光纖絲

光纖絲簡稱光纖

光纖的分類，例如：光纖放大器（Fiber Amplifier）或光纖幹線（Fiber Backbone）等等。有人忽略了Fiber雖有纖維的含義，但在光系統中卻是指光纖而言的。因此，有些光產品的説明中，把fiber直譯成“纖維”，顯然是不可取的。光纖實際是指由透明材料作成的纖芯和在它周圍採用比纖芯的折射率稍低的材料作成的包層所被覆，並將射入纖芯的光信號，經包層界面反射，使光信號在纖芯中傳播前進的媒體。光纖的種類很多，根據用途不同，所需要的功能和性能也有所差異。但對於有線電視和通信用的光纖，其設計和製造的原則基本相同，諸如：①損耗小；②有一定帶寬且色散小；③接線容易；④易於成統；⑤可靠性高；⑥製造比較簡單；⑦價廉等。光纖的分類主要是從工作波長、折射率分佈、傳輸模式、原材料和製造方法上作一歸納的，茲將各種分類舉例如下。（1）工作波長：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、紅外光纖（0.85μm、1.3μm、1.55μm）。（2）折射率分佈：階躍（SI）型、近階躍型、漸變（GI）型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。（3）傳輸模式：單模光纖（含偏振保持光纖、非偏振保持光纖）、多模光纖。（4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、複合材料（如塑料包層、液體纖芯等）、紅外材料等。按被覆材料還可分為無機材料（碳等）、金屬材料（銅、鎳等）和塑料等。（5）製造方法：預塑有汽相軸向沉積（VAD）、化學汽相沉積（CVD）等，拉絲法有管律法（Rod intube）和雙坩鍋法等。

石英光纖是以二氧化硅（SiO₂）為主要原料，並按不同的摻雜量，來控制纖芯和包層的折射率分佈的光纖。石英（玻璃）系列光纖，具有低耗、寬帶的特點，已廣泛應用於有線電視和通信系統。摻氟光纖（Fluorine Doped Fiber）為石英光纖的典型產品之一。通常，作為1.3Pm波域的通信用光纖中，控制纖芯的摻雜物為二氧化鍺（GeO₂），包層是用SiO製作成的。但接氟光纖的纖芯，大多使用SiO₂，而在包層中卻是摻入氟素的。由於，瑞利散射損耗是因折射率的變動而引起的光散射現象。所以，希望形成折射率變動因素的摻雜物，以少為佳。氟素的作用主要是可以降低SiO₂的折射率。因而，常用於包層的摻雜。由於摻氟光纖中，纖芯並不含有影響折射率的氟素摻雜物。由於它的瑞利散射很小，而且損耗也接近理論的最低值。所以多用於長距離的光信號傳輸。石英光纖（Silica Fiber）與其它原料的光纖相比，還具有從紫外線光到近紅外線光的透光廣譜，除通信用途之外，還可用於導光和傳導圖像等領域。

紅外光纖作為光通信領域所開發的石英系列光纖的工作波長，儘管用在較短的傳輸距離，也只能用於2pm。為此，能在更長的紅外波長領域工作，所開發的光纖稱為紅外光纖。紅外光纖（Infrared Optical Fiber）主要用於光能傳送。例如有：温度計量、熱圖像傳輸、激光手術刀醫療、熱能加工等等，普及率尚低。

複合光纖複合光纖（Compound Fiber）在SiO₂原料中，再適當混合諸如氧化鈉（Na₂O）、氧化硼（B₂O₂）、氧化鉀（K₂O₂）等氧化物的多成分玻璃作成的光纖，特點是多成分玻璃比石英的軟化點低且纖芯與包層的折射率差很大。主要用在醫療業務的光纖內窺鏡。

氟化物光纖氯化物光纖（Fluoride Fiber）是由氟化物玻璃作成的光纖。這種光纖原料又簡稱 ZBLAN（即將氟化鋯（ZrF₄）、氟化鋇（BaF₂）、氟化鑭（LaF₃）、氟化鋁（AlF₃）、氟化鈉（NaF）等氟化物玻璃原料簡化成的縮語。主要工作在2～ 10μm波長的光傳輸業務。由於ZBLAN具有超低損耗光纖的可能性，正在進行着用於長距離通信光纖的可行性開發，例如：其理論上的最低損耗，在3μm波長時可達10-2～10－3dB/km，而石英光纖在1.55pm時卻在0.15-0.16dB/Km之間。ZBLAN光纖由於難於降低散射損耗，只能用在2.4～2.7μm的温敏器和熱圖像傳輸，尚未廣泛實用。最近，為了利用ZBLAN進行長距離傳輸，正在研製1.3μm的摻鐠光纖放大器（PDFA）。

