電子探針丨帶您走進光纖的微觀世界多模光纖

導讀

光纖是當今社會的信息神經，隨著5G通信時代的到來，加上云計算、大數據、物聯網等技術發展，光纖通信的地位還會越來越重要。對高速網絡的迫切需求，使全球的光通信產業進入了一個快速發展時期。在科技發展及多項政策的驅動下，特別是近十年來，我國光纖光纜行業發展勢頭較好，已成為了全球最主要的光纖光纜市場、全球最大的光纖光纜制造國和全球第一大光纖光纜凈出口國，業已建成世界最大的光纖網絡。一根比頭發絲還細的光纖何以如此重要，它有何過人之處，我們借助島津電子探針帶您走進光纖的微觀世界。

光纖和多模光纖

光纖由三部分構成：纖芯(Core)、包層(Cladding)、涂覆層(Coating)。涂覆層一般有兩層：內層(Buffer layer）和外層(Top layer)。光纖的原理和傳輸過程就是利用光在纖芯的折射或在纖芯與包層界面上的全反射效應實現光信號的傳播。

不同于纖芯較細、只能傳輸一個模式光信號的單模光纖，多模光纖的纖芯較粗（50或62.5μm），可傳多種模式、不同波長的光信號。其特點是低衰減、高帶寬及優異的抗彎曲性能，只能用于短距離傳輸，適用于千兆以太網。多模光纖分為階躍型和漸變型。

家庭用戶所使用的光纜是由多根光纖所排列組合而成的。

多模光纖信號傳輸示意圖

光纖中微區元素分析的意義和難點

單根光纖雖然極為細小，但卻分布著較為復雜的摻雜元素。根據設計的不同，元素的種類、含量以及分布特征都差別較大。如何評估最終成型的產品是否符合最初的設計預期，特別是摻雜元素在微米尺度的含量和分布，也決定著產品的性能，而這些摻雜元素常常會涉及到微區分析中的三大難點，即超輕元素、稀土元素和微量元素，這無疑給微區分析帶來一定的挑戰。

島津電子探針通過配置4英寸羅蘭圓半徑的、全聚焦型分光晶體，以及52.5°高X射線取出角，在微量元素、超輕元素和稀土元素測試時，實現了特征X射線檢測的靈敏度和分辨率的兼顧。

微區元素分析：島津電子探針帶您走進光纖的微觀世界

我們使用島津電子探針EPMA來對單根光纖進行線、面分析測試。從單根光纖試樣的橫截面的元素線分布特征和面分布的測試結果，可以觀察摻雜元素的含量及各種元素的擴散情況，可以對設計、工藝及產品進行評價。

光纖橫截面背散射電子圖像

（注：內層纖芯、外層石英，送檢前涂覆層已剝離）

多模光纖纖芯橫截面的面分析與線分析測試結果如下：

a.G.651光纖纖芯背散射圖像(BSE)特征及面分布位置

b.元素 F的面分布和線分布特征

c.元素 si 的面分布和線分布特征

d.元素 P 的面分布和線分布特征

e.元素 CI 的面分布和線分布特征

f.元素 Ge 的面分布和線分布特征

從測試情況看，此次測量的光纖纖芯直徑50μm，為G.651 A1a類光纖，屬于漸變型光纖。這種光纖的纖芯折射率是不均勻的，按一定規律連續變化的。折射率在光纖軸心處最大，隨著纖芯半徑的值增大而逐漸減小，直到最大時折射率減小為包層的折射率。為了獲得折射率梯度，添加的Ge元素的濃度也具有梯度特征，另外F元素的分布不符合預想的主要聚集于纖芯的特征，也不具有對稱性，這或會導致光信號在傳輸過程中出現很高的衰減。

結語

對高質量視頻和數據傳輸需求、對5G技術使用的要求，以及千兆光纖入戶規劃，對超高速互聯網接入的需求似乎永無止境，這也對光纖的持續研發和生產提出了更高的要求。島津電子探針有著高靈敏度和高元素特征X射線分辨率的特性，可以在光纖研發和生產的整個流程中提供堅實的數據支持。