〔提要〕本文就光和信息在玻璃纤维中的传输、最重要的纤维制造方法及光纤的若干现代应用方面的综述。节译自Die Naturwissenschaft vol.64，No.3,1977。作者J.G.Grabmaier。
近年来，全世界对光纤的发展日益重视。今天，光纤的迅速发展和进步，主要应归功于通信工程师，他们认为光通信系统比平常的系统优越得多，想象信息容量会成千倍地增加，从而加倍努力探索低损耗的传输介质，玻璃被认为是最有希望的候选者。但是，多年来在胃镜中使用的玻璃纤维的质量对于远距离的光传输是不行的，因此要发展玻璃和纤维生产的新技术。今天，科学家们已能常规地重复地制造光纤，光在纤维中传输了一公里之后仍有80%的输入光可利用。这个进步不仅对光通信系统的进一步发展有重大意义，而且为在程序控制和数据处理中的各种应用铺平了道路。
光在纤维中的传导
自然界中光很难走弯曲的路线，但是如果把它有效地束缚在细的玻璃纤维内，它就能很容易地拐弯，甚至在一段长的距离内都是这样。这种现象可用斯奈尔定律来解释。
2θ之间的大部分光线在界面上产生多次的全反射，以锯齿形的路线在纤芯中行进，进入包层的光线（虚线）被损耗，对光的传导不起作用。角θ与纤芯、包层材料的折射率差有关，并按照方程（2）决定着纤维的数值孔径NA
数值孔径反映着纤芯接收光量的多少，它在纤维光学中是一个重要的参数，较大的NA能允许较多的光耦合进纤芯内，对于大多数实际应用来讲，需要大的数值孔径，因为玻璃中的吸收和散射损耗是不可避免的，结果总有一些光在纤维中传输时被损耗掉。
对光通信来讲，另一个重要的参数是在纤维中所传递的模数，从图3a可以看到以不同的角度入射的光线在界面上的反射次数是不同的。波动光学理论认为在给定的纤维中，只是以某些角度入射时才能发生全反射，传递的光波之间的干涉产生的横向强度分布叫做模式。在入射角较大的情况下模数增大，而传输模的轴向速度则下降。在介质波导中模的传输与模的耦合的精确描述可以由马克斯韦方程的解给出，但是在这篇短评中，我们采用一个较简化的表示式。
在具有阶跃型剖面的圆筒波导内传递的模式（图5a、b）可以由方程（3）导出
如果Δt与相邻光脉冲（图3b，左）之间的时间间隔可比拟的话，那么脉冲展宽将使它们在纤维的终端产生重迭（图3b，右）。例如，1%的折射率差将引起每公里50毫微秒的脉冲展宽，这意味着在20兆赫的脉冲速率下脉冲将会重迭，如果要使它们在纤维的终端能分开的话，则必须选用较低的脉冲速率。
但是，实际上观察到的传输时间差比方程（5）所表示的要小，其中一个原因是模的耦合，即相邻模之间的能量发生了交换，另一个原因是由于对纤维轴以大角入射的光线在纤芯 - 包层界面上，吸收损耗较大，因而一般到达不了纤维的终端。
如果纤芯与包层间折射率不是突变，而是渐变的话，那么模间传输时间差能大大降低。因为折射率向着纤维中心呈抛物线增加（图5c），所以以大角入射的光线由于在低折射率的外层内传输，即传输速度较高，因此在很大程度上补偿了较长的路程，这样光线不再走锯齿形路线而沿近似正弦曲线传输（图4）。
这些纤维一般叫做梯度型纤维，日本板玻璃公司首先采用叫做“自聚焦”纤维，其传输时间差Δt由方程（6）给出：
折射率1%的差别会产生大约每公里0.25毫微秒的脉冲展宽，意味着比阶跃型纤维改进200倍，因此梯度型纤维允许相邻脉冲之间有甚短的时间间隔而不会发生重迭，所以它具有相当大的传输容量。
纤维类型
空气折射率低，单有它就能满足全反射的要求，为什么纤维还需要包层呢？纤维加涂包层的一个理由是因为每一次全反射时，一部分电磁波会穿透到包围纤芯的介质内，在无包层纤维的情况下，纤芯与灰尘颗粒、支撑物等的任何接触将引起光的损耗，因此裸纤维是不适宜于实际应用的，高度透明的材料例如玻璃、塑料常用来做纤维的包层。
