定义
在径向尺寸上折射率连续变化的光纤。
许多多模光纤是所谓的阶跃折射率光纤，其中折射率是径向位置的函数，即它在某些区域是恒定的，并且在某些位置表现出步长（急剧变化）。 然而，也有所谓的梯度折射率纤维（或梯度折射率纤维），其中折射率在径向方向上平滑变化。 这可以通过纤维制造技术来实现，其中玻璃预制棒的化学成分不断变化。 对于二氧化硅纤维，通常改变锗的浓度，但还可以使用空间可变的氟掺杂。
梯度折射率纤维的典型设计包含从纤维轴向到某个径向位置的抛物线轮廓；在该区域之外，可以有一个恒定的折射率（包层指数），或者首先有一个凹陷的折射率区域（沟槽）。 图1显示了没有这种分度沟槽的简单设计。
图1：渐变折射率光纤的折射率分布，在核心区域呈抛物线。对于1.55μm的波长，引导模式的有效折射率（显示为灰线）大致相等。对于此型号，使用RP 光纤功率软件进行设置，这是 GeO 的抛物线轮廓2已经假设德国硅酸盐纤维中的浓度，这导致近似的抛物线指数分布。 假设纤维包层由纯二氧化硅（→二氧化硅纤维）组成。
准确地说，抛物线是折射率的平方，即介电常数，而不是折射率本身。 然而，在大多数情况下，这个细节在数量上并不那么重要，因为折射率对比度通常很小。
这种抛物线折射率设计的一个显着特征是引导模态的有效折射率是等距的（只是对于最高阶模态，“看到”偏离抛物线形状的外部区域不精确）。 图2显示了有效指数与模式面积的关系；可以看出，有效指数本质上只依赖于模态指数L，而几乎不依赖于M。 （请注意，由于这个原因，图 1 中的许多水平线几乎重合。
图2：光纤的有效指数与有效模面积的关系，点的颜色取决于模态指数l。
如图 3 所示，除最高阶模式外，所有模式的组索引大致相同。 这表明，可以用差模延迟表征的多模间色散非常小，比阶跃折射率光纤小得多。
图3：光纤的有效指数与有效模面积的关系，点的颜色取决于模态指数l。
当然，可以进一步定制折射率曲线，略微偏离抛物线形状，以进一步优化模态特性。 特别是，可以使用不同的指数来推广抛物线轮廓；该指数越高，配置文件就越接近步进索引配置文件。 对于具有高折射率对比度的纤维，可以确定略微偏离 2（抛物线轮廓的值）的优化轮廓指数；最佳值取决于所谓的轮廓色散参数，该参数描述了所选材料成分的组率和折射率之间的关系。 例如，图3中针对抛物线轮廓获得的结果，可以通过修改后的轮廓指数≈1.85进一步显着增强。
基于振荡阵列对抛物面折射率纤维工作原理的直观“解释”可能看起来很有说服力，但实际上相当粗糙！
在直观的图片中，人们可以考虑沿着光纤传播的假设射线。 这种射线会围绕纤维轴进行正弦振荡；索引梯度总是将它们“弯曲”回轴。 强烈降低的多峰间色散有时可以用更高的光远离光纤芯的速度来“解释”，这补偿了强振荡射线的更长几何路径长度，从而有效地导致每米光纤的有效路径长度，这对于所有射线都是相同的。 然而，这幅图景相当粗糙；例如，它表明光线获得的相位延迟与时间延迟密切相关，这实际上是不正确的。 事实上，强模式相关有效指标（见图2）表明，不同模式获取的相位延迟差异很大，而根据图3，时间延迟确实非常相似。
图4显示了一个模拟（使用数字波束传播），其中高斯输入波束在光纤芯中心有些位移。 在光纤中，强度分布振荡，但未完全到达核心区域的边缘。 观察到的振荡与上面提到的射线图片有些相似，但完美的周期性被截止抛物线形状破坏了。 另请注意，振荡强度峰值的横向尺寸沿光纤变化很大。
图4：波束在渐变折射率光纤中的传播，其中高斯输入波束相对于光纤芯的中心略有偏移。 水平灰线表示核心的边缘。
为了进行比较，图5显示了具有相同磁芯半径和最大折射率的阶跃折射率设计。 结果看起来完全不同；人们可以获得强度分布的复杂演变。
图5：与图 7 相同，但用于步进索引配置文件。
梯度折射率光纤的制造
光纤通常是通过从预制棒中拉出来制造的。 （这适用于玻璃纤维以及塑料光纤。 然后，需要用分级折射率轮廓制作预制棒，以便纤维表现出相同的轮廓，只是比例不同。
可以使用不同的工艺来制造这种瓶坯：
- 在玻璃预制件的情况下，芯材通常是用某种化学气相沉积方法生成的。 该过程需要控制，以便通过改变沉积材料的成分来随时间变化折射率。
- 在聚合物的情况下，可以通过掺杂具有较大分子量的高折射率物质来提高折射率。 这些也往往表现出较低的扩散常数。 可以利用这一点来维持浓度梯度，直到聚合完成，梯度被“冻结”。 或者，可以使用具有不同密度和折射率的单体混合物，并获得浓度梯度，例如使用离心力直到聚合完成。
梯度折射率光纤的应用
上面的例子是针对锗酸盐硅酸盐纤维，即玻璃纤维。 例如，典型芯径为50 μm和62.5 μm的类似设计也用于光纤链路中的多模电信光纤，传输距离为几百米。 光纤设计和高精度制造技术已经越来越完善，以获得最小的差模延迟，从而最大限度地提高模态带宽，从而最大限度地提高此类链路的传输能力。 命名OM1和OM2的早期标准；优化后来导致了OM3和OM4光纤，从而大大提高了性能。
通常，只有在相对有限的波长区域（例如850nm左右）才能实现小的差分群延迟，从而获得高模态带宽；例如，对于仅 30 nm 的波长偏差，性能已经严重下降。 然而，已经开发出特殊的宽带多模光纤，其在更宽的波长范围内（例如100μm）提供相对较低的多式联运色散。
未来，通过模分复用可以实现传输容量的进一步大幅增加，这可以通过所谓的多输入多输出（MIMO）技术来实现。 出于某些实际原因，实现相当小的差异群延迟仍然很重要。
分级折射率设计有时也用于其他类型的玻璃纤维，例如中红外光纤[8]。
还有具有分级折射率轮廓的塑料光纤（POF）。 它们通常以相同的方式使用，即，目的是最大限度地减少光纤链路中的多式联运分散效应。
分级折射率光纤不仅用于电信目的，还用于例如激光功率传输（光纤供电），其中人们可以从更好的输出光束轮廓中受益。 对于此类应用，可以使用具有更大芯径的光纤，例如 100、200、400 甚至 600 μm。 另一个应用是使用短片此类光纤作为模场适配器[13]。 一些梯度折射率光纤用于光纤传感器，一些被开发为大模面积光纤[10]，甚至还有用于引导太赫兹辐射的版本[17]。
梯度折射率单模光纤
通常，术语梯度折射率光纤仅用于多模光纤。 然而，单模光纤通常也具有分级（但通常是非抛物线）折射率曲线。 这有时可能只是由于某些制造条件造成的，而在其他情况下，它是为获得某些模式特性而主动定制的——主要是关于色散。 例如，三角形、梯形或高斯型材（可能配备其他功能）用于色散移位光纤。
参考文献
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