纖維光學(xué)基本概念

20世紀(jì)50年代后興起。光學(xué)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(xué)纖維和漸變折射率光學(xué)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(xué)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(xué)中的全反射原理，不考慮光的波動(dòng)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(xué)纖維就是一個(gè)波導(dǎo)管，從麥克斯韋方程組和邊界條件出發(fā)，可求得特定光學(xué)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(gè)基模能在纖維中傳輸，稱為單模光學(xué)纖維，其特點(diǎn)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(xué)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(fù)，以達(dá)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(xué)纖維具有聚焦和成像的性質(zhì)，截取一定長(zhǎng)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(xué)纖維對(duì)光纖通信具有重大意義。

纖維光學(xué)的發(fā)展，大致可分為3個(gè)階段：

第一階段（早期發(fā)展階段）

利用透明材料的細(xì)長(zhǎng)纖維導(dǎo)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(guó)的廷德爾首先通過實(shí)驗(yàn)觀察到光線沿彎曲水柱傳播的現(xiàn)象。1929年美國(guó)的哈塞爾、1930年德國(guó)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(xué)纖維質(zhì)量較差，沒有什么實(shí)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(guó)的卡帕尼首先制成了玻璃(芯)-塑料(包層)光學(xué)纖維。1955年，美國(guó)的希斯肖威茲制成了玻璃(芯)-玻璃(包層)光學(xué)纖維，初步解決了光學(xué)絕緣問題，為光學(xué)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(fù)合纖維的工藝制作了高分辨率的光學(xué)纖維面板，1960年，又采用排列工藝制作了光學(xué)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(xué)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(xué)纖維波導(dǎo)—— 迅速地發(fā)展起來。1970年，美國(guó)康寧玻璃公司根據(jù)華人學(xué)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(xué)纖維(20 dB/km)。1972年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了制作低損耗光學(xué)纖維的新工藝——化學(xué)氣相沉積(CVD)法，從此進(jìn)入了低損耗光學(xué)纖維波導(dǎo)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(xué)纖維完全不同的新型光學(xué)纖維——變折射率(當(dāng)時(shí)稱為自聚焦)光學(xué)纖維——制作工藝的設(shè)想。1969年，日本學(xué)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(shí)，自從1977年正式提出光學(xué)纖維傳感器以來，光學(xué)纖維傳感器發(fā)展很快，已有多種不同性能的光學(xué)纖維傳感器問世，由于它具有靈敏度高、機(jī)動(dòng)性大、不怕電磁干擾、工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，在未來信息社會(huì)中將會(huì)有重要作用。此外，隨著激光通信和空間科學(xué)的發(fā)展，紅外光學(xué)纖維和塑料光學(xué)纖維也有了很大的發(fā)展。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以石英為基質(zhì)的光學(xué)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(zhǎng)1.2μm)，1979年下降到0.2 dB/km(波長(zhǎng)1.5μm)。由于光學(xué)纖維的損耗下降很快，因此以光學(xué)纖維波導(dǎo)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(jìn)一步提高光導(dǎo)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(dǎo)理論上有一個(gè)新的突破，在這種情況下，光子晶體光纖應(yīng)運(yùn)而生，損耗更低的新材料光纖亦在發(fā)展之中。

20世紀(jì)90年代，隨著信息高速公路的發(fā)展，計(jì)算技術(shù)、視像技術(shù)的發(fā)展，特別是國(guó)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(dāng)今信息社會(huì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。社會(huì)信息量的劇增，激發(fā)了新一輪的技術(shù)進(jìn)步。Internet Ⅱ的實(shí)施促進(jìn)了高速、寬帶光系統(tǒng)技術(shù)、光放大技術(shù)、WDM波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)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(jí)和轉(zhuǎn)換，逐步用光放大器取代電中繼器，實(shí)現(xiàn)了全光傳輸，以WDM/DWDM技術(shù)在光域上進(jìn)行光信道的多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)了每秒太比特量級(jí)的高速、寬帶、大容量和長(zhǎng)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(fù)用技術(shù)、光-光調(diào)制技術(shù)、光編碼技術(shù)，將節(jié)點(diǎn)全光化，構(gòu)建全光節(jié)點(diǎn)，實(shí)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(xué)專家、中國(guó)科學(xué)院院士龔祖同教授的組織和指導(dǎo)下，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所在國(guó)內(nèi)率先開展了普通光學(xué)纖維的研究。1970年以后，武漢郵電科學(xué)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(guó)已有不少單位研制和生產(chǎn)了各種光學(xué)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(jī)所首先開展了變折射率光學(xué)纖維的研究。低損耗、低色散光學(xué)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(guó)大量建立，光通信和光網(wǎng)絡(luò)已在全國(guó)普遍鋪設(shè)，這說明纖維光學(xué)在中國(guó)有了很大的發(fā)展，已進(jìn)入世界信息社會(huì)強(qiáng)國(guó)行列。

纖維光學(xué)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(xué)開關(guān)。設(shè)計(jì)用于單模光纖和PANDA 光纖 。 這些高精度纖維光學(xué)開關(guān)在許多纖 維光學(xué)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(shí)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(jī)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(jià)的接壤設(shè)備。

光纖的各種應(yīng)用對(duì)于纖維光學(xué)技術(shù)的未來開發(fā)將十分重要。纖維光學(xué)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用為纖維光學(xué)傳感器。它們是纖維光學(xué)陀螺儀和光時(shí)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(shí)現(xiàn)高分辨率。且通過引入時(shí)間分辨頻譜反射儀概念，實(shí)現(xiàn)非線性脈傳播的空間分辨率。

纖維光學(xué)陀螺儀可能是最受歡迎的一種纖維光學(xué)傳感器。

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

《纖維光學(xué)開關(guān)(第1部分):總規(guī)范(可供認(rèn)證用)(GB 12511-1990)》由中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版。2100433B

纖維光學(xué)元件，用光學(xué)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(biāo)。 2100433B

纖維光學(xué)通信是以光波作為信息載體，以光學(xué)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(xué)通信的基本物質(zhì)要素是光纖、光源和光檢測(cè)器。光學(xué)纖維除了按制造工藝、材料組成以及光學(xué)特性進(jìn)行分類外，在應(yīng)用中，光學(xué)纖維常按用途進(jìn)行分類，可分為通信用光學(xué)纖維和傳感用光學(xué)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(xué)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(dāng)今，光學(xué)纖維以其傳輸頻帶寬、抗干擾性高和信號(hào)衰減小，而遠(yuǎn)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。