揭秘光導纖維

竇光宇

隨著科學技術的迅速發展，光導纖維現已成為大有前途的新型基礎材料。與之相伴的光纖技術也以新奇、便捷受到人們的喜愛。

誕生源于做實驗

1870年初春的一天，英國著名的物理學家丁鐸爾在暗室里做試驗，一股水流從容器的側壁孔中向外流㈩。當人們從側壁給水照明吋，驚奇地發現，本來直線傳播的光，現在竟沿著這股彎曲的水流在耀動，變得彎曲了。這個有趣的實驗，給大家留下了深刻的印象，并因此而產生人們難以估量的社會影響。

后來，人們用玻璃纖維模擬這股水流，制成了玻璃光導纖維。玻璃纖維的一端截面對準某一物體，不管它彎曲成什么樣的角度和形狀，都能從另一端的截面上清楚地看出射入的圖像。

光是沿直線傳播的，而光導纖維則是彎彎曲曲的，光是怎樣從這一端傳送到那一端呢?原來，光由折射率大的物質進入折射率小的物質時，在兩種物質的交界面上會產生全反射，使光不進入折射率小的物質，而全部返回到折射率大的物質中。光導纖維一般由兩層組成，里面一層稱為內芯，直徑幾十微米，但折射率較高：外面一層稱包層，折射率較低。從光導纖維一端入射的光線，經內芯反復折射而傳到末端，由于兩層折射率的差別，使進入內芯的光始終保持在內芯中傳輸。

結構新奇有特性

光纖按傳遞光的波長分為可見光、紅外線、紫外線和激光傳導纖維。根據其纖維結構的不同，又有芯皮型和自聚集型兩大類。取下一截芯皮型結構光導纖維放在顯微鏡下觀察，會看到斷面中央有一根芯、直徑只有幾十微米，芯的四周是一圈包皮。芯是用折別率高的透明玻璃材料做成，包皮則用折射串低的玻璃或塑料做成。另一類自聚焦光導纖維傳導光線的工作原理和芯皮型結構光導纖維有很大不同。這類光導纖維由許多微型透鏡組成，能迫使入射光線逐漸自動吔向纖維的中心軸方向靠攏，進行聚焦，由此保證入射光線不會從纖維材料中漏出去。光纖根據其芯材的不同，有石英系光纖、多組分玻璃光纖和塑料光纖之分。二氧化硅是制造前兩種光導纖維的重要原料，從高純度的二氧化硅或稱石英玻璃熔融體中，拉出直徑約100微米的細絲，稱為石英玻璃纖維。普通玻璃雖然可以透光，但在傳輸過程中損耗大，用石英玻璃纖維光損耗則可大為降低。塑料光纖直徑大、彎曲特性好、不易破斷、重量輕、色散小、成本低，具有更多的優點。光的傳輸距離與光導纖維的光損耗大小有關，光損耗小，傳輸距離就長，否則就需要用中繼器把衰減的信號放火。用最新的氟玻璃制成的光導纖維，可以把光信號傳輸到太平洋彼岸而不需任何中繼站。

在實際使用時，常把千百根光導纖維組合在一起并加以增強處理，制成像電纜一樣的光纜，這樣既提高了光導纖維的強度，又大大增加了通信容量。同樣100米長的銅電纜和光纜，若傳遞信息的頻帶寬同為40000兆赫茲，銅電纜需直徑58毫米的銅纜656股，總重量近220噸，電纜外部的直徑為1458毫米，耗資131萬美元。而光纜只要一根直徑為8.7毫米的光纖，其總重量僅為6.6千克，費用只需680美元。

電信領域顯身手

光也是一種電磁波，它可以像無線電波那樣，作為一種載體來傳遞息。載有聲音、圖像以及各種數字信號的激光從光纖的一端輸入，就可以沿著光纖傳到千里以外的另一端，實現光纖通信。光纖通信的優點是容量大、衰減小、抗干擾性強，

法國專門從事計算機、電子設備、信號處理和圖像技術的波根實驗室，利用光的孤波子和短脈沖，可在光纖內實現無失真傳輸。這一技術可解決色散和非線性效應問題，無需沿光纜設置多個再生裝置。工作時只需在每100千米左右的地方設置一個放大器。孤波子波就可以相互穿越，互不干擾。

