纖維光學

纖維光學的發(fā)展，大致可分為3個階段：

第一階段（早期發(fā)展階段）

利用透明材料的細長纖維導管傳輸光線和圖像的現(xiàn)象，很早就為希臘玻璃工人所發(fā)現(xiàn)，他們利用這種現(xiàn)象制作了裝飾用的玻璃器皿。1870年，英國的廷德爾首先通過實驗觀察到光線沿彎曲水柱傳播的現(xiàn)象。1929年美國的哈塞爾、1930年德國的拉姆，先后制成了石英纖維，并在短距離內(nèi)觀察到了光線經(jīng)過石英纖維傳輸?shù)默F(xiàn)象，但由于光學纖維質(zhì)量較差，沒有什么實際應(yīng)用。

第二階段（蓬勃發(fā)展階段）

1953年，荷蘭的范希爾和美國的卡帕尼首先制成了玻璃(芯)-塑料(包層)光學纖維。1955年，美國的希斯肖威茲制成了玻璃(芯)-玻璃(包層)光學纖維，初步解決了光學絕緣問題，為光學纖維的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。1958年，卡帕尼利用拉制復合纖維的工藝制作了高分辨率的光學纖維面板，1960年，又采用排列工藝制作了光學纖維傳像束，并成功地將其應(yīng)用于醫(yī)療器械中。微通道板也于1961年問世。

第三階段（纖維光學發(fā)展的新階段）

隨著激光通信的發(fā)展，一種新的通信介質(zhì)——光學纖維波導—— 迅速地發(fā)展起來。1970年，美國康寧玻璃公司根據(jù)華人學者高錕在1966年提出的設(shè)想首先制成了世界上第一根低損耗光學纖維(20 dB/km)。1972年，美國貝爾實驗室發(fā)展了制作低損耗光學纖維的新工藝——化學氣相沉積(CVD)法，從此進入了低損耗光學纖維波導研究的新階段。另外，1964年，日本的西澤和佐佐木提出了一種和以往的光學纖維完全不同的新型光學纖維——變折射率(當時稱為自聚焦)光學纖維——制作工藝的設(shè)想。1969年，日本學者北野一郎等人，采用離子交換工藝成功地制作出變折射率透鏡。同時，自從1977年正式提出光學纖維傳感器以來，光學纖維傳感器發(fā)展很快，已有多種不同性能的光學纖維傳感器問世，由于它具有靈敏度高、機動性大、不怕電磁干擾、工藝簡單的優(yōu)點，在未來信息社會中將會有重要作用。此外，隨著激光通信和空間科學的發(fā)展，紅外光學纖維和塑料光學纖維也有了很大的發(fā)展。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，以石英為基質(zhì)的光學纖維的損耗下降很快，1972年為7 dB/km，1973年為2.5 dB/km，1976年為0.47 dB/km(波長1.2μm)，1979年下降到0.2 dB/km(波長1.5μm)。由于光學纖維的損耗下降很快，因此以光學纖維波導為介質(zhì)的激光通信技術(shù)發(fā)展也很快。石英光纖的損耗已降低到 0.154 dB/km，接近理論極限值;其色散性能也有了很大改善。由于損耗和色散間存在相互制約的關(guān)系，石英光纖的制作技術(shù)發(fā)展很快。為了進一步提高光導纖維的性能，就必須突破以前的工藝、材料，在光纖的結(jié)構(gòu)和光波導理論上有一個新的突破，在這種情況下，光子晶體光纖應(yīng)運而生，損耗更低的新材料光纖亦在發(fā)展之中。

20世紀90年代，隨著信息高速公路的發(fā)展，計算技術(shù)、視像技術(shù)的發(fā)展，特別是國際協(xié)議(IP)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的飛速發(fā)展，因特網(wǎng)(Internet)獲得了廣泛的應(yīng)用。開展的一系列網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，如電子郵件、數(shù)據(jù)傳遞、電子政務(wù)、電子商務(wù)等已成為人們必不可少的新的工作方式和生活方式，通信和網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)成為當今信息社會的重要基礎(chǔ)設(shè)施。社會信息量的劇增，激發(fā)了新一輪的技術(shù)進步。Internet Ⅱ的實施促進了高速、寬帶光系統(tǒng)技術(shù)、光放大技術(shù)、WDM波分復用技術(shù)的發(fā)展，推動了常規(guī)光纖通信系統(tǒng)向全光通信和全光網(wǎng)絡(luò)的升級和轉(zhuǎn)換，逐步用光放大器取代電中繼器，實現(xiàn)了全光傳輸，以WDM/DWDM技術(shù)在光域上進行光信道的多路復用，實現(xiàn)了每秒太比特量級的高速、寬帶、大容量和長距離的光信息傳輸。利用光交換技術(shù)、光交叉連接技術(shù)、光分插復用技術(shù)、光-光調(diào)制技術(shù)、光編碼技術(shù)，將節(jié)點全光化，構(gòu)建全光節(jié)點，實現(xiàn)光信息在光域上的全光交換，致使常規(guī)的光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為全光網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生了光纖通信發(fā)展史上又一次飛躍。

