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1.引言

1966年高琨发表论文《光频率介电纤维表面波导》(Dielectric-fibre surface wave-guidesfor optical frequencies)[1]，首次提出通过控制玻璃的纯度和成分制备传输损耗非常低的圆形截面玻璃介质纤维波导，实现光波信号有效传输，单模光纤导光原理如图1。几年后，第一根低衰减光纤由康宁公司研制成功，1977年，第一根通讯光缆在芝加哥地下完成铺设，实现了光纤技术应用的“从0到1”。随后，在通讯技术方面，光纤完成了“光进铜退”的工程。同时，传感与激光器两个“新赛道”也高速发展起来，尽管光纤新应用中不能称为“主角”，但是作为元器件，在高功率激光器、航空航天、能源、海洋传感监测以及生物医疗应用等领域中都起到了不可或缺的作用。

图1 单模光纤导光原理

Figure 1 Light-guiding Principle of Single-mode Fiber

针对光电传感技术，有两套应用路线：一是希望充分利用现有光缆的基础，借助基础设施或者附近布设的标准石英单模光纤光缆通讯系统，(损耗已降至0.1 dB /km@1550 nm波长)，对传输过程中的信息进行解调，用以检测基础设施的健康状况(对解调的要求较高，有一些安全方面的隐患);二是通过优化通讯单模光纤，对某些指标的性能进行强化，例如：保偏、多芯、微结构、掺稀土元素、多组分玻璃、塑料光纤等，这些特殊光纤与石英标准单模光纤相比，结构、材料构成更为复杂[2]，因此被称为“特种光纤”。但是不论哪一种技术路线，光纤都在逐渐形成地球表面的“神经”网络，对国防、工业进行“感知”。

用一棵“光纤大树”来看看这个行业(如图2)。光纤大树已经发展了半个多世纪，光纤的上游领域(树根部分)主要涉及玻璃、高分子材料、制造技术等，全球大量的科研院所、企业依然在这一基础条件中贡献着聪明智慧。下游应用(树枝部分)涉及光电通讯、光纤激光、光电传感、生物医疗等几大领域。通信单模光纤的应用优势依然非常明显(高带宽、柔性、抗干扰、化学性质稳定、性价比高)，且占据着主要的地位。然而，特种光纤的发展对新一代的科技发展所起到的作用不可小视，它不仅提升了光纤技术的技术含量，对“5G”信息通信行业新基建发展起到了支撑和促进作用，还对大环境(彩虹和乌云)“一带一路”国际光缆干线战略的建设，突破贸易战中的技术壁垒，都具有重要的作用。

图2 光纤发展树

2.特种光纤的分类

随着物联网、大数据、云计算的兴起和发展，人类对通信有了更高标准的需求;与此同时，光电传感、激光器领域中大量的新颖应用，都需要利用不同的结构，或者化学元素，制备并合成更为可靠的、多样化的光纤。

任何技术发展的目的都是为了解决某一实际问题，特种光纤往往是从定制化研究开始的。所以特种光纤的类型非常多，经过半个世纪的积累，可以梳理出一些规律(这里不考虑非光学应用的纤维)。

如图3，特种光纤按照结构分类主要可以分为微结构光纤(典型代表：空芯带隙型光子晶体光纤)、多芯光纤、保偏光纤(典型代表：熊猫型保偏光纤)、异形芯光纤(典型代表：方形结构纤芯光纤)等。

光学材料也有着不同的分类，石英玻璃材料是一种非常稳定的玻璃基材，经历数十年的考验和发展，可以通过人工合成严格控制玻璃纯度;稀土掺杂石英玻璃也是非常重要的一类光学材料，例如掺铒光纤放大器(EDFA)[4]，工作波长正好为石英玻璃最低的衰减波长(1550 nm)，在光纤通讯领域的应用效果显著。

然而早期，人们选用石英玻璃材料之前，合适拉制光纤的光学玻璃材料还有氟化物玻璃、硫系玻璃等，被称为“多组分玻璃”(也可称为“软玻璃”)。

图3 特种光纤分类

2.1结构类的特种光纤发展历程[3]

光纤在使用过程中必然受到外部应力作用，使光纤表现出一定程度的偏振模色散，1972年F.P.KAPRON首次开展单模光纤双折射的研究，研究表明单模光纤的双折射特性和信息传输与光纤长度相关，为此，能够维持光波偏振态，减少偏振色散的保偏光纤(例如熊猫型保偏光纤)在20世纪80年代被广泛研究应用。图4 为特种光纤的结构发展历程。

第一根光子晶体光纤(PhotonicsCrystalfiber)诞生于1996年，其形状为固体纤芯被正六边形阵列的圆柱孔环绕，随后各种结构的空芯光子晶体光纤层出不穷，如1999年由巴斯大学光电组R. F. Cregan研究的空芯带隙光子晶体光纤，以及2010年由巴斯大学气相光子材料组研制的空芯反谐振光纤。光纤的衰减水平也持续优化，有赶超通讯单模光纤的趋势。