几种最重要的纤维示如图5，图5a所示的单横纤维，其纤芯直径只有几微米，折射率差小于0.5%。从方程（3）可知它只允许基模在其内部传输，并且不会出现由于传输时间差引起的脉冲展宽，若与激光光源相联能得到几千兆赫的极高的传输容量，但是由于芯径甚小，难以把足够的光量注入纤芯中，而且由于折射率差小，大部分的光（达20%）在包层中传输，结果在弯曲处光容易被耦合出去。因而实际上常用的是芯径为80 ~ 100微米、折射率差为百分之几的多模纤维。发光二极管在尺寸上和纤维直径相当，能让高的光功率注入纤芯内，并传输几公里的距离。
图5C所示的梯度型纤维兼有单模纤维的低脉冲展宽与多模纤维的光容易注入纤芯内的优点。计算表明折射率呈抛物线分布的剖面能把脉冲展宽压低到最小值。
光纤中的损耗
如果要使光讯号通过玻璃纤维进行远距离传输，那么必须使它在传输介质中的损耗很小。在纤维中产生的各种损耗以衰减2来表示，单位为分贝，并定义为
今天获得损耗小到1 ~ 2分贝/公里的纤维已很平常，换言之，光在传输1公里的距离后接近原来光强80%的光仍可利用。在短纤维的应用中可容许使用损耗很大的纤维。
在纤维波导中的传输损耗是由如下一些机制引起的，1. 材料吸收，2. 材料散射，3. 波导散射，4. 弯曲处的辐射损耗。
材料吸收即使在今天仍然是最重要的产生损耗的原因。它主要是由痕量的过渡金属离子引起的，铁、钴、铬、镍、钒和锰在可见和近红外区都有它们的主吸收带。钠钙系玻璃中由1 ppm的过渡金属离子引起的吸收损耗（分贝/公里）与波长的关系示如图6。以氢氧离子形式存在的水是在950毫微米处产生一个强吸收峰的杂质。在石英玻璃中，含有的水的浓度即使低至0.8 ppm就能引起1分贝/公里的衰减。
除了由于杂质引起的吸收之外，玻璃的本征吸收也能产生衰减。虽然在大多数玻璃中，这种本征吸收只从紫外区开始，但延伸到可见光区的吸收尾可能产生附加的光损耗（图7）。
材料散射即使在高纯玻璃中也会引起光损耗，它可能是由某些散射机理引起的。
瑞利散射是其中最重要的一种机理。随着波长变短，散射按1/λ4增大。所有的玻璃中都存在这种散射，它是由尺寸比光波长小的不均匀性造成的，在多组分玻璃中，例如浓度的波动和分相会引起局部折射率的差别；在单组分玻璃中，当玻璃冷却时热起伏可能被冻结，从而引起瑞利散射。高纯石英玻璃、钠钙系玻璃以及作比较用的液态四氯化碳中瑞利散射所引起的损耗示如图8。
米氏散射是当不均匀性的尺寸和光波波长相当时引起的，它们可能是在制造纤维时由于形成晶粒、小气泡等而造成的。
受激喇曼散射和受激布里渊散射都是非线性效应。它们只是在光强很强的情况下才观察到。衰减是传输波和散射光之间相互作用的结果。这两种散射机理决定了远距离传输系统中能传输的光功率的上限。
波导散射是由纤芯截面沿轴向的波动和纤芯 - 包层界面上的缺陷所引起的，它们可引起纤芯模和包层模之间的耦合，使光损耗于周围介质之中。
弯曲处的辐射损耗主要取决于纤维的曲率，近似的损耗值可由方程（8）计算：
此外，数值孔径小会使辐射损耗增大，因为光波更进入包层，于是在弯曲处更易损耗。在一般使用的纤维中只有当曲率半径为几毫米时，辐射损耗才成为主要的。
纤维的制造方法和结果
对光纤的要求主要取决于它们的最终用途，对远距离通讯系统来讲，衰减值要非常小，所以制造纤维时高纯、无气泡和均匀的玻璃是绝对必要的。对于短距离的应用如程序控制与图像显示，要求是不苛刻的，因为损耗大的话能通过采用数值孔径大的纤维来弥补。
合适的制造技术一般对许多种纤维都有用，对其中一些较重要的方法，包括它的优点及存在问题将进行扼要的讨论。
棒管法是一种最老的制造技术，示如图9。
高折射率的玻璃棒将用作芯料，将它插入作包层用的低折射率的玻璃管内。这棒管组合体是拉丝用的母材。在组合之前棒和管两者的接触表面必须仔细地清洗并尽可能地抛光。
