基本介紹
- 中文名：纖維光學
- 外文名：fiber optics
- 定義：光學分支
- 興起時間：20世紀50年代後
- 發展：三個階段
- 標籤：纖維光學；物理學；自然科學
基本概念,發展歷史,纖維光學元件的開發,套用,
基本概念
20世紀50年代後興起。光學纖維由核芯和包皮構成。根據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，後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式。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的理論有兩種：一種是根據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，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，可求得特定光學纖維中允許存在的電磁波性質，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，在光纖通信技術中是人們最感興趣的傳輸介質。
大量按一定陣列排列的光學纖維可用於圖像的直接傳送。纖維可按一定的秘密方式排列，使傳輸的圖像失去原來的圖形結構，然後用相應的纖維束將圖形重新恢復，以達保密傳送圖像的目的。這種元件已套用於無線電傳真系統。單根變折射率光學纖維具有聚焦和成像的性質，截取一定長度的纖維可製成棒狀透鏡，其直徑可從幾十微米直到幾十毫米。製造損耗低、頻寬大的光學纖維對光纖通信具有重大意義。
發展歷史
纖維光學的發展，大致可分為3個階段：
第一階段（早期發展階段）
利用透明材料的細長纖維導管傳輸光線和圖像的現象，很早就為希臘玻璃工人所發現，他們利用這種現象製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象。1929年美國的哈塞爾、1930年德國的拉姆，先後製成了石英纖維，並在短距離內觀察到了光線經過石英纖維傳輸的現象，但由於光學纖維質量較差，沒有什麼實際套用。
第二階段（蓬勃發展階段）
1953年，荷蘭的范希爾和美國的卡帕尼首先製成了玻璃(芯)-塑膠(包層)光學纖維。1955年，美國的希斯肖威茲製成了玻璃(芯)-玻璃(包層)光學纖維，初步解決了光學絕緣問題，為光學纖維的發展打下了良好的基礎。1958年，卡帕尼利用拉制複合纖維的工藝製作了高解析度的光學纖維面板，1960年，又採用排列工藝製作了光學纖維傳像束，並成功地將其套用於醫療器械中。微通道板也於1961年問世。
第三階段（纖維光學發展的新階段）
隨著雷射通信的發展，一種新的通信介質——光學纖維波導—— 迅速地發展起來。1970年，美國康寧玻璃公司根據華人學者高錕在1966年提出的構想首先製成了世界上第一根低損耗光學纖維(20 dB/km)。1972年，美國貝爾實驗室發展了製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——製作工藝的構想。1969年，日本學者北野一郎等人，採用離子交換工藝成功地製作出變折射率透鏡。同時，自從1977年正式提出光學纖維感測器以來，光學纖維感測器發展很快，已有多種不同性能的光學纖維感測器問世，由於它具有靈敏度高、機動性大、不怕電磁干擾、工藝簡單的優點，在未來信息社會中將會有重要作用。此外，隨著雷射通信和空間科學的發展，紅外光學纖維和塑膠光學纖維也有了很大的發展。
隨著科學技術的發展，以石英為基質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)。由於光學纖維的損耗下降很快，因此以光學纖維波導為介質的雷射通信技術發展也很快。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。由於損耗和色散間存在相互制約的關係，石英光纖的製作技術發展很快。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，在光纖的結構和光波導理論上有一個新的突破，在這種情況下，光子晶體光纖應運而生，損耗更低的新材料光纖亦在發展之中。
20世紀90年代，隨著信息高速公路的發展，計算技術、視像技術的發展，特別是國際協定(IP)和網際網路技術研究的飛速發展，網際網路(Internet)獲得了廣泛的套用。開展的一系列網路業務，如電子郵件、數據傳遞、電子政務、電子商務等已成為人們必不可少的新的工作方式和生活方式，通信和網路信息系統成為當今信息社會的重要基礎設施。社會信息量的劇增，激發了新一輪的技術進步。Internet Ⅱ的實施促進了高速、寬頻光系統技術、光放大技術、WDM波分復用技術的發展，推動了常規光纖通信系統向全光通信和全光網路的升級和轉換，逐步用光放大器取代電中繼器，實現了全光傳輸，以WDM/DWDM技術在光域上進行光信道的多路復用，實現了每秒太比特量級的高速、寬頻、大容量和長距離的光信息傳輸。利用光交換技術、光交叉連線技術、光分插復用技術、光-光調製技術、光編碼技術，將節點全光化，構建全光節點，實現光信息在光域上的全光交換，致使常規的光網路發展為全光網路，產生了光纖通信發展史上又一次飛躍。
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率先開展了普通光學纖維的研究。1970年以後，武漢郵電科學研究院、桂林雷射所等單位開展了低損耗石英光纖和光纖通信系統研究。全國已有不少單位研製和生產了各種光學纖維元件，並在生產、科研中有了初步套用。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製成功，並已投入批量生產。光通信線路在全國大量建立，光通信和光網路已在全國普遍鋪設，這說明纖維光學在中國有了很大的發展，已進入世界信息社會強國行列。
纖維光學元件的開發
纖維光學元件開發的重要課題是 接續、連線器和開關。
連線和接續技術也很重要。 這些技術和精緻的熔接接續設備業已建立，另外還實現了 GSET (產品名稱 )套筒的新接續。系統中光纖在微交界面機械連線，平均接續損耗約為 0.05dB，提供一種非常便利且廉價的接壤設備。
套用
光纖的各種套用對於纖維光學技術的未來開發將十分重要。纖維光學技術的實際套用為纖維光學感測器。它們是纖維光學陀螺儀和光時域反射儀(OTDR )系統。相干光控制新概念—— 光相干域反射儀(OcDR )將為光感測系統帶來新套用。將孤子套用於OTDR系統，可望實現高解析度。且通過引入時間分辨頻譜反射儀概念，實現非線性脈傳播的空間解析度。