塑包光纖塑包光纖（Plastic Clad Fiber）是將高純度的石英玻璃作成纖芯，而將折射率比石英稍低的如硅膠等塑料作為包層的階躍型光纖。它與石英光纖相比較，具有纖芯租、數值孔徑（NA）高的特點。因此，易與發光二極管LED光源結合，損耗也較小。所以，非常適用於局域網（LAN）和近距離通信。

塑料光纖這是將纖芯和包層都用塑料（聚合物）作成的光纖。早期產品主要用於裝飾和導光照明及近距離光鍵路的光通信中。原料主要是有機玻璃（PMMA）、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（PC）。損耗受到塑料固有的C－H結合結構制約，一般每km可達幾十dB。為了降低損耗正在開發應用氟索系列塑料。由於塑料光纖（Plastic Optical fiber）的纖芯直徑為1000pm，比單模石英光纖大100倍，接續簡單，而且易於彎曲施工容易。近年來，加上寬帶化的進度，作為漸變型（GI）折射率的多模塑料光纖的發展受到了社會的重視。最近，在汽車內部LAN中應用較快，未來在家庭LAN中也可能得到應用。PS光纖絲多用於花卉工藝、工藝玩具、電子玩具，PMMA光纖絲多用於燈飾、裝修。

單模光纖這是指在工作波長中，只能傳輸一個傳播模式的光纖，通常簡稱為單模光纖（SMF：Single ModeFiber）。目在有線電視和光通信中，是應用最廣泛的光纖。由於，光纖的纖芯很細（約10pm）而且折射率呈階躍狀分佈，當歸一化頻率V參數<2.4時，理論上，只能形成單模傳輸。另外，SMF沒有多模色散，不僅傳輸頻帶較多模光纖更寬，再加上SMF的材料色散和結構色散的相加抵消，其合成特性恰好形成零色散的特性，使傳輸頻帶更加拓寬。SMF中，因摻雜物不同與製造方式的差別有許多類型。凹陷型包層光纖（DePr-essed Clad Fiber），其包層形成兩重結構，鄰近纖芯的包層，較外倒包層的折射率還低。另外，有匹配型包層光纖，其包層折射率呈均勻分佈。

多模光纖將光纖按工作波長以其傳播可能的模式為多個模式的光纖稱作多模光纖（MMF：MUlti ModeFiber）。纖芯直徑為50μm，由於傳輸模式可達幾百個，與SMF相比傳輸帶寬主要受模式色散支配。在歷史上曾用於有線電視和通信系統的短距離傳輸。自從出現SMF光纖後，似乎形成歷史產品。但實際上，由於MMF較SMF的芯徑大且與LED等光源結合容易，在眾多LAN中更有優勢。所以，在短距離通信領域中MMF仍在重新受到重視。MMF按折射率分佈進行分類時，有：漸變（GI）型和階躍（SI）型兩種。GI型的折射率以纖芯中心為最高，沿向包層徐徐降低。從幾何光學角度來看，在纖芯中前進的光束呈現以蛇行狀傳播。由於，光的各個路徑所需時間大致相同。所以，傳輸容量較SI型大。SI型MMF光纖的折射率分佈，纖芯折射率的分佈是相同的，但與包層的界面呈階梯狀。由於SI型光波在光纖中的反射前進過程中，產生各個光路徑的時差，致使射出光波失真，色激較大。其結果是傳輸帶寬變窄，前SI型MMF應用較少。