图10为实验室中使用的一种拉丝机。送料装置把母材慢慢地降到炉子的高温区，在这里把母材的端部加热到软化温度，然后从软化的端部开始拉丝，并绕在收线轮上，鼓轮可作水平移动，允许在它上面绕上单层纤维。当拉丝时一个带有光厚度测量仪的反馈电路能使纤维直径控制在严格的公差范围之内。
为了提高纤维的机械强度和使它具有抗腐蚀的能力，需要在纤维绕到鼓轮上去之前加涂塑料保护涂层。
因为母材接触表面上的伤痕和杂质很难完全消除，这样它们在纤芯 - 包层界面上就成为散射中心。这种纤维的光学性质是很难重复的。但是这种方法很简单，在某种程度上弥补了这个缺点，所以仍常常被采用，特别是用来制造诸如胃镜中使用的损耗较大的纤维。
消除棒管法表面问题的一种极好的方法是双坩埚法。这个系统是由两个同心的圆筒形坩埚组成的（即铂或铂合金），在每个坩埚的底部开有同心的小孔（图11），内坩埚盛高折射率的玻璃。外坩埚盛低折射率的玻璃，两种玻璃是按各自的熔制工艺制备的，当玻璃流出坩埚时适当地调节小孔的大小，就能拉制出所需要的纤芯包层直径比的纤维。双坩埚是用电阻法或感应法加热的，纤维的拉制过程与棒管法是一样的。
如果拉丝过程中不断地往坩埚里送入纤芯包层材料便可生产需要的任意长度的高质量纤维。由双坩埚法生产的纤维的光损耗主要是由原材料的纯度所决定的，例如在铝玻璃中，则取决于PbO、SiO2、Na2CO3和K2CO3的纯度，但是在熔制玻璃的时候。坩埚中的杂质也会扩散到玻璃中去引起衰减。由于纤维的质量不仅取决于杂质的含量，而且也与它们的氧化状态有关，所以熔制条件对纤维的性能是有决定意义的，要根据玻璃成分和存在的杂质来选择熔制工艺的气氛——氧化、中性或还原气氛，这样才能使损耗最小。对800毫微米波长的光已达到的最低衰减值为12分贝/公里左右（图12）。
采用上述的双坩埚法得到的不过是阶跃型剖面的纤维，而改良的双坩埚法（自聚焦技术）却能生产抛物线型剖面的纤维，它是当纤芯玻璃流过包层玻璃时通过纤芯 - 包层界面上的离子交换来实现的。图13为改良的双坩埚的示意图。
例如内坩埚中盛硼酸盐玻璃熔体，它含有百分之几的铊离子，外坩埚中盛钠硼硅酸盐玻璃熔体。当一般以20米/分的速度拉丝时，铊离子和钠离子在图上标有“3”的一段距离内发生交换。铊离子因为具有较高的电极化率，所以它结合在玻璃内使玻璃的折射率增加的作用比钠离子来得大，离子交换的结果使芯材中的铊离子浓度近似地呈抛物线下降，因而形成一种抛物线型剖面。
得到的折射率差Δn=0.020，足以产生需要的光聚焦效应。图14为典型的自聚焦纤维的光谱损耗曲线，在830毫微米处损耗低达10分贝/公里，脉冲展宽大约达1毫微秒/公里。
专门采用化学气相沉积法（CVD）生产了损耗极低数值孔径接近0.2的掺杂石英玻璃纤维。将氧气和挥发性的化合物（例如硅、锗，硼和磷的氯化物）的混合气体通过一市售的石英玻璃管，氯化物在管内由于高温而被氧化（图15a），该石英玻璃管夹在一般的玻璃车床上，并绕其长轴旋转（图16）。氢氧喷灯产生氯化物氧化所需的温度，生成的氧化物以一层烟炱的形式首先沉积在喷灯加热区后面的管子内表面上，当喷灯沿气流流动方向移动时，烟炱被熔成一层无气泡的玻璃。
纯石英玻璃的折射率可通过添加氧化物，例如：GeO2、P2O5或TiO2来提高，也可通过添加B2O3来降低。折射率变化的幅度取决于掺杂的程度（图17），如果在管子的内壁连续地沉积低折射率层后再接着沉积上高折射率层，便得到阶跃型剖面。如果在不断地沉积玻璃层时连续地改变掺杂剂的浓度便能得到抛物线型剖面。一旦沉积过程完成，便将管子在高温下熔成对称的圆柱形棒（图15b），然后在上述的拉丝机上把它拉成纤维（图15c）。
一公里长的具有掺GeO2的纤芯和SiO2包层的阶跃型纤维的典型光谱损耗曲线示如图18。纤维的数值孔径大约为0.2。曲线表明在波长为1060毫微米和850毫微米时纤维的最小衰减值分别为1.35和2.32分贝/公里。
