光纤概述

光导纤维概述摘要：光通讯是人类最早应用的通讯方式之一。

从烽火传递信号，到信号灯﹑旗语等通讯方式，都是光通讯的范畴。

但由于受到视距﹑大气衰减﹑地形阻挡等诸多因素的限制，光通讯的发展缓慢。

文章简单的介绍了光纤的结构、光纤的种类及光纤的用途和光纤的发展前景。

关键字：光导纤维发展结构用途前言1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。

结果使观众们大吃一惊。

人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。

光导纤维正是根据这一原理制造的。

它的基本原料是廉价的石英玻璃，科学家将它们拉成直径只有几微米到几十微米的丝，然后再包上一层折射率比它小的材料。

只要入射角满足一定的条件，光束就可以在这样制成的光导纤维中弯弯曲曲地从一端传到另一端，而不会在中途漏射。

科学家将光导纤维的这一特性首先用于光通信。

一根光导纤维只能传送一个很小的光点，如果把数以万计的光导纤维整齐地排成一束，并使每根光导纤维在两端的位置上一一对应，就可做成光缆。

光导纤维不仅重量轻、成本低、敷设方便，而且容量大、抗干扰、稳定可靠、保密性强。

因此光缆正在取代铜线电缆，广泛地应用于通信、电视、广播、交通、军事、医疗等许多领域，难怪人们称誉光导纤维为信息时代的神经。

我国自行研制、生产、建设的世界最长的京汉广(北京、武汉、广州)通信光缆，全长3047公里，已于1993年10月15日开通，标志我国已进入全面应用光通信的时代。

光导纤维又称导光纤维﹑光学纤维，是一种把光能闭合在纤维中而产生导光作用的纤维。

它能将光的明暗﹑光点的明灭变化等信号从一端传送到另一端。

1.光纤的结构光导纤维在结构上大体分为两类。

一类是芯皮型结构光导纤维。

取下一截这种结构的光导纤维，把它放在显微镜下观察，就可以发现它的断面很像胡萝卜。

断面中央有一根芯，直径只有几十微米，芯的四周是一圈包皮。

芯是用折射率高的透明玻璃材料做成的，包皮则是用折射率低的玻璃或塑料做成的。

这样就可使光在不同折射率的两种玻璃分界面上产生全反射。

外层低折射率的玻璃既可作为光导纤维的光学绝缘介质，保证光线不会从纤维材料中漏出去，同样也保持内芯外表面不致被弄脏。

另一类光导纤维叫目聚焦纤维，它传导光线的工作原理和芯皮型结构光导纤维不同。

这类光导纤维好像是由许多微型透镜组成的，能迫使入射光线逐渐自动地向纤维的中心轴方向靠拢，进行聚焦，由此保证入射光线不会从纤维材料中漏出去。

光导纤维的发明问世，是世界科技史上一项重大成果，从而引起了一系列现代科学技术革命。

2.光纤的种类及用途2．1光纤的种类光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。

但对于有线电视和通信用的光纤，其设计和制造的原则基本相同，诸如：①损耗小；②有一定带宽且色散小；③接线容易；④易于成统；⑤可靠性高；⑥制造比较简单；⑦价廉等。

光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上作一归纳的，兹将各种分类举例如下。

（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85pm、1.3pm、1.55pm）。

（2）折射率分布：阶跃（SI）型、近阶跃型、渐变（GI）型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。