色散位移光纖單模光纖的工作波長在1.3μm時，模場直徑約9μm，其傳輸損耗約0.3dB/km。此時，零色散波長恰好在1.3μm處。石英光纖中，從原材料上看1.55pm段的傳輸損耗最小（約0.2dB/km）。由於已經實用的摻鉺光纖放大器（EDFA）是工作在1.55pm波段的，如果在此波段也能實現零色散，就更有利於應用1.55Pm波段的長距離傳輸。於是，巧妙地利用光纖材料中的石英材料色散與纖芯結構色散的合成抵消特性，就可使原在1.3Pm段的零色散，移位到1.55pm段也構成零色散。因此，被命名為色散位移光纖（DSF：DispersionShifted Fiber）。加大結構色散的方法，主要是在纖芯的折射率分佈性能進行改善。在光通信的長距離傳輸中，光纖色散為零是重要的，但不是唯一的。其它性能還有損耗小、接續容易、成纜化或工作中的特性變化小（包括彎曲、拉伸和環境變化影響）。DSF就是在設計中，綜合考慮這些因素。

色散平坦光纖色散移位光纖（DSF）是將單模光纖設計零色散位於1.55pm波段的光纖。而色散平坦光纖（DFF：Dispersion Flattened Fiber）卻是將從1.3Pm到1.55pm的較寬波段的色散，都能作到很低，幾乎達到零色散的光纖稱作DFF。由於DFF要作到1.3μm～1.55μm範圍的色散都減少。就需要對光纖的折射率分佈進行復雜的設計。不過這種光纖對於波分複用（WDM）的線路卻是很適宜的。由於DFF光纖的工藝比較複雜，費用較貴。今後隨着產量的增加，價格也會降低。

色散補償光纖對於採用單模光纖的幹線系統，由於多數是利用1.3μm波段色散為零的光纖構成的。可是，損耗最小的1.55μm，由於EDFA的實用化，如果能在1.3μm零色散的光纖上也能令1.55μm波長工作，將是非常有益的。因為，在1.3Pm零色散的光纖中，1.55μm波段的色散約有16ps/km/nm之多。如果在此光纖線路中，插入一段與此色散符號相反的光纖，就可使整個光線路的色散為零。為此目的所用的是光纖則稱作色散補償光纖（DCF：DisPersion Compe-nsation Fiber）。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。

偏振保持光纖在光纖中傳播的光波，因為具有電磁波的性質，所以，除了基本的光波單一模式之外，實質上還存在着電磁場（TE、TM）分佈的兩個正交模式。通常，由於光纖截面的結構是圓對稱的，這兩個偏振模式的傳播常數相等，兩束偏振光互不干涉。但實際上，光纖不是完全地圓對稱，例如有着彎曲部分，就會出現兩個偏振模式之間的結合因素，在光軸上呈不規則分佈。偏振光的這種變化造成的色散，稱之偏振模式色散（PMD）。對於以分配圖像為主的有線電視，影響尚不太大。但對於一些未來超寬帶有特殊要求的業務，如：①相干通信中採用外差檢波，要求光波偏振更穩定時；②光機器等對輸入輸出特性要求與偏振相關時；③在製作偏振保持光耦合器和偏振器或去偏振器等時；④製作利用光干涉的光纖敏感器等，凡要求偏振波保持恆定的情況下，對光纖經過改進使偏振狀態不變的光纖稱作偏振保持光纖（PMF：Polarization Maintaining fiber），也有稱此為固定偏振光纖的。

雙折射光纖雙折射光纖是指在單模光纖中，可以傳輸相互正交的兩個固有偏振模式的光纖而言。因為，折射率隨偏報方向變異的現象稱為雙折射。在造成雙折射的方法中。它又稱作PANDA光纖，即偏振保持與吸收減少光纖（Polarization－maintai-ning AND Absorption－ reducing fiber）。它是在纖芯的橫向兩則，設置熱膨脹係數大、截面是圓形的玻璃部分。在高温的光纖拉絲過程中，這些部分收縮，其結果在纖芯y方向產生拉伸，同時又在x方向呈現壓縮應力。致使纖材出現光彈性效應，使折射率在X方向和y方向出現差異。依此原理達到偏振保持恆定。

