电子探针丨带您走进光纤的微观世界-多模光纤

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导读

光纤是当今社会的信息神经，随着5G通信时代的到来，加上云计算、大数据、物联网等技术发展，光纤通信的地位还会越来越重要。对高速网络的迫切需求，使全球的光通信产业进入了一个快速发展时期。在科技发展及多项政策的驱动下，特别是近十年来，我国光纤光缆行业发展势头较好，已成为了全球最主要的光纤光缆市场、全球最大的光纤光缆制造国和全球第一大光纤光缆净出口国，业已建成世界最大的光纤网络。一根比头发丝还细的光纤何以如此重要，它有何过人之处，我们借助岛津电子探针带您走进光纤的微观世界。

光纤和多模光纤

光纤由三部分构成：纤芯(Core)、包层(Cladding)、涂覆层(Coating)。涂覆层一般有两层：内层(Buffer layer）和外层(Top layer)。光纤的原理和传输过程就是利用光在纤芯的折射或在纤芯与包层界面上的全反射效应实现光信号的传播。

不同于纤芯较细、只能传输一个模式光信号的单模光纤，多模光纤的纤芯较粗（50或62.5μm），可传多种模式、不同波长的光信号。其特点是低衰减、高带宽及优异的抗弯曲性能，只能用于短距离传输，适用于千兆以太网。多模光纤分为阶跃型和渐变型。

家庭用户所使用的光缆是由多根光纤所排列组合而成的。

多模光纤信号传输示意图

光纤中微区元素分析的意义和难点

单根光纤虽然极为细小，但却分布着较为复杂的掺杂元素。根据设计的不同，元素的种类、含量以及分布特征都差别较大。如何评估最终成型的产品是否符合最初的设计预期，特别是掺杂元素在微米尺度的含量和分布，也决定着产品的性能，而这些掺杂元素常常会涉及到微区分析中的三大难点，即超轻元素、稀土元素和微量元素，这无疑给微区分析带来一定的挑战。

岛津电子探针通过配置4英寸罗兰圆半径的、全聚焦型分光晶体，以及52.5°高X射线取出角，在微量元素、超轻元素和稀土元素测试时，实现了特征X射线检测的灵敏度和分辨率的兼顾。

微区元素分析：岛津电子探针带您走进光纤的微观世界

我们使用岛津电子探针EPMA来对单根光纤进行线、面分析测试。从单根光纤试样的横截面的元素线分布特征和面分布的测试结果，可以观察掺杂元素的含量及各种元素的扩散情况，可以对设计、工艺及产品进行评价。

光纤横截面背散射电子图像

（注：内层纤芯、外层石英，送检前涂覆层已剥离）

多模光纤纤芯横截面的面分析与线分析测试结果如下：

a.G.651光纤纤芯背散射图像(BSE)特征及面分布位置

b.元素 F的面分布和线分布特征

c.元素 si 的面分布和线分布特征

d.元素 P 的面分布和线分布特征

e.元素 CI 的面分布和线分布特征

f.元素 Ge 的面分布和线分布特征

从测试情况看，此次测量的光纤纤芯直径50μm，为G.651 A1a类光纤，属于渐变型光纤。这种光纤的纤芯折射率是不均匀的，按一定规律连续变化的。折射率在光纤轴心处最大，随着纤芯半径的值增大而逐渐减小，直到最大时折射率减小为包层的折射率。为了获得折射率梯度，添加的Ge元素的浓度也具有梯度特征，另外F元素的分布不符合预想的主要聚集于纤芯的特征，也不具有对称性，这或会导致光信号在传输过程中出现很高的衰减。

结语

对高质量视频和数据传输需求、对5G技术使用的要求，以及千兆光纤入户规划，对超高速互联网接入的需求似乎永无止境，这也对光纤的持续研发和生产提出了更高的要求。岛津电子探针有着高灵敏度和高元素特征X射线分辨率的特性，可以在光纤研发和生产的整个流程中提供坚实的数据支持。

撰稿人：赵同新

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