光纖光學(xué)是關(guān)于光纖中的技術(shù)，即光傳播最靈活的一種波導(dǎo)。光纖中描述了纖芯技術(shù)，包括各種類(lèi)型的玻璃光纖（例如，石英光纖和氟化物光纖），還有塑料光纖。除了材料不同之外，光纖之間在很多其它方面也不同，尤其是在光纖纖芯中的傳播特性。例如：

單模光纖和多模光纖，支持一個(gè)導(dǎo)波模式或者多個(gè)模式

具有很大有效模式面積的大模式面積光纖

保偏光纖

長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蛽p耗光纖

色散緩變光纖和色散位移光纖，具有改進(jìn)的色散性質(zhì)

稀土摻雜光纖用于光纖放大器和激光器中，有時(shí)以雙包層光纖的形式工作在高功率情況下

高非線(xiàn)性光纖，例如，用于超連續(xù)光產(chǎn)生

空心光纖，一部分光是在空氣中傳播的

還有各種特種光纖。有些屬于光子晶體光纖（或微結(jié)構(gòu)光纖），在光纖纖芯中包含小的空氣孔。

圖1：光進(jìn)入光纖中，以固定的光束半徑在光纖中傳播直到離開(kāi)光纖。可以將多個(gè)光學(xué)器件連在一起。在全光纖裝置中，光可能*分布在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。

光纖電纜

光纖通常以光纖電纜的形式應(yīng)用，其中光纖被放置在支撐結(jié)構(gòu)中，用來(lái)保護(hù)它免受機(jī)械應(yīng)力和液體的影響。光纖電纜的端口通常是采用光纖連接器，這樣可以方便的與另一個(gè)電纜連接，盡管光纖連接器一般比較脆弱。

光纖電纜間的不同體現(xiàn)在下列方面：

可能包含不同類(lèi)型的光學(xué)，例如單模或多模玻璃光纖或塑料光纖，并且規(guī)格不同。

電纜可能包含光纖數(shù)目不同，從1到幾百。

光纖被保護(hù)的程度不同，例如，抗機(jī)械損傷和防潮。

有些光纖是防火的。

光纖器件

除了光纖之外，存在很多種類(lèi)的光纖器件，可以通過(guò)光纖連接。很多光纖器件由光纖制造，而其它可能包含不同的其它材料，但是通過(guò)光纖耦合，即將光纖作為輸入和輸出端口。光纖器件的一些例子包括：

光纖耦合激光二極管可用作光纖光學(xué)的光源。也可以采用固態(tài)體激光器或者其它的激光器結(jié)合一個(gè)光纖耦合裝置。

光纖耦合器用來(lái)將不同光源的光合束共同進(jìn)入光纖中，或者作為光纖分離器，例如分配電視信號(hào)到不同的用戶(hù)家中。

光纖光學(xué)模式大小轉(zhuǎn)換器可以有效的在具有不同有效模式面積的光纖間耦合光。

光纖布拉格光柵可以用作波長(zhǎng)選擇的光纖光學(xué)反射器，例如在通信應(yīng)用中波分復(fù)用系統(tǒng)的插分復(fù)用器。另一個(gè)應(yīng)用是引入與波長(zhǎng)有關(guān)的損耗，例如，用于光纖放大器系統(tǒng)中使增益平坦。

光纖連接器可以實(shí)現(xiàn)光纖裝置間可移除或者可重構(gòu)的連接，與電子連接器類(lèi)似，但是更加靈敏。

光纖準(zhǔn)直器將光纖光學(xué)與自由空間光學(xué)聯(lián)系起來(lái)：它可以使光纖中輸出的光準(zhǔn)直，或者將準(zhǔn)直的光束射入光纖中。

光纖耦合法拉第隔離器，旋轉(zhuǎn)器和環(huán)形器可以操控光束的偏振態(tài)。

還有很多其它種類(lèi)的光纖耦合器件用于光束操控，例如，光纖調(diào)制器和飽和吸收器。

還有光纖耦合功率計(jì)和光譜儀測(cè)量光功率和光譜。還有裝置可以測(cè)量偏振態(tài)。

光纖光學(xué)裝置

可以將多個(gè)光纖光學(xué)器件得到具有復(fù)雜功能的全光纖裝置。例如，通過(guò)將光纖耦合激光二極管，稀土摻雜光纖和光纖耦合器裝配成二極管泵浦光纖激光器。附加的器件，例如光纖耦合飽和吸收器和用于色散補(bǔ)償?shù)墓饫w可以實(shí)現(xiàn)鎖模工作，其中激光器輻射一列超短脈沖。還可以加入器件用作Q開(kāi)關(guān)，功率穩(wěn)定，波長(zhǎng)調(diào)諧和其它功能。

