光学元件之十：神奇的光纤世界

光纤技术深度解析与航鑫光电的创新应用

在现代科技领域，直通光纤作为基于全反射原理的圆柱形介质波导，凭借其独特的物理特性，在通信、传感、医疗等诸多领域发挥着关键作用。其由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层构成，在设计时需综合考量几何形状、尺寸以及折射率分布，遵循满足使用需求、减小传输损耗、确保性能一致性和可重复性等原则。航鑫光电在直通光纤设计研发方面成果斐然，其专业化的直通光纤设计具备高通量特点，与公司的微型光谱仪、光纤光源及其他光谱配件协同，可搭建多样化的光谱测量系统。

光纤的分类与技术特性多模与单模光纤的技术差异

多模光纤是支持数百个传导模式的波导结构，纤芯直径较大。其性能取决于折射率分布，通过 g 次方分布模型可表示芯区折射率分布，不同的 g 值对应不同的分布类型，如三角分布（g = 1）、抛物线分布（g = 2，即梯度分布）和阶跃分布（g→∞）。传导模式数量与归一化频率和折射率分布相关。在行业应用中，用于信号传输时需减小模式色散以提升带宽；用于传感和能量传输时，需优化纤芯尺寸与数值孔径以提高耦合效率。理论上，梯度分布能有效减小模式间群速度差异，降低模式色散，可通过优化 g 次方分布指数或变分法计算群时延方差来修正分布参数。

单模光纤仅允许单一模式（基模）传输，纤芯直径极小。通过精确控制归一化频率确保单模传输条件。其色散主要包括材料色散、波导色散和偏振模色散。材料色散源于石英材料折射率随波长的变化，在特定波长附近过零；波导色散始终为负值，可通过光纤结构参数调控。实际应用中常采用复杂的包层结构设计，通过调整内包层参数来控制截止特性和色散特性。由于消除了模式色散，单模光纤具有更宽的传输带宽和更低的传输损耗，是现代高速长距离通信系统的理想传输介质。通过合理设计折射率分布和几何参数，可精确控制总色散特性，引入等效阶跃折射率模型可简化分析和设计过程。

特种光纤的多元化应用功能性光纤

变折射率光纤：纤芯折射率沿径向呈抛物线型连续分布，光线呈正弦或余弦轨迹传播，可实现光波的连续偏转与聚焦。采用离子交换法制造，通过控制交换温度和时间获取理想折射率分布。在微型光学系统、光纤耦合和波分复用器构建等领域有重要应用，突破了传统光学元件的尺寸限制，为光电集成技术发展提供支撑。

偏振保持光纤：用于解决单模光纤中正交偏振模式耦合问题，核心参数是模双折射，按强度和传输特性有不同分类。在光纤陀螺、干涉传感器或相干通信等领域应用时，需权衡双折射强度、传输损耗等因素进行优化选择。通过引入各向异性抑制模式耦合，提高系统性能。

少模光纤：在特定波段可传输有限数量空间模式，如基模与低阶模，可通过不同构型实现模式特性调控。在光通信领域采用模分复用技术提升频谱效率，利用基模大模场面积降低非线性效应；在传感领域可实现多参量同步检测，兼具单模和多模光纤的部分优势，平衡了传输容量与模式色散的矛盾。

新材料光纤

氟化物光纤：以 ZrF₄ 基氟化物体系为核心材料，具有优异的红外透光性，但实际损耗受多种因素影响。适用于化学传感、环境监测、医疗诊断和激光传输等领域，在热光学应用中有独特优势，长距离传输潜力大，但需突破关键技术瓶颈。

硫化物光纤：基于 As - S 和 Ge - S 硫系玻璃体系，在特定大气窗口有独特透光性能，不过发展受材料纯化和制备工艺限制。可用于红外传感、热成像和激光传输等，透光特性不可替代，通过技术改进有望提升综合性能。

空芯光纤：以空气为纤芯，传光机制基于全反射原理，分为全反射型和泄漏场型，镀膜技术是关键。用于中红外波段的能量传输，如激光医疗、工业加工和红外传感，具有无材料色散、高损伤阈值和独特的气体填充能力，为高功率激光传输提供理想方案。

