光纖維

光纖維，即光纖。顧名思義，是指傳播光的纖維。目前，光纖維多採用透明度很高的石英玻璃絲製造而成。它是利用了光在不同介質中傳播而產生的全反射原理，而使雷射束在光纖維中傳播。光纖維主要套用在通信領域，作為高速數據傳輸的主要手段。

基本介紹

• 中文名：光纖維
• 簡稱：光纖
• 原料：透明度很高的石英玻璃絲
• 原理：全反射原理

光纖誕生

人類從未放棄過對理想光傳輸介質的尋找，經過不懈的努力，人們發現了透明度很高的石英玻璃絲可以傳光．這種玻璃絲叫做光學纖維，簡稱“光纖”．人們用它製造了在醫療上用的內窺鏡，例如做成胃鏡，可以觀察到距離一米左右的體內情況．但是它的衰減損耗很大，只能傳送很短的距離．光的損耗程度是用每千米的分貝為單位來衡量的．直到20世紀60年代，最好的玻璃纖維的衰減損耗仍在每公里1000分貝以上．每公里1000分貝的損耗是什麼概念呢？每公里10分貝損耗就是輸入的信號傳送1公里後只剩下了十分之一，20分貝就表示只剩下百分之一，30分貝是指只剩千分之一……1000分貝的含意就是只剩下億百分之一，是無論如何也不可能用於通信的．因此，當時有很多科學家和發明家認為用玻璃纖維通信希望渺茫，失去了信心，放棄了光纖通信的研究．

光纖介紹

解釋列例

雷射器和光纖的發明，使人們看到了光通信的曙光．而要實現光纖通信，還需要在雷射器和光纖的性能上有重大的突破．但是在這兩方面的突破遇到了許多困難，尤其是光纖的損耗要達到可用於通信的要求，從每千米損耗1000分貝降低到20分貝似乎不太可能，以致很多科學家對實現光纖通信失去了信心．就在這種情況下，出生於上海的英藉華人高錕（K.C.Kao）博士，通過在英國標準電信實驗室所作的大量研究的基礎上，對光波通信作出了一個大膽的構想．他認為，既然電可以沿著金屬導線傳輸，光也應該可以沿著導光的玻璃纖維傳輸．1966年7月，高錕就光纖傳輸的前景發表了具有重大歷史意義的論文，論文分析了玻璃纖維損耗大的主要原因，大膽地預言，只要能設法降低玻璃纖維的雜質，就有可能使光纖的損耗從每公里1000分貝降低到20分貝/公里，從而有可能用於通信．這篇論文使許多國家的科學家受到鼓舞，加強了為實現低損耗光纖而努力的信心．

世界上第一根低損耗的石英光纖――1970年，美國康寧玻璃公司的三名科研人員馬瑞爾、卡普隆、凱克成功地製成了傳輸損耗每千米只有20分貝的光纖．這是什麼概念呢？用它和玻璃的透明程度比較，光透過玻璃功率損耗一半（相當於3分貝）的長度分別是：普通玻璃為幾厘米、高級光學玻璃最多也只有幾米，而通過每千米損耗為20分貝的光纖的長度可達150米．這就是說，光纖的透明程度已經比玻璃高出了幾百倍！在當時，製成損耗如此之低的光纖可以說是驚人之舉，這標誌著光纖用於通信有了現實的可能性．

光通信展史

控光通信的出現比無線電通信還早．波波夫傳送與接收第一封無線電報是在1896年，崦早在1880年，美國電話發明家貝爾就已經研究並成功地傳送與接收了光電話．1881年，貝爾宣讀了一篇題為〈關於利用光線進行聲音的產生與複製〉的論文，報導了他的光電話裝置．

1930年至1932年間，日本在東京的日本電報公司與每日新聞社之間實現了3.6公里的光通信，但在大霧大雨天氣里效果很差．第二次世界大戰期間，光電話發展成為紅外線電話，在為紅外線肉眼看不見，更有利於保密．

光通信雖然出現得很早，但它在近代科技發展中卻遠沒有無線電通信發展那樣迅速而廣泛，這主要因為早期光通信系統沒有找到像無線電波那樣的相干光頻電磁波，因而通信質量不高．

雷射出現以後，光通信的面貌發生了根本性的變化經．雷射像普通無線電波一樣，可以進行調製和解調，可以把各種信號載到光波上發射出去而實現光通信．60年代，有的實驗室用氦——氖氣體雷射器做了輿電視信號和20路電話的實驗．也有的公司製成了語言信道試驗性通信系統，最大輿距離為600米．到80年代初雷射通信已進入套用發展階段．

雷射通信的主要障礙是氣候因素的影響和大氣層內信號的衰減．光導纖維的出現，使人們成功地解決了雷射大氣傳輸問題，使雷射通信走上了穩步發展階段．其實，利用細長纖維導管輿光線和圖像的概念早在一個世紀以前就有人提出過．例如，1854年，英國的丁鐸爾在英國皇家學會的一次演講中指出，光線能夠沿盛水的彎曲管道進行反射而輿，以後他用實驗證實了這個想法，但由於條件限制，當時沒能深入研究．1927年，英國的貝爾德首閃利用光全反射現象製成石英纖維可解析圖像，並且獲得了兩項專利．1951年，荷蘭和英國開始進行柔軟纖維鏡的研製．1953年，荷蘭人范赫爾把一種折射率為1.47的塑膠塗在玻璃纖維上，形成比玻璃纖維芯折射率低的套層，得到了光學絕緣的單根纖維．但由於塑膠套層不均勻，光能量損失太大．