光纖放大器和激光器

在激光活性光纖中，大多數(shù)為稀土摻雜光纖，可以基于受激輻射進(jìn)行激光器放大過(guò)程。激光活性離子，例如，Yb3+， Er3+或Tm3+，由一些注入光纖中的更短波長(zhǎng)的泵浦光泵浦，然后放大信號(hào)光。采用這一技術(shù)的光纖放大器可以實(shí)現(xiàn)很高的功率增益，可以達(dá)到幾十分貝。采用雙包層光纖的高功率放大器得到的平均輸出功率為幾百甚至幾千瓦。通過(guò)采用反射器，例如光纖布拉格光柵，或者采用環(huán)形諧振腔可以實(shí)現(xiàn)光纖激光器。

圖2：8字形激光器裝置，在鎖模光纖激光器中有詳細(xì)描述。這里多個(gè)光纖器件組成了一個(gè)復(fù)雜的裝置。由于很高的激光器增益，放大的自發(fā)輻射效應(yīng)，光纖中激光活性離子的準(zhǔn)三能級(jí)行為，強(qiáng)的增益飽和效應(yīng)等，光纖激光器和放大器的工作機(jī)制通常比體激光器更加復(fù)雜。因此，為了更清晰的理解其工作機(jī)制，激光器模型非常重要，采用它可以?xún)?yōu)化裝置設(shè)計(jì)。

體光學(xué)和光纖光學(xué)的比較

傳統(tǒng)的體光學(xué)裝置包含很多分離的光學(xué)元件，例如反射鏡，透鏡，偏振器，濾波器等，而光纖光學(xué)可以制作成全光纖裝置。

它們的技術(shù)方案差別體現(xiàn)在下列方面：

全光纖裝置的一個(gè)非常重要的實(shí)際意義是其結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性。所有的器件都相互連接，因此制作之后不存在不對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題。通常，光纖可以彎曲或者纏繞在一起，而不會(huì)產(chǎn)生不利影響。裝置中不同的部分被嚴(yán)格放置在不同的地方而不會(huì)彼此連接。由于光始終在光纖纖芯封閉在光學(xué)器件中，因此外界的灰塵等不會(huì)影響它。

但是，體光學(xué)裝置更易發(fā)展、測(cè)試和維護(hù)，因?yàn)樗墓鈱W(xué)器件可以很方便的移除或者替換，并且也很容易測(cè)量光束的功率或者光束形狀。因此可以很容易檢查出出錯(cuò)原因或者優(yōu)化單個(gè)器件。另外，可以很容易的通過(guò)改變單個(gè)反射鏡或其位置來(lái)改變整個(gè)激光器裝置中的光束尺寸，而這在光纖裝置中需要替換所有或者大多數(shù)器件。

體光學(xué)器件更容易制作。光纖器件的一個(gè)問(wèn)題就是它需要考慮多個(gè)參數(shù)，例如模式尺寸，偏振保持導(dǎo)波與否，保護(hù)涂層的類(lèi)型和厚度等，因此很難滿(mǎn)足所有參數(shù)的需求和大規(guī)模生產(chǎn)。

體光學(xué)裝置通常需要包含很多昂貴的定位裝置（光機(jī)械裝置），并且每一個(gè)器件都必須經(jīng)過(guò)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程，而該過(guò)程很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。光纖裝置需要精密對(duì)準(zhǔn)，但是通常只在制作過(guò)程中需要，因此無(wú)需采用光機(jī)械裝置。但是，光纖光學(xué)在實(shí)驗(yàn)要求中需要使用昂貴器件，例如熔接機(jī)。因此在數(shù)量很多的情況下，采用光纖光學(xué)更容易節(jié)省成本，但是小數(shù)量的情況下不會(huì)。

