的力學性能，改善了因氫分子侵入造成的光損耗；在室溫的氫氣環境中可維持20年不增加損耗。
使用領域：海底光纜。
(8)摻氟光纖
材料組成：纖芯使用SiO2，包層中為摻入降低折射率的氟元素；
特點：瑞利散射很小,光纖損耗接近理論的最低。
(9)摻稀土光纖
材料組成：在纖芯摻入稀土元素（土族元素（、鉺、）和系元素）；
特點：具有激光振蕩和光放大的現象，又稱為有源光纖；
使用領域：光纖放大器、光纖傳感器、高功率激光傳輸、自由空間激光通信和超短脈沖放大等領域。
按特殊功能分類
具有色散抑制效果
色散位移光纖：色散位移光纖（DSF）就是通過改變光纖的模場直徑，使得光纖的色散-波長曲線向長波方向移動的一類光纖。
常規石英光纖一般工作在最小衰減波長處(1.5微米)，但這一波長下，光纖存在較大的色散。合適的DSF光纖，可以使得零色散波長點移動到最小衰減波長處，產生最小的色散。
色散平坦光纖：簡稱DFF光纖，是指通過選擇合適的光纖材料和結構，使得某一段波長范圍內，光纖得色散系數近似為零。
逆色散光纖：簡稱DCF光纖，顧名思義，是一類具有負色散值的光纖，它可以加接在普通光纖之后，對其產生的色散進行補償，使得總的色散為零。DCF與標準的1.3μm零色散光纖相比，纖芯直徑更細，而且折射率差也較大。DCF也是WDM光線路的重要組成部分。
具有偏振態選擇效果
光探測器過程中，當對光偏振態具有選擇性或者需要穩定的偏振態的時候，就要用到偏振保持光纖，常見的保偏光纖有下面兩種。
低雙折射光纖：記作LB 光纖，它設法將單模光纖的缺陷和內部殘余應力降到最低，同時使光纖截面更加接近規正的圓形，使單模光纖雙折射最小。
高雙折射光纖：記作HB光纖，高雙折射光纖是利用幾何雙折射、應力雙折射等效應，設計具有高度非對稱性的光纖，從而提高雙折射。高折射率光纖中又分為雙偏振光纖和單偏振光纖，雙偏振光纖就是所謂的保偏光纖，單偏振光纖(SP)只選擇兩個分開的正交模式中的一個，又稱絕對單模光纖。
光纖制備工藝
工藝方法及分類
光纖制備的核心在于預制棒的制備和拉絲，根據制備預制棒方式的不同可以將光纖制造工藝分為下面兩類。
氣相沉積技術
生產對象：石英光纖；
原料：液態鹵化物，如；
工藝流程：如圖所示，基本流程包括原料的制備與提純、預制棒（芯棒和包層）的制備、拉絲、涂覆與套塑，另外各個還包括相應的篩選和檢測。
(1)原料的制備與提純
氣相技術生產光纖所使用的原料一般由工業硅先在高溫下進行氯化反應，然后進一步提純獲得。
提純的目的是為了除去雜質，減少雜質在光纖中引起光損耗。所使用的方法為精餾-吸附精餾混合提純法；其中精餾可以有效除去有害過渡金屬以及他們的氧化物，吸附主要是除去原料中的羥基和其他氫物。
(2)預制棒的制備
在制作光纖的過程中，首先要用高純度的原料制作出符合特定條件的玻璃條，也就是所謂的“光纖預制棒”。光纖預制棒里面是高折射率的芯棒，外面則是包層，通過將光纖預制棒進行拉絲工藝便可得到裸纖。
隨著技術的發展，預制棒的制造從早期的一步法（芯棒和包層都由氣相沉積工藝完成）轉入了兩步法（氣相沉積芯棒技術+外包技術）。
氣相沉積芯棒技術
工作原理：以高純氧為載體，將汽化的原料帶入反應器中，通過化學反應得到高純度的石英芯棒；
特點：可以嚴格控制過渡金屬離子和OH基。
類型：主要有改良化學氣相沉積法（ModifiedChemical Vapour Deposition，MCVD）、氣相軸向沉積法（VapourAxial Deposition Method，VAD）、外部氣相沉積法（Outside Vapour Deposition Method,OVD）、等離子化學氣相沉積法（PCVD）。
外包層的制備
(3)光纖拉絲
(4)涂覆
(5)套塑
非氣相沉積工藝
直接熔融法
生產對象：多組分氧化物玻璃光纖；
工藝原理：在兩個被加熱的同心的堝中，分別放置纖芯材料（內）和包層材料（外），熔融的液態氧化物玻璃從坩堝底部流出，采用調節加熱溫度等參數，使得纖芯和包層的量相均衡，獲得多組分氧化物玻璃光纖。
界面凝膠法
生產對象：塑料多模光纖；
工藝原理：利用高分子聚合中分子體積不同而發生的選擇擴散來制造梯度折射率分布的塑料多模光纖。一般采用加熱的方式來實現擴散，也可以借助一個高速旋轉裝置，解決擴散慢的問題。
機械擠塑法
生產對象：塑料多模光纖；
工藝原理：纖芯和包層材料分別由各自的擠塑機擠出，然后再一起通過一個十字交叉的擠塑頭，形成一根具有階躍折射率分布的塑料多模光纖。若再經過加熱管的作用，可以將光纖中的折射率分布改變為梯度折射率分布。
管束拉絲和打孔拉絲法
生產對象：（高純二氧化硅）光子晶體光纖(Photon Crystal Fiber,PCF)；
工藝方法：分為石英玻璃光子晶體光纖和聚合物光子晶體光纖。前者是通過將石英玻璃毛細管以周期性規律排列在石英玻璃芯棒成束后，送入高溫度爐加熱拉制而成的PCF；后者是在已制成的聚合物光纖預制棒上打孔，然后將打孔后的聚合物光纖預制棒送入高溫度爐加熱拉制而成的PCF。
光纖技術應用
光纖通信技術
電信網間的傳輸線路
通常，光纖的一端的發射裝置使用發光二極管（light emitting diode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測脈沖。由于光纖的優異特性，使其在室內電話中繼線和長途干線中可以發揮巨大優勢，也是光纖的主要使用場合。
多種網絡層面的光通信
通過將光纖連接計算機和各種終端設備，可以實現高速、大容量的局域數字通信網。
光纖入戶
簡稱FTTH，指將光纖從電信端直接接入家庭用戶，可以同時完成視頻、數據、語音及多媒體等業務的傳輸，實現居民的網上購物、醫療、教育等需求。
惡劣危險場合的使用
在石油天然氣廠庫、電站等多種需要防輻射、電離放電、易燃易爆等場合，光纖通信可以發揮巨大功能，不僅避免了電路短路、電火花的風險，而且傳輸容量大。
有源光纖技術
光纖傳感技術
光纖用于傳感探測主要有兩類：一類是用光纖作為探測元件的一部分，以提高對所探測量的靈敏度；一類是用光纖僅僅作為傳感器的信息傳輸通道，探測頭則有其他元件構成。利用光纖傳感器可以檢測溫度、位移、應變、電壓電流等物理量。
光纖傳像技術
參考資料 >
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我國建成全球最大的移動寬帶和光纖網絡.亞太光纖光纜產業協會(APC).2023-04-04
漫反射光纖簡單介紹.北京文睿信達科技發展有限公司.2025-05-19