梯度光纖簡(jiǎn)介

光纖的特性是由它的折射率分布所決定的。光纖橫截面上的折射率一般都是圓對(duì)稱的，它只和徑向坐標(biāo)有關(guān)。根據(jù)纖芯折射在橫截面上的分布形狀來(lái)劃分時(shí)，有階躍型光纖和梯度型兩種。階躍型光纖在纖芯和包層交界處的折射率呈階梯形突變。纖芯的折射率和包層的折射率均是常數(shù)。梯度型光纖纖芯的折射率隨著半徑的增加而按一定的規(guī)律（如平方律、雙正割曲線等）逐漸減小，到纖芯與包層交界處變?yōu)榘鼘诱凵渎剩w芯的折射率不是均勻常數(shù)。

漸變型光纖能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高。多模光纖多為漸變型光纖。由于高次模和低次模的光線分別在不同的折射率層界面上按折射定律產(chǎn)生折射，進(jìn)入低折射率層中，因此，光的行進(jìn)方向與光纖軸方向所形成的角度將逐漸變小。同樣的過(guò)程不斷發(fā)生，直至光在某一折射率層產(chǎn)生全反射，使光改變方向，朝中心較高的折射率層行進(jìn)。這時(shí)，光的行進(jìn)方向與光纖軸方向所構(gòu)成的角度，在各折射率層中每折射一次，其值就增大一次，最后達(dá)到中心折射率最大的地方。在這以后，與上述完全相同的過(guò)程不斷重復(fù)進(jìn)行，由此實(shí)現(xiàn)了光波的傳輸?？梢钥闯?，光在漸變光纖中會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)整，從而最終到達(dá)目的地，這叫做自聚焦。

光纖折射率分布，這里主要指的是梯度光纖的折射分布，是光纖的一個(gè)非常重要的參數(shù)。因此，光纖折射率分布的測(cè)試，就是光纖測(cè)試中的重要組成部分。有各式各樣的測(cè)光纖折射率分布的方法。若按橫截面上的折射率分布情況，可將光纖分為突變型 （或階躍型）、漸變型（或梯度型）以及三角形等。三角形是漸變型光纖的一種特例。突變型光纖(Step Index Fiber，SIF) 的纖芯折射率高于包層折射率，使得輸入的光能纖芯至包層的交界面上不斷產(chǎn)生全反射而前進(jìn)。這種光纖纖芯的折射率 是均勻的，包層的折射率稍低一些。在突變型光纖中，纖芯到玻璃包層的折射率是突變的，只有一個(gè)臺(tái)階，所以也稱為突變型折射率多模光纖，簡(jiǎn)稱突變光纖，也稱階躍光纖。這種光纖的傳輸模式很多，各種模式的傳輸路徑不一樣，經(jīng)傳輸后到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也不相同，因而產(chǎn)生時(shí)延差，使光脈沖受到展寬。所以這種光纖的模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率也不能太高，只適用于短途低速通信，比如工控。這是研究開(kāi)發(fā)較早的一種光纖，已逐漸被淘汰了。

光纖是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲。一根標(biāo)準(zhǔn)的光纖 包括光導(dǎo)纖維、緩沖層、加強(qiáng)層和外護(hù)套幾個(gè)部分。其中每個(gè)部分都有其特定的 功能，以保證數(shù)據(jù)能夠可靠傳輸。微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常，光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測(cè)脈沖。

多模光纖將光纖按工作波長(zhǎng)以其傳播可能的模式為多個(gè)模式的光纖稱作多模光纖（MMF：MUlti ModeFiber）。纖芯直徑為50μm，由于傳輸模式可達(dá)幾百個(gè)，與SMF相比傳輸帶寬主要受模式色散支配。在歷史上曾用于有線電視和通信系統(tǒng)的短距離傳輸。自從出現(xiàn)SMF光纖后，似乎形成歷史產(chǎn)品。但實(shí)際上，由于MMF較SMF的芯徑大且與LED等光源結(jié)合容易，在眾多LAN中更有優(yōu)勢(shì)。所以，在短距離通信領(lǐng)域中MMF仍在重新受到重視。MMF按折射率分布進(jìn)行分類時(shí)，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。由于SI型光波在光纖中的反射前進(jìn)過(guò)程中，產(chǎn)生各個(gè)光路徑的時(shí)差，致使射出光波失真，色激較大。其結(jié)果是傳輸帶寬變窄，SI型MMF應(yīng)用較少。2100433B

又稱變折射率透鏡或非均勻介質(zhì)透鏡，通常簡(jiǎn)稱梯析(GRIN)透鏡。這是使用具有梯度折射率的介質(zhì)設(shè)計(jì)和制造的光學(xué)成像元件?？芍谱魈菡弁哥R的梯折材料可分：　 　①軸向梯度。折射率沿軸向變化，等折射率面是垂直于光軸的平行平面系。一個(gè)具有軸向梯度的球面元件等效于一個(gè)均勻介質(zhì)的非球面透鏡。

②徑向梯度。折射率沿徑向變化，等折射率面是中心軸對(duì)稱的圓柱面系。其中圓柱端面垂直于軸者稱伍德透鏡，1905年由R.W.伍德制得，其作用如同會(huì)聚(發(fā)散)透鏡。用正一倍放大率的伍德透鏡組成的陣列，已用作商品化的光學(xué)復(fù)印機(jī)的光學(xué)組件，它大大縮小了復(fù)印機(jī)的體積，也提高了光照的均勻性。

③層狀梯度。折射率沿垂直于含光軸的某一平面變化,等折射率面是平行于光軸的平面系,其梯度平板具有類似柱面透鏡的作用，光束在梯度方向上具有會(huì)聚（發(fā)散）作用。若折射率二次方作線性變化，則具有類似棱鏡的作用。

④球梯度。折射率按離定點(diǎn)的距離變化，等折射率面為中心點(diǎn)對(duì)稱的球面系。大氣層近似這種梯度；1854年提出的麥克斯韋魚(yú)眼和1944年提出的盧內(nèi)堡透鏡皆屬此類。前者是一個(gè)理想成像的絕對(duì)儀器，后者由于能寬角度掃描而用于徽波天線方面。

此外，還有等折射率面為拋物面系的拋物線梯度、等折射率面是中心軸對(duì)稱的圓錐面系的錐狀梯度等。昆蟲(chóng)眼睛就近似于拋物線梯度的情形。梯度元件因形小體輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用作皮下組織顯徽鏡、內(nèi)窺鏡、攝影物鏡、施密特校正板等光學(xué)元件，尤宜于用作航天、彈載儀器的光學(xué)組件。梯折透鏡自1969年用離子擴(kuò)散技術(shù)制出自聚焦元件以來(lái)，各種制作技術(shù)陸續(xù)產(chǎn)生，為梯折透鏡設(shè)計(jì)和制造提供了各種材料，隨著制造技術(shù)的改進(jìn)，其前景令人鼓舞。