抗惡環境光纖通信用光纖通常的工作環境温度可在-40～+60℃之間，設計時也是以不受大量輻射線照射為前提的。相比之下，對於更低温或更高温以及能遭受高壓或外力影響、曝曬輻射線的惡劣環境下，也能工作的光纖則稱作抗惡環境光纖（Hard Condition Resistant Fiber）。一般為了對光纖表面進行機械保護，多塗覆一層塑料。可是隨着温度升高，塑料保護功能有所下降，致使使用温度也有所限制。如果改用抗熱性塑料，如聚四氟乙烯（Teflon）等樹脂，即可工作在300℃環境。也有在石英玻璃表面塗覆鎳（Ni）和鋁（Al）等金屬的。這種光纖則稱為耐熱光纖（Heat Resistant Fiber）。另外，當光纖受到輻射線的照射時，光損耗會增加。這是因為石英玻璃遇到輻射線照射時，玻璃中會出現結構缺陷（也稱作色心：Colour Center），尤在0.4～0.7pm波長時損耗增大。防止辦法是改用摻雜OH或F素的石英玻璃，就能抑制因輻射線造成的損耗缺陷。這種光纖則稱作抗輻射光纖（Radiation Resistant Fiber），多用於核發電站的監測用光纖維鏡等。

密封塗層光纖 為了保持光纖的機械強度和損耗的長時間穩定，而在玻璃表面塗裝碳化硅（SiC）、碳化鈦（TiC）、碳（C）等無機材料，用來防止從外部來的水和氫的擴散所製造的光纖（HCFHermeticallyCoated Fiber）。通用的是在化學氣相沉積（CVD）法生產過程中，用碳層高速堆積來實現充分密封效應。這種 碳塗覆光纖（CCF）能有效地截斷光纖與外界氫分子的侵入。據報道它在室温的氫氣環境中可維持20年不增加損耗。當然，它在防止水分侵入延緩機械強度的疲勞進程，其疲勞係數（Fatigue Parameter）可達200以上。所以，HCF被應用於嚴酷環境中要求可靠性高的系統，例如海底光纜就是一例。

碳塗層光纖 在石英光纖的表面塗敷碳膜的光纖，稱之碳塗層光纖（CCF：Carbon CoatedFiber）。其機理是利用碳素的緻密膜層，使光纖表面與外界隔離，以改善光纖的機械疲勞損耗和氫分子的損耗增加。CCF是密封塗層光纖（HCF）的一種。

金屬塗層光纖 金屬塗層光纖（Metal Coated Fiber）是在光纖的表面塗布Ni、Cu、Al等金屬層的光纖。也有再在金屬層外被覆塑料的，目的在於提高抗熱性和可供通電及焊接。它是抗惡環境性光纖之一，也可作為電子電路的部件用。 早期產品是在拉絲過程中，塗布熔解的金屬作成的。由於此法因被玻璃與金屬的膨脹係數差異太大，會增微小彎曲損耗，實用化率不高。近期，由於在玻璃光纖的表面採用低損耗的非電解鍍膜法的成功，使性能大有改善。

摻稀土光纖 在光纖的纖芯中，摻雜如鉺（Er）、釹（Nd）、鐠（Pr）等稀土族元素的光纖。1985年英國的索斯安普頓（Sourthampton）大學的佩思（Payne）等首先發現摻雜稀土元素的光纖（Rare Earth DoPed Fiber）有激光振盪和光放大的現象。於是，從此揭開了摻鉺等光放大的面紗，已經實用的1.55pmEDFA就是利用摻鉺的單模光纖，利用1.47pm的激光進行激勵，得到1.55pm光信號放大的。另外，摻鐠的氟化物光纖放大器（PDFA）正在開發中。

喇曼光纖 喇曼效應是指往某物質中射人頻率f的單色光時，在散射光中會出現頻率f之外的f±fR， f±2fR等頻率的散射光，對此現象稱喇曼效應。由於它是物質的分子運動與格子運動之間的能量交換所產生的。當物質吸收能量時，光的振動數變小，對此散射光稱斯托克斯（stokes）線。反之，從物質得到能量，而振動數變大的散射光，則稱反斯托克斯線。於是振動數的偏差FR，反映了能級，可顯示物質中固有的數值。 利用這種非線性媒體做成的光纖，稱作喇曼光纖（RF：Raman Fiber）。為了將光封閉在細小的纖芯中，進行長距離傳播，就會出現光與物質的相互作用效應，能使信號波形不畸變，實現長距離傳輸。 當輸入光增強時，就會獲得相干的感應散射光。應用感應喇曼散射光的設備有喇曼光纖激光器，可供作分光測量電源和光纖色散測試用電源。另外，感應喇曼散射，在光纖的長距離通信中，正在研討作為光放大器的應用。