利用光導纖維進行雷射通信的構想是美籍華人高#博士於1966年首次明確提出來的，為此他獲得了1979年5月由瑞士國王頒發的國際伊利申通信獎金．光纖通信引起了各國普遍注意，美、日、西德等國相繼開展了這方面的研製工作．

1968年，日本兩家公司聯合宣布研製成了一種新型無套層光纖，它能聚集和成像，稱作聚焦纖維．同期，美國宣布製成液體纖維，它是利用石英毛細管充以高透明液構成的．這兩種光纖的光耗損很難降低，所在實用價值不大．這一時期，美國在提高材料質量上下功夫，康寧公司於1970年用高純石英首次研製成功耗損率為每公里20分貝的套層光纖，使通信不纖研究躍進了一大步．一根光纖可以傳輸150萬路電話和2萬套電視．

實際上光通信系統使用的不是單根光導纖維，而是由許多光纖維聚集在一起組成的不纜．一根直徑為1厘米的光纜，裡面有近百根光導纖維．光纜和電纜一樣可以架在空中，埋入地下，也可以鋪設在海底，它的出現使雷射通信進入實際套用階段．1976年日本在大孤附近的奈良縣開始籌建世界上第一個完全用光纜實現光通信的實驗區，到1978年7月已擁有300個用戶．

如果把光通信用於地球之外的宇宙空間就是宇宙雷射通信．宇宙空間沒有大氣或塵埃，雷射在那裡傳輸時比在大氣中的衰減小得多，因而雷射用於宇宙通信既優越又經濟，受到各國的普遍重視．

光導纖維

資訊時代的“神經”——光導纖維

現代科學創造的奇蹟之一，是使光像電流一樣沿著導線傳輸．不過，這種導線不是一般的金屬導線，而是一種子特殊的上玻璃絲，人們稱它光導纖維，又叫光學纖維，簡稱光纖．

1870年，英國科學家丁達爾做了一個有趣的實驗：讓一股水流從玻璃視窗的側壁細口自由流出，以一束陣光束沿水平方向從開口處的正對面射入水中．丁達爾發現，細光束不是穿出這股水流射向空氣，而是順從地沿著水流彎彎曲曲地傳播．這是光的全反射造成的結果．

光導纖維正是根據這一原理製造的．它的基本原料是廉價的石英玻璃，科學家將它們拉成直徑只有幾微米到幾十微米的絲，然後再包上一層折射率比它小的材料．只要入射角滿足一定的條件，光束就可以在這樣製成光導纖維中彎彎曲曲地從一端傳到另一端，而不會在中途漏射．科學家將光導纖維的這一特性首先用於光通信．一根光導纖維只能傳送一個很小的光點，如果把數以萬計的光導纖維整齊地排成一束，並使每根光導纖維在兩端位置的上一一對應，就可做成光纜．用光纜代替電纜通信具有無比的優越性．比如20根光纖組成的像鉛筆粗細的光纜，每天可通話7.6萬人次，而1800根銅線組成的像碗口粗細的電纜，每天只能通話幾千人次．光導纖維不僅重量輕、成本低、敷設方便，而且容量大、抗干擾、穩定可靠、保密性強．因此光纜正在取代銅線電纜，廣泛地套用於通信、電視、廣播、交通、軍事、醫療等許多領域，難怪人們稱譽光導纖維為住處時代的神經．我國自行研製、生產、建設的世界最長的京漢廣（北京、武漢、廣州）通信光纜，全長3074公里，已於1993年10月15日開通，標誌我國已進入全國套用光通信時代．

海市蜃樓

夏天，在平靜無風的海面上，向遠方望去，有時能看到山峰、船舶、樓台、亭閣、 集市、廟宇等出現在遠方的空中．古人不明白產生這種景象的原因，對它作了不科學的解釋，認為是海中蛟龍(即蜃)吐出的氣結成的，因而叫做“海市蜃樓”，也叫蜃景．海市蜃樓是光在密度分布不均勻的空氣中傳播時發生全反射而產生的．夏天，海面上的下層空氣，溫度比上層低，密度比上層大，折射率也比上層大．我們可以把海面上的空氣看作是由折射率不同的許多水平氣層組成的．遠處的山峰、船舶、樓房、人等發出的光線射向空中時，由於不斷被折射，越來越偏離法線方向，進入上層空氣的入射角不斷增大，以致發生全反射，光線反射回地面，人們逆著光線看去，就會看到遠方的景物懸在空中．?

在沙漠裡也會看到蜃景．太陽照到沙地上，接近沙面的熱空氣層比上層空氣的密度小，折射率也小．從遠處物體射向地面的光線，進入折射率小的熱空氣層時被折射，入射角逐漸增大，也可能發生全反射，人們逆著反射光線看去，就會看到遠處物體的倒景，仿佛是從水面反射出來的一樣．沙漠裡的行人常被這種景象所迷惑，以為前方有水源而奔向前去，但總是可望而不可及．?

在炎熱夏天的柏油馬路上，有時也能看到上述現象．貼近熱路面附近的空氣層同熱沙面附近的空氣層一樣，比上層穿空氣的折射率小．從遠處物體射向路面的光線，也可能發生全反射，從遠處看去，路面顯得格外明亮光滑，就像用水淋過一樣．