光纤及光纤跳线详解

光纤既是常见的传输介质，也是光学系统中的柔性导光通道和采样接口。看起来相似的光纤，在空间模式、偏振特性、耦合方式和输出光场上可能有明显差异：单模光纤适合传输稳定光斑，多模光纤更擅长集光，保偏光纤则用于保持偏振。把多根光纤组合起来，可以做成直通或扇出光纤束；在光纤末端加上探头，还能直接测量液体或固体样品。下面就从光纤的导光原理说起，逐一解析这些器件的特性与适用场景。

先记住这条主线：单模约束空间模式，多模侧重集光与通量，保偏用于维持沿本征轴传输的偏振态；光纤束解决多通道和端面排布，光纤探头则负责让光以可重复的方式接触样品。

一、光纤的基本导光原理

 

图1 光纤结构示意图

 

一根光纤通常由纤芯、包层、涂覆层、缓冲层和外护套组成。纤芯的折射率略高于包层，满足导光条件的光会被限制在纤芯附近传播。用几何光学解释，这就是纤芯与包层界面上的全反射；而更严谨的电磁场理论则指出，光纤是一种圆柱形介质波导，其中传播的是满足边界条件的电磁本征模式。

 

图2 光纤结构示意图

 

光纤的集光能力常用数值孔径（NA）表示。外界介质为空气时，可近似写成：

对应最大接受半角。NA 越大，通常能接收的入射角范围越宽，输出发散角也越大。

对圆形阶跃型光纤，归一化频率：

其中 a 是纤芯半径，λ 是真空波长。当 V<2.405 时，理想阶跃型光纤只支持基模；V 继续增大，高阶模式便会出现。这说明“单模”与否和工作波长密切相关——同一根光纤在较长波长下是单模，换到更短波长则可能变为多模。

二、光纤跳线的结构与连接方式

 

光纤跳线是在一段光纤两端预先装好连接器、插芯和保护结构，可直接接入设备的组件。除光纤类型外，一条跳线的关键参数还包含工作波长、纤芯或模场尺寸、NA、长度、护套、连接器和端面研磨方式等。这些参数共同影响插入损耗、回波损耗、偏振稳定性以及重复插拔的一致性。常见连接器包括 FC 和 SMA，它们在固定方式、定位结构及适配设备上各有特点。

FC（Ferrule Connector）是螺纹锁紧式连接器，连接稳定、不易松动，是实验室光纤激光器、光纤准直器、光谱仪和光纤耦合器中的常见选择。FC 连接器通常带有定位键（常见键宽为 2.0 mm 和 2.2 mm），按端面研磨方式又可分为 FC/PC、FC/UPC 和 FC/APC。

 

图3 FC接头示意图

 

PC、UPC 和 APC 指光纤端面的不同研磨方式。它们改变端面的接触形态与反射光方向，主要影响连接处的回波反射。

PC（Physical Contact）物理接触研磨：PC 端面不是完全平的，而是略带球面，使两根光纤的纤芯区域能更好接触，减少空气间隙带来的菲涅耳反射。其回波反射低于早期平面研磨，能够满足一般光纤传输和准直应用。PC 与 UPC 同属直端面体系，通常可以互联，但连接性能会受端面质量较低的一侧限制。

UPC（Ultra Physical Contact）超物理接触研磨：UPC 可以理解为 PC 的更高精度版本，端面抛光更好，通常回波损耗优于普通 PC。UPC 仍采用非斜面接触，常见连接器颜色为蓝色，多用于通信、测试和实验室系统，适合对端面反射要求高于普通 PC 的场景。

APC（Angled Physical Contact）斜面物理接触研磨：APC 端面通常为约 8° 斜角。反射光不会沿原光路返回光纤芯，而是偏离到包层或其他方向，因此回波反射更低。APC 的回波损耗通常优于 PC 和 UPC，常见连接器颜色为绿色，适合激光器、干涉测量等对回返光敏感的系统。由于端面角度不同，APC 不能与 PC 或 UPC 直接互联。

 

图4 PC、UPC、APC端面形状示意图

 

SMA 是另一类螺纹式光纤连接器，常见型号为 SMA905。它结构坚固，常用于多模和大芯径光纤、光谱仪、宽带光源、传感及工业系统。SMA 的设计重点是机械可靠性和大芯径适配，并不以精密单模连接所要求的低损耗、高重复定位精度为主要目标。

 

 

图5 SMA接头实物图

三、单模、多模与保偏光纤跳线的原理和应用差异

 

1. 单模光纤跳线：稳定的基模传输

 