1962年，在光學專家、中國科學院院士龔祖同教授的組織和指導下，中國科學院西安光學精密機械研究所在國內(nèi)率先開展了普通光學纖維的研究。1970年以后，武漢郵電科學研究院、桂林激光所等單位開展了低損耗石英光纖和光纖通信系統(tǒng)研究。全國已有不少單位研制和生產(chǎn)了各種光學纖維元件，并在生產(chǎn)、科研中有了初步應(yīng)用。1972年，西安光機所首先開展了變折射率光學纖維的研究。低損耗、低色散光學纖維已在上海、武漢、西安、北京的許多單位被研制成功，并已投入批量生產(chǎn)。光通信線路在全國大量建立，光通信和光網(wǎng)絡(luò)已在全國普遍鋪設(shè)，這說明纖維光學在中國有了很大的發(fā)展，已進入世界信息社會強國行列。

光纖的各種應(yīng)用對于纖維光學技術(shù)的未來開發(fā)將十分重要。纖維光學技術(shù)的實際應(yīng)用為纖維光學傳感器。它們是纖維光學陀螺儀和光時域反射儀(OTDR )系統(tǒng)。相干光控制新概念—— 光相干域反射儀(OcDR )將為光傳感系統(tǒng)帶來新應(yīng)用。將孤子應(yīng)用于OTDR系統(tǒng)，可望實現(xiàn)高分辨率。且通過引入時間分辨頻譜反射儀概念，實現(xiàn)非線性脈傳播的空間分辨率。

纖維光學陀螺儀可能是最受歡迎的一種纖維光學傳感器。

纖維光學技術(shù)的其它應(yīng)用，如導彈、有機晶體的非線性光學取樣設(shè)備、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、所用材料的生物醫(yī)學應(yīng)用及其開發(fā)的前景十分廣闊。 2100433B

20世紀50年代后興起。光學纖維由核芯和包皮構(gòu)成。根據(jù)核芯折射率的分布情況可分為均勻芯光學纖維和漸變折射率光學纖維兩大類。前者的核芯折射率均勻分布，后者的核芯折射率沿其橫截面的徑向作不均勻分布，折射率是半徑的特定函數(shù)。光學纖維的橫截面有圓形和橢圓形；適用波段有紅外、可見、紫外及X射線；傳輸特性有單模傳輸和多模傳輸；還有發(fā)光纖維、激活纖維及耐輻射纖維等特種類型。

研究光在纖維中傳輸?shù)睦碚撚袃煞N：一種是根據(jù)幾何光學中的全反射原理，不考慮光的波動性；另一種是以電磁波理論作基礎(chǔ)，把光看作是電磁波，光學纖維就是一個波導管，從麥克斯韋方程組和邊界條件出發(fā)，可求得特定光學纖維中允許存在的電磁波性質(zhì)，每一種允許存在的電磁波稱為模 。若纖維足夠小，則僅有一個基模能在纖維中傳輸，稱為單模光學纖維，其特點是色散小、傳輸信息容量大，在光纖通信技術(shù)中是人們最感興趣的傳輸介質(zhì)。

大量按一定陣列排列的光學纖維可用于圖像的直接傳送。纖維可按一定的秘密方式排列，使傳輸?shù)膱D像失去原來的圖形結(jié)構(gòu)，然后用相應(yīng)的纖維束將圖形重新恢復，以達保密傳送圖像的目的。這種元件已應(yīng)用于無線電傳真系統(tǒng)。單根變折射率光學纖維具有聚焦和成像的性質(zhì)，截取一定長度的纖維可制成棒狀透鏡，其直徑可從幾十微米直到幾十毫米。制造損耗低、帶寬大的光學纖維對光纖通信具有重大意義。

纖維光學元件開發(fā)的重要課題是 接續(xù)、連接器和開關(guān)。

開發(fā)出多種纖維光學開關(guān)。設(shè)計用于單模光纖和PANDA 光纖 。 這些高精度纖維光學開關(guān)在許多纖 維光學系統(tǒng)中都非常有用。

連接和接續(xù)技術(shù)也很重要。 這些技術(shù)和精致的熔接接續(xù)設(shè)備業(yè)已建立，另外還實現(xiàn)了 GSET (產(chǎn)品名稱 )套筒的新接續(xù)。系統(tǒng)中光纖在微交界面機械連接，平均接續(xù)損耗約為 0.05dB，提供一種非常便利且廉價的接壤設(shè)備。

《纖維光學開關(guān)(第1部分):總規(guī)范(可供認證用)(GB 12511-1990)》由中國標準出版社出版。2100433B

纖維光學元件，用光學纖維為材料制成的傳光元件。它具有數(shù)值孔徑、透過率、鑒別率和傳遞函數(shù)等基本特性指標。 2100433B

纖維光學通信是以光波作為信息載體，以光學纖維（光纖）作為傳輸媒介的一種通信方式。從原理上看，構(gòu)成纖維光學通信的基本物質(zhì)要素是光纖、光源和光檢測器。光學纖維除了按制造工藝、材料組成以及光學特性進行分類外，在應(yīng)用中，光學纖維常按用途進行分類，可分為通信用光學纖維和傳感用光學纖維。傳輸介質(zhì)光纖又分為通用與專用兩種，而功能器件光纖則指用于完成光波的放大、整形、分頻、倍頻、調(diào)制以及光振蕩等功能的光纖，并常以某種功能器件的形式出現(xiàn)。

纖維光學通信是利用光波作載波，以光纖作為傳輸媒質(zhì)將信息從一處傳至另一處的通信方式，被稱之為“有線”光通信。當今，光學纖維以其傳輸頻帶寬、抗干擾性高和信號衰減小，而遠優(yōu)于電纜、微波通信的傳輸，已成為世界通信中主要傳輸方式。