在光纖激光器和體激光器中從激光器角度探討了二者的不同，類(lèi)型不同對(duì)技術(shù)的影響以及對(duì)激光器裝置性能的影響作用。

很多時(shí)候體光學(xué)技術(shù)和光纖技術(shù)是混在一起使用的，即光部分在空氣中和體光學(xué)器件中傳輸，部分在光纖中傳輸。因此可以利用兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然也包含二者的缺點(diǎn)。例如，如果裝置包含自由空間光束路徑，那么光纖裝置的堅(jiān)固性就消失了。（需要注意重新將光射入單模光纖比體光學(xué)裝置需要更加精細(xì)的對(duì)準(zhǔn)。）

光纖光學(xué)的重要應(yīng)用

光纖光學(xué)是光子技術(shù)中一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。下面簡(jiǎn)單討論其典型應(yīng)用：

光纖通信現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)核心的技術(shù)，需要將大多數(shù)數(shù)字信號(hào)（電話(huà)、視頻和電視信號(hào)，計(jì)算等）以極快的速度極低的成本傳輸。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展很大程度上得益于現(xiàn)代光纖光學(xué)的發(fā)展。不僅僅是指通信光纖（用于實(shí)際中的數(shù)據(jù)傳輸），還有其他的技術(shù)，例如補(bǔ)償光纖損耗的光纖放大器，合成或分離信號(hào)的光纖耦合器，用于濾波的光纖布拉格光柵，特種光纖用來(lái)進(jìn)行非線(xiàn)性數(shù)據(jù)處理還有很多其它的光纖器件。在長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸方面玻璃光纖占據(jù)主導(dǎo)地位，即使建筑物內(nèi)的短距離傳輸或者光纖光學(xué)裝置之間也占據(jù)越來(lái)越多的份額。

很多光纖激光器不僅應(yīng)用于低功率應(yīng)用中，在其它方面也是非常重要的光源，甚至可以用于非常高輸出功率，例如幾千瓦的平均功率，峰值功率在兆瓦到千兆瓦（需要與體光學(xué)脈沖壓縮器結(jié)合）。它們可以與體激光器想比擬，哪種技術(shù)更合適主要取決于不同的實(shí)際情況。參閱光纖激光器和體激光器獲取更多細(xì)節(jié)知識(shí)。

光纖傳感器用來(lái)傳感例如溫度，壓力和應(yīng)力，旋轉(zhuǎn)，化學(xué)成分等已經(jīng)占領(lǐng)了很多市場(chǎng)，包括飛機(jī)和空間技術(shù)，石油探測(cè)，建筑物（例如，大橋）和管道的控制等。局域的和分布光纖傳感器目前也應(yīng)用于很多領(lǐng)域。

很多光纖只是簡(jiǎn)單地將光從光源傳送到需要的地方，例如，從一個(gè)高功率激光器二極管裝置傳輸?shù)襟w激光器中，從激光器二極管到傳感器系統(tǒng)中在高壓線(xiàn)中傳輸（參閱電力光纖），或者從高功率光纖激光器到汽車(chē)工廠(chǎng)中的焊接機(jī)器人。

光纖裝置模型

在分析和優(yōu)化光纖裝置的工作機(jī)制時(shí)物理模型非常重要。該模型需要考慮下列方面：

光纖模式的性質(zhì)與光纖設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。優(yōu)化的模式結(jié)構(gòu)對(duì)于光纖的性能影響很大。

盡管光纖中的光傳播可以采用模式來(lái)描述，但是通常還需要數(shù)值得出光束傳播情況，例如用于研究缺陷的影響，彎曲和其它外界條件的影響。另外，基于模式的分析在模式數(shù)目非常多的時(shí)候是不實(shí)際的。

在有源光纖裝置（放大器和激光器）中稀土離子的行為是功率轉(zhuǎn)化的主要影響因素。以光纖裝置的極限光強(qiáng)和增益條件而言，這種模型通常比體激光器復(fù)雜得多。

光纖中超短脈沖的傳播會(huì)引入更多的問(wèn)題，例如色散和非線(xiàn)性的影響。需要注意，這些效應(yīng)在光纖這種長(zhǎng)度很長(zhǎng)并且有效模式面積很小的介質(zhì)中尤其強(qiáng)。

很多時(shí)候需要采用光纖模擬軟件，尤其是需要各種數(shù)值模擬的情況。