单模光纤在指定波长下只允许基模稳定传播。由于没有多个空间模式以不同群速度同时传输的情形，模间色散基本被消除，输出光场通常接近高斯分布。因此，它适合对光斑、波前、带宽或相干性有要求的系统。描述单模光纤的耦合特性时，模场直径（MFD）比几何纤芯直径更有代表性，因为自由空间焦斑与光纤基模的重叠程度会直接影响耦合效率。

耦合特点与应用场景：

单模光纤的耦合容差较小——焦斑尺寸不合适、位置或倾角有偏差、端面沾染灰尘，都会明显拉低耦合效率。还要注意，普通单模光纤并不保偏：弯曲、温度和机械应力都可能改变两路正交偏振分量的相位和耦合，输出偏振会随环境漂移。它常用于光纤激光器、干涉测量、精密仪器、相干通信和空间滤波等领域，系统若同时要求偏振稳定，则应改用保偏光纤。

 

2. 多模光纤跳线：多模式与高通量传输

 

多模光纤的纤芯更大、NA 通常也更高，可以同时传输多个空间模式。它对入射位置和角度更宽容，更容易接收 LED、宽光谱光源、荧光、散射光或光束质量一般的激光，适合在有限空间内高效率收集和传递光能。

代价也很明确：不同模式的传播常数不同，会带来模间色散；模式功率分配还会随入射位置、角度、焦斑大小、弯曲和扰动而变化。窄线宽相干光经过多模光纤后，可能出现散斑和模式噪声，近场与远场分布也不一定稳定。因此，多模光纤适合光谱传输、宽带照明、荧光或拉曼信号收集、传感和大通量能量传递，却不适合直接替代对相位、波前或稳定高斯光斑有严格要求的单模光纤。

 

3. 保偏光纤跳线：双折射与偏振保持

 

图6 保偏光纤不同结构示意图

 

保偏光纤通常借助熊猫型应力棒、领结结构或椭圆纤芯引入较强双折射，让两个正交偏振本征轴具有不同的传播常数。线偏振光准确耦合到快轴或慢轴后，两轴间的能量耦合会受到抑制，因此即使遇到弯曲、温漂或轻微扰动，也能保持较高的偏振消光比。实验室常用的保偏跳线多数同时是单空间模光纤，既能稳定输出基模，也能保持偏振方向。

不过，保偏光纤并不会“修正”任意输入偏振。输入线偏振如果没有对准本征轴，或同时激励了快轴和慢轴，两路分量就会积累不同相位；输出可能变成椭圆偏振，并随波长、温度和长度变化。

装调时，除了匹配位置、角度和焦斑，还要旋转连接器或耦合组件，让输入偏振对准标定轴，并确认连接器键位对应快轴还是慢轴。保偏跳线常用于光纤陀螺、偏振干涉仪、相干通信、光纤激光器、量子光学和偏振敏感测量。

 

图7 不同光纤的特点对比图

 

把三类跳线放在一起看，差别会更直观：

 

表1  单模、多模与保偏光纤跳线的主要差异

 

注意：保偏光纤不是起偏器，不能把任意输入光自动变成高消光比线偏振光。多模光纤也不是“低配版单模光纤”，它的优势正是集光能力、耦合容差和宽带光谱传输。

四、多模光纤束的结构与基础应用

 

多模光纤束把多根独立光纤按特定方式排列，并封装在同一护套或公共端面中。它与普通多模跳线的差别，在于通道数量和端面几何；它也不同于熔融拉锥型耦合器——后者在波导中按设计耦合比分配功率，光纤束则主要依靠纤芯的空间排布来收集、重排或分配光。因此，“1 分 N”描述的是端口结构，不代表每个支路天然获得相同功率。

 

图8 多模光纤束的典型排布形式

 

1. 直通多模光纤束

 

图9 直通多模光纤束的排布结构图

 

直通束两端都保留多根独立光纤，可以同步传输多个通道。两端纤芯一一对应时，可用于并行照明、阵列信号传递或多点采集；若两端采用不同排布，例如把环形转换成线形，则能把圆周方向收集的光送到线阵接收面或光谱仪狭缝。需注意，普通直通束也不等于成像光纤束，只有纤芯位置存在严格、已知的一一映射，并满足空间采样要求时，才适合传递图像。麓邦现有直通多模光纤束提供 7 芯、19 芯以及环形、线形等排布。

 

2. 扇出多模光纤束

 

图10 扇出多模光纤束的排布结构图

 