图4 特种光纤结构发展历程

1979年S.INAO为了开发高集成度大芯数光缆结构而提出了多芯光纤的概念。经过理论完善和实验研究，1994年，法国电信制作出了可实用的梅花形四芯单模光纤，多芯光纤开始走向了实用化、商品化。多芯光纤为增大光纤通信容量提供可能，同时由于其自身的敏感性，在光纤传感领域的应用也变得多样化。目前光源或光接收设备还只能利用单模光纤连接，因此要推广多芯光纤首要解决的问题是与单模光纤之间的连接，主要的解决方案为光纤束，空间透镜和聚合波导等。

2.2材料类特种光纤发展历程[3]

1952年英国南安普顿大学就对磷酸盐玻璃的形成和结构进行了研究，磷酸盐玻璃可以形成基本结构组成单元和孤对电子两种结构，因此可实现高浓度稀土掺杂，获得激光输出，该类光纤主要用作短距离的信号传输和图像传输，且由于不同比例的材料成分制作出来的玻璃光学性质不同，使得多组分玻璃的种类繁多，制造成本也比较低。目前主要的种类有：重金属氧化物玻璃，氟化物玻璃、硫化物玻璃、碲酸盐玻璃以及“肖特”体系玻璃等。图5为特种光纤材料的发展历程。

图5 特种光纤材料发展历程

1961年，掺钕玻璃被研制成功，首次应用于激光器。1987年掺铒单模光纤成功实现通信信号的放大，产生增益[4]，使全光通信距离延长至几千公里，克服光纤损耗的限制，达到全光纤通信目的。自此稀土掺杂光纤受到重视，但掺杂是光纤抗辐射性能的主要限制因素，也成为科研的重点攻坚方向。

1964年美国杜邦公司研制出聚甲基丙烯酸甲酯芯的塑料纤维，如今成为短距离通信网络的理想传输介质，在照明装饰、未来家庭智能化、办公自动化、工控网络化、车载机载通信网以及多媒体设备中的数据短距离传输中具有重要的地位。(图片来自于国外塑料期刊，文章名称《塑料光纤产品研发技术要点》)

1980年代初，新一代用于信息传递和光能传输的红外玻璃光纤被广泛深入的探索(图片来自于日本Fiber labs公司产品)，尤其是中红外波段的激光传输，中红外激光技术日渐发展成熟，但仍存在热效应累积造成的工作物质损伤、热透镜效应破坏光束质量、激光器功率提高受限等问题。

3.保偏光纤

保偏光纤是特种光纤中发展最为成熟、应用较为广泛的一类。在国内，保偏光纤在光纤传感行业中经历了若干个“五年计划”的发展，形成了成套制备及应用技术。

3.1保偏光纤的分类及应用

1980年以前，在光纤中实现偏振态控制，以减小偏振带来的模式色散是非常困难的。经过数十年的发展，在美国、日本和欧洲的保偏光纤技术愈渐成熟的驱动下，全球保偏光纤技术快速发展，我国的保偏光纤产品也在不断的优化和革新。保偏光纤按照结构分类主要有(如表1)：熊猫型(PANDA)、领结型(bow-tie，也称为蝴蝶型)、椭圆包层型(elliptical cladding)、椭圆纤芯型(elliptical core)、扁平包层型、边槽型/边隧道型、以及扭转保偏光纤等。按照双折射系数分类，可以分成高双折射光纤(B~10-4)和低双折射光纤(B~10-9)，无论高双折射还是低双折射，都存在多类型的技术方案。

表1 各类保偏光纤的优缺点

保偏光纤应用涵盖了电信、医学和传感器等领域，相干光通讯和光纤陀螺仪传感系统对偏振态的控制也非常重视，如光学相干反射法(OCR)在医学上的应用，外科医生能够通过这种方法区分血管壁和自身阻塞之间的关系，实现“冠状动脉慢性全阻塞”(CTO)区域的安全切除。

目前商用保偏光纤产品中熊猫型保偏光纤占领着主导地位，主要应用于光纤陀螺(FOG)中，光纤的性能参数直接决定光纤陀螺的性能，是光纤陀螺中的敏感部分，也是至关重要的核心元件。

目前，光纤陀螺与激光陀螺、MEMS陀螺的竞争越来越激烈，一系列新型陀螺仪也不断涌现，提高精度和降低成本成为必然。保偏光纤得益于光纤陀螺在航空、海洋环境的广泛应用，其衰减、偏振，非线性等光学性能以及几何尺寸控制方面得到了快速的优化提升，成为光纤陀螺应用中不可替代的核心部分。因此为实现高性能光纤陀螺器件的轻型化、低成本，保偏光纤的包层直径逐渐由125 μm演变为80 μm、60 μm，还出现了40 μm和更细的光纤，如图6。保偏光纤外径尺寸不断减小，如何在减小光纤外径的同时保持光纤的良好性能成为光纤设计和制造过程中的一大难题;其熔接对轴设备的国产化替代，也是同样需要进一步研究解决。