多晶红外光纤：以多晶材料为基础，在中红外波段具有低损耗和良好柔韧性，但实际损耗高于理论值。用于 CO₂ 激光传输、激光医疗和工业加工等，在复杂环境部署中有优势，未来应用价值有望凸显。

紫外光纤：专门传输紫外光信号，主要材料体系有石英玻璃、PMMA 塑料、蓝宝石晶体和液芯等。在激光医疗、光谱分析和环境监测等领域有重要应用，解决了普通光学玻璃对紫外光透过率低的问题，但面临材料和工艺挑战。

聚合物光纤：以高分子聚合物为基材，具有密度低、柔韧性好和紫外/远红外透光率高等优点，但耐热性等较差。应用于短距离通信、汽车医疗照明等领域，通过优化材料体系可拓展性能和应用范围。

单晶光纤：具有高度有序晶体结构，制备工艺复杂成本高。适用于高温工业过程控制、涡轮机气体监测等特殊环境，在苛刻条件下具有不可替代的价值，未来应用前景广阔。

新型结构光纤

光子晶体光纤：通过引入周期性空气孔阵列形成光子禁带结构，按导光机制分为折射率导光型和光子带隙型。在光通信、传感和非线性光学领域有重要应用，可提升光学相干层析成像分辨率等，具有低损耗、宽带单模传输、可色散调控和便于引入气液体介质等优势。

金属化光纤：在光纤拉丝过程中同步涂覆金属保护层，金属膜层厚度为微米量级。用于高温环境下的物理量监测和高精度传感系统，具有卓越的耐高温性能和可设计的敏感特性，为极端环境光电测量提供创新方案。

双包层光纤：采用四层结构，通过内包层传导多模泵浦光，实现均匀泵浦。内包层几何形状影响泵浦效率，广泛应用于高功率激光系统，具备高功率承载、高效率转换等优势，波导设计为特种光纤发展提供借鉴。

多芯光纤：在单一共享包层内集成多个独立纤芯，采用空分复用技术。关键技术是实现低损耗熔接，可构建微型干涉仪系统，用于高精度测量和多参量同步监测，提高传输容量，适用于分布式传感器网络等。

反谐振光纤：基于反谐振波导原理，纤芯通常为空气孔，利用反谐振反射效应导光。适用于高功率激光传输、气体传感和特殊波段通信，具有宽光谱传输、高损伤阈值和优良单模特性等优势。

微纳光纤：直径在几百纳米至数微米范围，实现了光纤技术与微纳技术的融合。可应用于光子集成回路、干涉测量等器件，具有强光场约束、高灵敏度和良好柔韧性等优势，为集成光子学发展提供新路径。

成像光纤的独特应用

成像光纤是专门用于图像传输的特种光纤，基于全反射原理，由玻璃光纤束构成，不同组件有不同的结构设计。在医疗、工业检测、科研等领域广泛应用，尤其适用于恶劣环境，具有被动传输、机械灵活性、高分辨率及环境适应性等优势。

光纤面板：由大量紧密排列的玻璃光纤构成，可将图像无损传输，适用于高精度系统，能承受极端温度。航鑫光电的直通光纤在这方面能为相关系统提供高质量的图像传输支持。

光纤倒像器：通过精确纤维排列实现图像反转，适用于需要纠正图像方向的场景，具有高机械强度和抗干扰能力。

光纤光锥：通过渐变纤维直径实现图像尺寸变换，可提高光输出效率，用于多种成像和分析领域。

传像管：可实现长距离图像传输，适用于复杂环境能降低系统复杂性和风险。

航鑫光电的光纤产品优势与应用前景

航鑫光电生产的直通石英光纤、深紫外石英光纤、可见光玻璃石英光纤、近红外石英光纤、中红外石英光纤等，能满足高能光源传输、光谱搭建、光源采集、光学测温、医学传感、激光治疗等应用领域的需求。这些光纤产品与公司其他光谱配件协同，为搭建多种光谱测量系统提供了有力支持。随着技术的不断进步，光纤在各个领域的应用前景将更加广阔，航鑫光电也将凭借其在光纤设计研发领域的专业优势，持续为行业发展贡献力量。

#直通石英光纤 #直通光纤 #单芯光纤 #多模光纤 #多模石英光纤