了解光纤的原理与分类

Peng 中科院长春光机所 昨天
1.光纤之父：高锟
现代通讯方式的便捷离不开光通讯，实际上用光作为光通讯的方式早已有研究，1880年，贝尔创造光话机，随后以传输光作为通讯工具的探索一直被人们研究，但直到1960年， 最好的导体光波也只能有效传输20米，极大的限制了光通讯距离。1976年，美国在芝加哥两个相距7000米的电话局之间，首次成功地进行了光纤通信试验。实验现场两根和头发丝差不多粗细的玻璃丝（直径0.1毫米左右），竟然能同时开通8000路电话。1981年，世界上第一个光纤通信系统启用。1988年，连接美国与英、法之间的第一条横跨大西洋的海底光缆铺设成功，不久又建成第一条横跨太平洋的海底光缆。中国于1978年自行研制出通信光缆，曾在上海、北京、武汉等地开展现场试验，此后进入大规模的使用阶段。目前遍布世界、总长度已超过10亿千米、足以环绕地球赤道2.5万次的光缆，成为互联网大容量、高速度进行远距离信息传递的基础。

而实现这一切的基础，便是光纤！！！提到光纤，就一定要提到华人科学家高锟，被人们称为光纤之父。1966年，高锟在science发表文章，从理论上证明了用玻璃纤维作为传播媒介以及实现光通讯的可能性，当时有人匪夷所思，也有人大加褒扬，光纤之父的设想就在这样的争论中一步步变成现实。高锟也因此获得2009年诺贝尔物理学奖，但当时的高锟已经患阿兹海默症，智力逐渐退化，甚至记不起光纤，只有一副纯真的笑容，因此，在颁奖时，瑞典国王，省去了繁琐礼节，破例亲自走到他面前为他颁奖，谢谢也是高锟接到证书与奖章后的唯一一句话。光纤之父——高锟于2018年9月23日逝世。 
2.光纤原理：全反射
光纤传输光的原理如图，包层的折射率n2<n1，这样一定范围入射的光在交界面不会透过包层，形成全发射。

3.常用的光纤：单模光纤和多模光纤
一般使用中我们常常会根据芯径的大小去理解单模光纤与多模光纤，但其本质上确实根据传输光的模态来命名，如图中的前两种，最后一种多模梯度光纤后面介绍。

单模光纤只传输一种模式的的光，因此其传输距离长、带宽大、速度高，但同样要求激光光源，单模光纤的直径一般小于10um。

多模光纤，可以传输多种模式的光，但由于多种模式的光程不同，如图，从同一光源发出的三种模式的光，当蓝色模式的光走到一点时，紫色和青色模式的光会落后，这会导致多模态色散，进而损耗大，限制了多模光纤的有效传输距离，此外多模光纤可以使用激光或LED做发射光源，但一般采用LED，多模光纤的芯径常用的有50um、62.5um。

多模梯度光纤，则是为了解决多模光纤的色散而产生的，由于多模光纤的其他模式光传播路径长，导致产生色散，那么通过设计折射率梯度渐变材料，便可以尽大可能的减少不同模式的色散，减少信号损失。

 

参考资料：

  1. 《名言启示录》——光纤之父，高锟