光纤

光纤是一种由透明材料制成的纤细、柔韧的纤维，可引导光沿其长度方向传播。大多数通信光纤由高纯度玻璃制成，一些短距离应用则使用塑料光纤。光纤作为一种光波导，将光信号限制在很小的横截面内。由于传输损耗低，且能承载高带宽信号，光纤成为电信的主要传输介质之一，包括支撑互联网运行的物理网络。光纤也可用作传感元件，并在仪器和工业设备中传送光。(corning.com)

结构与导光原理

常规玻璃光纤由中心的纤芯、围绕纤芯的包层和保护涂层组成。纤芯和包层通常含有熔融石英，通过调整各自的成分，使两者具有不同的光学性质。外部涂层通常由聚合物制成，用于保护玻璃表面免受损伤；它不同于直接参与导光的包层。(corning.com)

纤芯的折射率略高于包层。从光线模型来看，光照射到纤芯与包层的界面时，如果与法线的夹角足够大，就会发生全反射，继续受到引导而不会逸出。这种解释适用于大纤芯光纤，但要准确描述单模传播，就必须采用波动模型。被引导的光场并非完全局限于纤芯内，其中一部分会延伸到包层中。(thorlabs.com)

在多模光线模型中，光纤的数值孔径用于描述其接收光的能力。纤芯尺寸、纤芯与包层的折射率差以及波长共同决定光纤能够支持哪些导模。模式是光场所允许的一种空间分布，并不是玻璃内部一条独立的实体通道。(thorlabs.com)

主要光纤类型

单模光纤在其设计工作波长范围内仅支持一种空间模式。通信用单模光纤的纤芯直径通常约为 8—10 微米，玻璃包层直径为 125 微米。由于光不再通过多个空间模式传播，单模光纤可避免模式差异造成的脉冲展宽，因此适合长距离、大容量的通信链路。光纤是否以单模方式工作，既取决于其几何结构，也取决于波长。(corning.com)

多模光纤的纤芯较大，直径通常为 50 或 62.5 微米，能够支持多种模式。它广泛用于建筑物和数据中心内部的短距离连接。阶跃型光纤的折射率在纤芯边界处发生突变；渐变型光纤的折射率则朝纤芯边缘逐渐降低，从而减小各模式传播时间的差异，提高可用带宽。(thefoa.org)

塑料光纤的传输损耗通常高于通信级石英光纤，但其较大的纤芯有助于简化光耦合和操作。塑料光纤用于短距离链路，包括部分消费类音频连接。特种玻璃光纤则通过调整成分、涂层或结构，适应特定波长和工作环境。(thefoa.org)

衰减与色散

光衰减是指光功率在传输过程中减小的现象，通常以每千米多少分贝表示。光衰减的来源包括吸收、散射，以及光因弯曲或其他扰动而逸出。杂质可能引入吸收带，而玻璃内部的微观不均匀性会引起散射。在完整的链路中，接续点和连接器还会带来额外损耗。(thefoa.org)

通信系统会选择光纤损耗较低、器件性能较好的波长区域。常见的工作波长包括多模链路使用的约 850 纳米，以及单模链路使用的 1310 或 1550 纳米。波长越长并不一定意味着损耗越低，因为材料吸收和对弯曲的敏感程度也会影响性能。(thefoa.org)

色散（光学）会使光脉冲在时间上展宽。模式色散源于不同模式的传播时间差异。色度色散则是由于不同波长分量的群速度不同而产生的，因此单模传输并不能消除所有脉冲展宽。偏振模色散还会在不同偏振分量之间引入额外的时间差。除非系统设计对这些效应加以应对，否则它们会限制传输距离和数据速率。(thefoa.org)

制造与连接

玻璃光纤的制造始于预制棒，这是一根尺寸远大于成品光纤、内部具有所需纤芯和包层结构的玻璃棒。通过气相沉积工艺制备成分和结构受到精确控制的材料，再将其致密化，形成透明玻璃。拉丝时，预制棒送入炉中，从其软化的一端拉出细丝。随后涂覆保护涂层，并对制成的光纤进行机械和光学测试。(corning.com)

熔接通过对准并熔合玻璃，将经过处理的光纤端面永久连接起来。连接器则提供可拆卸的接口。光时域反射仪通过检测返回的光，测定沿光纤的损耗分布，并定位不连续点。由于背向散射的差异可能使测得的接续损耗偏离实际值，从两个方向进行测量有助于提高评估的准确性。(corning.com)

通信与传感应用

通信发射机使用激光或发光二极管，将信息编码到光信号中；接收机检测到达的信号，并将其转换为电信号。波分复用可在一根光纤中传输多个不同波长的光信号通道。光纤链路的应用范围涵盖本地连接、长途网络和海底网络。其容量取决于整个传输系统，而非仅取决于玻璃纤维本身。(corning.com)

在传感应用中，光纤本身可以对环境变化作出响应。光纤布拉格光栅具有周期性的折射率变化，其反射波长会随应变或温度等条件而改变。分布式传感则分析从光纤沿线各个位置返回的光，从而沿光纤全长进行测量，而不是仅测量离散的点。(nist.gov)

历史发展

1966 年，高锟和乔治·霍克汉姆论证了低损耗玻璃光纤用于通信的可行性，并指出材料纯度是关键难题。1970 年，康宁公司的研究人员展示了一种低损耗光纤，推动这一构想转化为实用技术。此后，光纤和光学器件的不断改进，使光纤通信得以大规模部署。高锟因在光纤传输光以实现光通信方面的成就，获颁 2009 年诺贝尔物理学奖的一半奖项。(nobelprize.org)