图6 光纤陀螺小型化，保偏光纤发展趋势

3.2熊猫保偏光纤制备

基于石英玻璃材料制备的光纤经过几十年的发展，开发工艺程序基本定型，分为两步：(1)预制棒的制备(2)光纤预制棒拉丝。

（1）传统单模光纤的预制棒制备工艺主要采用：改进化学汽相沉积法(MCVD)，外部汽相沉积法(OVD)，汽相轴向沉积法(VAD)和等离子体化学汽相沉积法(PCVD)。保偏光纤预制棒制备与单模光纤工艺类似，通过MCVD制备芯棒;对已沉积好的单模光纤预制棒进行打孔，即在纤芯两侧钻出用于布设应力区的两个尺寸一致的对称平行孔;应力棒是含了硼元素的掺杂石英玻璃;将应力棒(硼硅玻璃)分别套入两个孔内，形成完整的熊猫型保偏光纤预制棒，如图7。

图7 熊猫保偏光纤制备过程

（2）光纤的“拉丝”是把预制棒拉伸成丝的“等比例缩小”过程。掺硼玻璃和石英玻璃存在不同的玻璃态温度，同时拉制过程中，可将应力固化在玻璃丝内，即在纤芯中引入了应力双折射。因为存在材料等热膨胀系数差异，保偏光纤相对于普通光纤更为“娇贵”，对切割、熔接、弯曲等应用操作的要求也很高。

4.特种光纤国内外发展现状

保偏光纤作为较为成熟的一类传感用的典型光纤，从保偏光纤的发展状况，也可以反映出其他特种光纤普遍存在的现象。保偏光纤经历了从进口到全产业链的国产化，尤其在光纤陀螺领域，不少行业专家评价说，国内的光纤陀螺技术已经逐渐从“并跑”达到了“领跑”全球。

特种光纤发展的60年里，每一种光纤都有自己的发展周期，都在经历从进口到国产化的过程。如今全球主营的特纤公司达到50余家(如图8)，主要集中在欧洲、美洲、亚洲地区，欧洲主营的公司有丹麦的NKT Photonics，德国J-fiber，法国GLO Photonics，英国Fiber Core等;美洲主营的公司有美国Corning、OFS、Nufern，加拿大Coractive、IVG Fiber等;亚洲主营公司主要集中在中国的长飞、烽火、长盈通和日本的Sumitomo、Hitachi等。

图8 特种光纤主营企业分布情况

通过国内外同类型产品的对比，国外技术有非常多值得我们学习和借鉴之处，其成熟产品对损耗、尺寸结构、光学指标的控制更加灵活、稳定，技术成熟度普遍领先于国内近10年。更关键的，国外针对特种光纤开发的配套测试仪器仪表相对于国内精度更高，功能更全面。拥有良好的评判手段，是促进技术发展的基础。我国如果要在特纤领域赶超，提高现有的特种光纤开发配套技术综合能力，将是未来若干年发展的重中之重。

另一方面看，我国特种光纤的发展已经完成了“从无到有”的历史，现在进入“从有到优”的新阶段。结合“5G”时代的到来，“一带一路”战略，以及我国的良好内循环为契机，从根源上解决了特种光纤从开发到应用的限制问题。我国也不断地为行业注入新的技术。在一些产品领域，也具备了全球领先水平的能力。

5.结束语

了解了特种光纤技术如何走到今天，会更明确地知道我们未来将会面临什么。特种光纤种类繁多、用途广泛，物联网和云计算等新技术的出现，使特种光纤及各种新型光电子器件的需求快速增加，特种光纤作为一个新兴的产业，面临巨大的发展机遇与挑战。

特种光纤将更深入地应用于工业智能装备、生命健康监控、航空和海洋探测，以及能源产业，成为城市的“神经网络”。然而，这依旧需要全行业的不断努力，推进“标准化”，让特纤不再“特”;需要我们共同努力，解决特种光纤应用配套技术依然存在依赖进口的问题，让特种光纤真正成为“好用”的光纤。

 

参考文献

[1] Kao, K. C.; Hockham, G. A. (1966). Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies[J].Proc. IEE.113(7): 1151–1158.

[2] 廉正刚, 陈翔, 王鑫, et al. 微结构和集成式功能光纤的制备和潜在应用[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(17): 615-2.

[3] Jeff H. City of light [M]. USA: Oxford University Press, 2004.

[4] Mears R J, Reekie L, Jauncey I M, et al.Low-Noise Erbium-Doped Fibre Amplifier at 1.54 μm [J]. Electronics Letters, 1987, 23(19): 1026-8.