在目前采用的许多技术中，化学气相沉积法能获得最小的衰减值。它能制造高纯的、在纤芯内沿纤维轴均匀地掺杂的玻璃和得到各种各样的折射率剖面。
最近对由石英玻璃纤芯和塑料包层组成的光纤引起很大的兴趣。市售的低损耗石英玻璃，例如Herasil(R)或Suprasil(R)宜用作芯材，低折射率的高聚合塑料，例如Teflon(R)FEP100和聚硅氧烷常用做包层材料。
虽然这些塑料的损耗相当大，接近103分贝/公里，但在这些纤维中，有的衰减值已低于10分贝/公里，数值孔径达0.3左右（图20）。今天这些有用的结果说明了衰减主要是由芯玻璃的纯度所决定的。
塑料包层纤维可用图19中所示的技术来制造。石英玻璃棒在电阻炉中被拉成纤维后，紧接着将这裸纤维通过一液态塑料或含有分散性高聚化合物的溶液，再通过一只炉子使粘到纤维上的塑料烧结在玻璃上，这样在石英玻璃纤芯和塑料包层之间就接触得更紧密。纤芯和包层的直径可以在拉丝和包层工艺中用厚度测量仪来加以控制。为了提高机械强度，可在纤维绕到鼓轮上去之前用挤出技术加涂二次塑料涂层。另外，还可采用一种松匹配的塑料包层。目前的结果尚不能对这种纤维的长期使用性能作出判断，尤其是关于杂质通过塑料包层的扩散。
应 用
用人发那样细的弯曲的玻璃纤维来传光的可能性导致了纤维光学的迅速发展。今天，兴趣主要集中在用于通讯系统的低损耗光纤上，但是医学、数据处理、程序控制等方面已有若干应用，这里举的仅是几个例子。
在医学方面，光纤已在胃镜上使用了近20年，用来观察和检查人体内难以达到的腔体。胃镜是柔软的传象纤维束。它的直径一般为几个毫米。由近40000根直径为7 ~ 10微米的纤维所组成，将一根根纤维并成一矩阵，使每根纤维在纤维束的两端都严格地相对应。这样一种排列方式能使象沿弯曲的轴传输。为了使象获得高的分辨率，每根纤维的直径要尽可能小。而待检查的体腔采用传光纤维束来照明。如图21所示，它可套在传象纤维束外面。今天的胃镜装有活组织检查机构，使之能提供分析用的组织样品。
在牙科方面，可用来自传光纤维束的高度聚焦的光束来寻找龋齿的裂隙与中心。医学上的其他应用还有“快速”光谱光度计量和激光光凝结。
在电路中，常用的铜缆需要很大的空间，对电磁干扰敏感，从而有碍正常使用，这种情况下，光纤就显示出其优越性。例如为了控制高功率的晶体管电路，采用玻璃纤维能方便地把高压电路和控制电路分开。其他的应用还有如经过爆炸危险区的讯号传输，穿孔带和穿孔卡的扫描、核反应堆的检查、图像显示和象增强以及数据处理系统等。
光纤在通讯系统中的巨大意义在于它与通常的传输介质相比具有一些诱人的特性。可以预料在大约1014赫的光频下工作的光通信系统将使传输容量至少增加103倍。另一些优点是抗电磁干扰、重量轻，尺寸小。最后的又是最重要的一点是它有着取之不竭的原料来源。图22为光通讯系统的示意图，它主要是由光源、作为传输介质的玻璃纤维和检测器组成的。从三条理由来看发光二极管和激光二极管均为合适的光源：它们输出的光能直接调制；有与纤维直径相匹配的发射面积；发出的光的谱线位于纤维损耗最低的光谱区（750 ~ 900毫微米）。只要把二极管和纤维端面对接就能把光注入多模纤维，但用熔融法获得的球状纤维端面可使注入的光增加。与纤维直径相当的硅二极管是合适的检测器。讯号在远距离传输中会产生衰减与畸变，所以需要增音站。
除了这些有源元件之外，系统一般还包括一些无源元件，例如耦合器和迭接元件，它们用来联结各种元件和在光分支网络中分配光讯号。类似于这里介绍的系统现正在飞机、轮船和潜艇中进行试验。
世界上许多实验室中的研究工作证明了低损耗纤维作为一种传输介质在技术上是可行的，至于它们是否能在将来得到广泛使用，这取决于它们在实际系统中的可靠性、经济性以及在光通讯系统中需要的各种元件的进一步发展。
（王建国 译 李培俊 校）