揭秘光導(dǎo)纖維

竇光宇

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，光導(dǎo)纖維現(xiàn)已成為大有前途的新型基礎(chǔ)材料。與之相伴的光纖技術(shù)也以新奇、便捷受到人們的喜愛。

誕生源于做實(shí)驗(yàn)

1870年初春的一天，英國著名的物理學(xué)家丁鐸爾在暗室里做試驗(yàn)，一股水流從容器的側(cè)壁孔中向外流㈩。當(dāng)人們從側(cè)壁給水照明吋，驚奇地發(fā)現(xiàn)，本來直線傳播的光，現(xiàn)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(shí)驗(yàn)，給大家留下了深刻的印象，并因此而產(chǎn)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(dǎo)纖維。玻璃纖維的一端截面對準(zhǔn)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(dǎo)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(zhì)進(jìn)入折射率小的物質(zhì)時，在兩種物質(zhì)的交界面上會產(chǎn)生全反射，使光不進(jìn)入折射率小的物質(zhì)，而全部返回到折射率大的物質(zhì)中。光導(dǎo)纖維一般由兩層組成，里面一層稱為內(nèi)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(dǎo)纖維一端入射的光線，經(jīng)內(nèi)芯反復(fù)折射而傳到末端，由于兩層折射率的差別，使進(jìn)入內(nèi)芯的光始終保持在內(nèi)芯中傳輸。

結(jié)構(gòu)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(dǎo)纖維。根據(jù)其纖維結(jié)構(gòu)的不同，又有芯皮型和自聚集型兩大類。取下一截芯皮型結(jié)構(gòu)光導(dǎo)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(dǎo)纖維傳導(dǎo)光線的工作原理和芯皮型結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維有很大不同。這類光導(dǎo)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(jìn)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(jù)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(dǎo)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(xì)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(yōu)點(diǎn)。光的傳輸距離與光導(dǎo)纖維的光損耗大小有關(guān)，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(dǎo)纖維，可以把光信號傳輸?shù)教窖蟊税抖恍枞魏沃欣^站。

在實(shí)際使用時，常把千百根光導(dǎo)纖維組合在一起并加以增強(qiáng)處理，制成像電纜一樣的光纜，這樣既提高了光導(dǎo)纖維的強(qiáng)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(fèi)用只需680美元。

電信領(lǐng)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(shù)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(shí)現(xiàn)光纖通信。光纖通信的優(yōu)點(diǎn)是容量大、衰減小、抗干擾性強(qiáng)，

法國專門從事計算機(jī)、電子設(shè)備、信號處理和圖像技術(shù)的波根實(shí)驗(yàn)室，利用光的孤波子和短脈沖，可在光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)無失真?zhèn)鬏?。這一技術(shù)可解決色散和非線性效應(yīng)問題，無需沿光纜設(shè)置多個再生裝置。工作時只需在每100千米左右的地方設(shè)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(jié)省大量有色金屬，每千米可節(jié)省銅1.1噸、鉛2～3噸。光纜有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣性能好、壽命長、輸送距離長、保密性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。光纖通信與數(shù)字技術(shù)及計算機(jī)結(jié)合起來，可以用于傳送電話、圖像、數(shù)據(jù)、控制電子設(shè)備和智能終端等，起到部分取代通信衛(wèi)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(fā)展趨勢。目前，全世界已經(jīng)鋪設(shè)海底光纜達(dá)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(jīng)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(fèi)用相應(yīng)減少。在現(xiàn)代化的全球通信網(wǎng)絡(luò)中，最長的海底光纜達(dá)3萬多千米，能夠把32個國家和地區(qū)連通在一起。現(xiàn)在，連接全世界的海底通信光纖電纜正在鋪設(shè)之中。這是現(xiàn)今通信領(lǐng)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(jīng)紅海和印度洋，穿過馬六甲海峽進(jìn)入太平洋，連接175個國家和地區(qū)，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(yīng)用涵蓋各方面

隨著時光的變遷、技術(shù)的發(fā)展，光纖的應(yīng)用領(lǐng)域在日益擴(kuò)展，現(xiàn)已涉及人類社會的各個方面。

光導(dǎo)纖維在醫(yī)學(xué)上可以用于食道、直腸、膀胱、子宮、胃等深部探查內(nèi)窺鏡，還可以用于不必切開皮肉直接插入身體內(nèi)部的手術(shù)激光刀；在國防軍事上用光導(dǎo)纖維制成纖維光學(xué)潛望鏡，裝備在潛艇坦克和飛機(jī)上，能夠準(zhǔn)確地偵察復(fù)雜地形或深層屏蔽的敵情：光導(dǎo)纖維可以傳輸激光進(jìn)行機(jī)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(chǎn)品缺陷等；在照明和光能傳送方面，利用光導(dǎo)纖維可以實(shí)現(xiàn)一個光源多點(diǎn)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(jié)合起來，將成為最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的光源。

現(xiàn)在，美國拉里安公司成功地運(yùn)用光纖完成了輸電功能，在電力領(lǐng)域中開拓出一條嶄新的途徑。他們在發(fā)送端利用半導(dǎo)體激光二極管，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す庠诠饫w中傳送，在接收端采用太陽能電池。當(dāng)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(xù)提高，再配上整套的電能傳送系統(tǒng)，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(guī)律載波信號光纖技術(shù)，專門用以對付當(dāng)今日益猖獗、手段高明的竊聽高手。該技術(shù)首先將話音之類的有用信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號，然后再將這些數(shù)字脈沖信號編碼，調(diào)制到無規(guī)律變化的隨機(jī)微波載體上。發(fā)送時，激光發(fā)射裝置將載有信息的無規(guī)律載波信號經(jīng)光纖通信系統(tǒng)發(fā)射至接收方。接收方的激光接收機(jī)以專用技術(shù)與發(fā)送激光裝置同步動態(tài)協(xié)調(diào)工作，最終完成將有用信號從無規(guī)律載體上解調(diào)的任務(wù)。使用該技術(shù)，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(yǎng)，適用于安裝在城區(qū)的主干道、工廠周圍、機(jī)場和跑道、倉庫以及港口等地，進(jìn)行24小時的連續(xù)工作。除了可以進(jìn)行稱重之外，還能夠起到監(jiān)控作用，精確程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的電子裝置。

此外，光纖技術(shù)還可用于火車站、機(jī)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(dǎo)纖維布巧妙地結(jié)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(jī)的觀察視距，能夠有效地減少交通事故的發(fā)生。

(文章代碼：1506)

[責(zé)任編輯]龐云