用光纜代替通信電纜，可以節省大量有色金屬，每千米可節省銅1.1噸、鉛2～3噸。光纜有質量輕、體積小、結構緊湊、絕緣性能好、壽命長、輸送距離長、保密性好、成本低等優點。光纖通信與數字技術及計算機結合起來，可以用于傳送電話、圖像、數據、控制電子設備和智能終端等，起到部分取代通信衛星的作用。

近年來，由于光纖通信的異軍突起，以海底光纜代替海底電纜已成為發展趨勢。目前，全世界已經鋪設海底光纜達40萬千米，這個長度可以繞地球10圈。而且，由于兩端采用了激光器，在傳輸中已經不再需要放大信號的中繼器，這樣，就會使成本大大降低，通話費用相應減少。在現代化的全球通信網絡中，最長的海底光纜達3萬多千米，能夠把32個國家和地區連通在一起。現在，連接全世界的海底通信光纖電纜正在鋪設之中。這是現今通信領域最宏偉的工程，得到全世界30個國際電信組織的支持。它橫跨大西洋、穿越地中海、經紅海和印度洋，穿過馬六甲海峽進入太平洋，連接175個國家和地區，能夠同時使240萬部電話通話或同時傳輸幾十萬幅壓縮的畫面。

應用涵蓋各方面

隨著時光的變遷、技術的發展，光纖的應用領域在日益擴展，現已涉及人類社會的各個方面。

光導纖維在醫學上可以用于食道、直腸、膀胱、子宮、胃等深部探查內窺鏡，還可以用于不必切開皮肉直接插入身體內部的手術激光刀；在國防軍事上用光導纖維制成纖維光學潛望鏡，裝備在潛艇坦克和飛機上，能夠準確地偵察復雜地形或深層屏蔽的敵情：光導纖維可以傳輸激光進行機械加工，制成各種傳感器用于測量壓力、溫度、流量、位移、光澤、顏色、產品缺陷等；在照明和光能傳送方面，利用光導纖維可以實現一個光源多點照明和光纜照明。利用塑料光纖光纜傳輸太陽光，可以為水下地下照明。與太陽能利用結合起來，將成為最經濟實用的光源。

現在，美國拉里安公司成功地運用光纖完成了輸電功能，在電力領域中開拓出一條嶄新的途徑。他們在發送端利用半導體激光二極管，把電能轉變為激光在光纖中傳送，在接收端采用太陽能電池。當由光纖傳來的激光照射到太陽能電池時，光能立即變成電能。如果把激光二極管的功率繼續提高，再配上整套的電能傳送系統，光纖輸電就可以廣泛地使用于各個方面。

美國通信保密專家研制的一種無規律載波信號光纖技術，專門用以對付當今日益猖獗、手段高明的竊聽高手。該技術首先將話音之類的有用信息轉換為數字脈沖信號，然后再將這些數字脈沖信號編碼，調制到無規律變化的隨機微波載體上。發送時，激光發射裝置將載有信息的無規律載波信號經光纖通信系統發射至接收方。接收方的激光接收機以專用技術與發送激光裝置同步動態協調工作，最終完成將有用信號從無規律載體上解調的任務。使用該技術，竊聽高手們只會聽到雜亂無章的噪音，再也沒有他們的用武之地。

澳大利亞研制出一種光纖秤，利用一根光纖和一個激光器就可以給卡車稱重。由于光纖是由玻璃制作的，它具有耐濕、耐輻射的性能，更重要的是，它易于安裝和保養，適用于安裝在城區的主干道、工廠周圍、機場和跑道、倉庫以及港口等地，進行24小時的連續工作。除了可以進行稱重之外，還能夠起到監控作用，精確程度遠遠超過現有的電子裝置。

此外，光纖技術還可用于火車站、機場、廣場、證券交易場所等大型顯示屏幕。將光電池纖維布與光導纖維布巧妙地結合在一起制成夜間放光的夜行衣，不僅為夜行人起照明作用，還可提高司機的觀察視距，能夠有效地減少交通事故的發生。

(文章代碼：1506)

[責任編輯]龐云