偏心光纖 標準光纖的纖芯是設置在包層中心的，纖芯與包層的截面形狀為同心圓型。但因用途不同，也有將纖芯位置和纖芯形狀、包層形狀，作成不同狀態或將包層穿孔形成異型結構的。相對於標準光纖，稱這些光纖叫異型光纖。 偏心光纖（Excentric Core Fiber），它是異型光纖的一種。其纖芯設置在偏離中心且接近包層外線的偏心位置。由於纖芯靠近外表，部分光場會溢出包層傳播（稱此為漸消彼，Evanescent Wave）。 因此，當光纖表面附着物質時，因物質的光學性質在光纖中傳播的光波受到影響。如果附着物質的折射率較光纖高時，光波則往光纖外輻射。若附着物質的折射率低於光纖折射率時，光波不能往外輻射，卻會受到物質吸收光波的損耗。利用這一現象，就可檢測有無附着物質以及折射率的變化。 偏心光纖（ECF）主要用作檢測物質的光纖敏感器。與光時域反射計（OTDR）的測試法組合一起，還可作分佈敏感器用 ^[1]  。

發光光纖 採用含有熒光物質製造的光纖。它是在受到輻射線、紫外線等光波照射時，產生的熒光一部分，可經光纖閉合進行傳輸的光纖。 發光光纖（Luminescent Fiber）可以用於檢測輻射線和紫外線，以及進行波長變換，或用作温度敏感器、化學敏感器。在輻射線的檢測中也稱作閃光光纖（Scintillation Fiber）。 發光光纖從熒光材料和摻雜的角度上，正在開發着塑料光纖。

多芯光纖 通常的光纖是由一個纖芯區和圍繞它的包層區構成的。但多芯光纖（Multi Core Fiber）卻是一個共同的包層區中存在多個纖芯的。由於纖芯的相互接近程度，可有兩種功能。 其一是纖芯間隔大，即不產生光耦會的結構。這種光纖，由於能提高傳輸線路的單位面積的集成密度。在光通信中，可以作成具有多個纖芯的帶狀光纜，而在非通信領域，作為光纖傳像束，有將纖芯作成成千上萬個的。 其二是使纖芯之間的距離靠近，能產生光波耦合作用。利用此原理正在開發雙纖芯的敏感器或光迴路器件。

空心光纖 將光纖作成空心，形成圓筒狀空間，用於光傳輸的光纖，稱作空心光纖（Hollow Fiber）。 空心光纖主要用於能量傳送，可供X射線、紫外線和遠紅外線光能傳輸。空心光纖結構有兩種：一是將玻璃作成圓筒狀，其纖芯與包層原理與階躍型相同。利用光在空氣與玻璃之間的全反射傳播。由於，光的大部分可在無損耗的空氣中傳播，具有一定距離的傳播功能。二是使圓筒內面的反射率接近1，以減少反射損耗。為了提高反射率，有在簡內設置電介質，使工作波長段損耗減少的。例如可以作到波長10.6pm損耗達幾dB/m的 ^[2]  。

所謂百兆光纖是指接入的速率是100M，100M是指的是100Mbps（megabitspersecond兆比特每秒），單位是bits，而不是一般文件大小和下載速度的單位bytes。byte是字節，而bits是二進制位元，1byte=8bits。真正的速度應該是100X1024/8，如果算上線路的損耗，速度可能會更低。

一般來説，250KB/秒左右的下載速度，ADSL帶寬需要2M左右，要達到360網速測試器顯示的2MB/秒的下載速度，帶寬需要10M到20M，只有光纖寬帶用户才能達到，因為光纖的上行和下行是均衡的。

要知道網絡傳輸速度一定要明白網絡傳輸速度的單位。我們一般説的百兆、千兆網絡的單位是bps（比特率，即位/秒，bit/s），比如我們説網卡或光纖的傳輸速度是百兆，也就是100Mbps的意思。而在實際應用中（Widnwos、網際快車、迅雷等）使用的傳輸單位是字節/秒（Byte/s)。電腦中1字節=8位，因此100兆的光纖速度等於12.5MB/s(即100Mbps/s除以8）。有很多人把網絡的速度單位也理解為字節/秒(Byte/s)，所以感覺好像是運營商沒有給他分配足額的帶寬。這也只能是理論值，實際應用中還會受到諸多的影響，電磁，電腦，服務器，網絡堵塞等，一般來説只能達到理論值的七成至八成，有些的網卡能達到九成 ^[3]  。