扇出光纤束也叫分叉光纤束或 Y 型光纤束。多根光纤在公共端集中排列，另一端分成多个独立支路。正向使用时，它能把一个照明端送往多个位置；反向使用时，则可将多个采样点的光汇集到公共端。麓邦商城提供 1 分 2、1 分 4、1 分 7 等结构，公共端可选线形或环形排布，适用于光谱分析、过程监控、生物传感、内窥照明和多点采集。支路功率会受到光斑位置与尺寸、NA 匹配、纤芯排布和单根光纤损耗的共同影响；若要求均匀分光，应对整束逐路标定。

 

3. 高羟基与低羟基石英光纤

 

多模光纤束常使用高羟基或低羟基石英。高羟基石英通常适合紫外至可见波段，但在约 1.39 μm 附近有明显的 OH 吸收；低羟基石英减弱了近红外区域的 OH 吸收，更适合可见至近红外传输。两者并非简单对应“紫外光纤”和“红外光纤”，实际传输表现还与具体型号的衰减曲线、光纤长度和工作波段有关。长期用于深紫外时，还要考虑太阳化效应和紫外预处理条件。

五、光纤与探头的原理和基础应用

 

1. 浸入式Y型石英光纤探头

 

图11 浸入式Y型石英光纤示意图

 

浸入式Y型探头主要用于液体样品的吸光度和透射度测量。探头可以直接插入溶液或工业生产液流中，省去比色皿和部分自由空间光路。其公共端采用7芯结构，外围6根光纤连接光源，负责照明；中心1根光纤连接光谱仪，接收经过样品作用后的光信号。

 

这类探头的特点是光程可调。以我们现有型号LB-XSR200-Y7JR-1.0为例，光程可在1～10 mm范围内设置，便于根据样品浓度调整测量条件。它适合溶液浓度分析和液流在线监测，使用时需做好暗背景与参比校准，并留意气泡、悬浮颗粒、窗口污染和温度变化带来的误差。

 

典型应用场景：反应过程检测

在化学动力学实验中，结晶紫与氢氧化钠反应时，溶液会逐渐褪色。如图，将浸入式 Y 型石英光纤探头固定在反应液中，照明光纤将光送入测量区，接收光纤将经过溶液作用的光送至光谱仪。在光程固定且符合比尔–朗伯定律的条件下，约 590 nm 处吸光度的下降可反映结晶紫浓度的降低。连续记录这一变化，可用于分析反应进程，比较不同条件下的反应速率，无需将反应液转移至比色皿。

 

图12 浸入式 Y 型石英光纤探头监测结晶紫褪色反应实验示意图

 

2. 反射光纤探头

 

图13 反射光纤示意图

 

反射光纤探头也采用 Y 型结构。公共端靠近样品，照明纤芯把光送到表面，接收纤芯再将反射光耦合进光谱仪。麓邦现有 7 芯探头采用 6 芯照明、1 芯接收的配置，适合固体、涂层、粉末和不便做透射测量的样品。需要明确的是，反射率不只由材料决定，还会受到探头距离、倾角、光斑覆盖、表面粗糙度和漫反射标准的影响。为确保数据可比性，一般需要固定探头姿态和样品位置，先扣除暗背景，再用合适的白参考校准。遇到强镜面反射样品，还要防止镜面光让接收通道饱和。

典型应用场景：涂层反射特性比较

在涂层配方实验中，反射光纤探头可用于比较不同颜料配比样片的反射特性。如图，照明光纤将光送至涂层表面，接收光纤收集返回的光，并送入光谱仪。完成暗背景和白参考校正后，保持探头与样品间的距离和角度一致，即可采集用于对比的相对反射光谱。在基底、膜厚和固化条件一致的情况下，比较不同样片的光谱差异，可研究配方变化对反射特性的影响。

 

图14 反射光纤探头比较不同配方涂层的反射光谱实验示意图

结语

 

光纤看似只是一根细线，但决定其具体用途的核心，在于光在纤芯中以什么模式传播、偏振能否稳定保持，以及两端怎样与设备连接。单模、多模和保偏光纤的差别也由此产生：单模光纤侧重稳定的基模传输，多模光纤更适合收集和传递较大通量的光，保偏光纤则利用双折射结构维持沿本征轴传输的偏振态。连接器和端面研磨方式虽然不改变光纤本身的导光原理，却深刻影响着连接稳定性、插入损耗和回波反射，是实际系统中不可忽视的环节。

当一根光纤无法满足多通道传输或空间重排的需要时，多根光纤可以组成直通或扇出光纤束；当光路需要进一步接触样品时，浸入式和反射式探头又把照明、采样与光谱测量连接起来。从光源到样品，再到光谱仪，光纤、跳线、光纤束和探头各司其职，承担着不同环节的传光任务。理解这些器件的结构和工作方式，便能在实际应用中做到精准选型与高效排故。