（3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。

（4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。

按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。

（5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法（Rod intube）和双坩锅法等。

2．2光纤的用途2.2.1通信领域光纤通讯是当代新技术革命的特征之一，也是“信息社会”的一个重要标志。

大家知道，光实际上是一种频率极高的电磁波，因此可以像其他电磁波一样对它进行调制和传输。

由于它的频率极高，因此几乎可以无限量的调制到一根光导纤维的频带宽度之内。

与激光通讯技术结合起来的光纤通信容量比普通电缆通信大10亿倍。

一根光导纤维比头发丝还细，却可传输几万路电话或几千路电视信号。

光纤通信还特别适合于对电视、图像和数学信号的传送。

它将深入影响人类社会生活，引起信息传输和通信功能的革命，因此有人把光导纤维称做信息传输的动脉。

由于光纤通信保密性能特别好，所以常被用在航空、军事等方面，并显示出优良的功能和巨大的作用。

医生看病时，如能亲眼观察到生病的内脏器官会更有助于开展治疗。

近几年科学家发明了“内窥镜”，制造材料主要是光导纤维。

内窥镜好比在病人体内为医生长上了一只眼睛，可以清楚地观察到病人体内的细微病变。

光导纤维还被广泛应用于传感技术中。

目前全世界已经生产的各种光纤传感器已有六七十种。

根据它们的工作原理，大体可分为两大类。

一类光纤传感器采用对外界信息较敏感和具有检测功能的光导纤维作为传感元件。

而在另一类光纤传感器中，光导纤维仅作为传播光线的介质，对外界信息的“感觉”的功能是依靠其他功能元件来完成的，这类光纤传感器还被称为传光型传感器。

由于传光型传感器结构比较简单，目前全世界技术领域内正在使用的光纤传感器中，这种类型的传感器占绝大多数。

2.2.2照明和光能传送领域此外，在室内装饰中，用侧发光光纤来构成轮廊线条，光照均匀、颜色柔和，给人一种和谐幸福的感觉；细端光的合理利用，在家里营造出浪漫温馨的气息，在自己的家里也如同沐浴酒吧的感觉。

在酒店大厅中，安装流星光纤制作的水晶吊灯，通过各种色彩和亮点的变化，更显得华丽别致，给人耳目一新的感觉；在ktv包房和演艺大厅里面，利用端光光纤，拼组成具有艺术效果的图案，同时还可以利用端光光纤吊顶，可模拟星空效果，忽明忽暗，使人有无限的太空遐想。

在灯光工程中，用侧发光光纤来构成建筑轮廓线是最常见应用实例。

特别是对一个城市的形象建筑，以多彩的线条把建筑轮廓在夜色中显得更蔚蔚壮观。

同时光纤使用寿命很长，属于免维护产品，大大减低了运营费用。

另外，可以改变光纤装饰照明的光色，使建筑物轮廓的色彩随季节或气候而变化，给人们一种人性化的感觉。

在园林绿化中，用端发光光纤来作亭院灯、地埋灯，使绿地、道路在照明的同时也有色彩变化。

在景观道路上，装上星星点点的端发光光纤，成为光纤甬道，更增加了景观的趣味性，同时可以将流星光缆平铺于地面，人们走在上面如同在光色中浮游，给游玩的人们无穷的遐想。

2.2.3国防军事领域在国防军事上，光导纤维也有广泛的应用，可以用光导纤维来制成纤维光学潜望镜，装备在潜艇﹑坦克和飞机上。

光纤通讯的另一特点是其保密性好、不受干扰且无法窃听，这一优点使其广泛应用于军事领域。

在国防军事上，可以用光导纤维来制成纤维光学潜望镜，装备在潜艇、坦克和飞机上，用于侦察复杂地形或深层屏蔽的敌情。

2.2.4工业领域在工业上，可传输激光进行机械加工；制成各种传感器用于测量压力、温度、流量、位移、光泽、颜色、产品缺陷等，也可用于工厂自动化、办公自动化、机器内及机器间的信号传送、光电开关、光敏组件等。

此外，光缆可不受雷电的侵扰而正常工作，从而保护与之联结的家电和精密仪器免遭雷击损坏。

如美国杜邦公司的光纤有80％用于汽车工业，可用于前灯、尾灯、开关和仪表盘的照明以及制动器的监控等。

在自控领域，塑料光纤组成的控制线路可防止噪声的产生及因外部噪声引起的误动作，在解决设备的抗电磁干扰方面效果显著。

此外，光纤技术还可用于阅读穿孔卡片、光开关、飞点析像器、图像的缩小和放大、火焰及高温监控、道路标志、装饰照明等。

荧光POF是在芯材中掺人一定量的荧光剂，其入射端面输入特定波长的光，这种光为荧光剂所吸收，然后发出另一特定波长的光，由POF出射端面输出。

可用荧光POF制作特殊的光纤传感器或功率放大器，荧光POF极具发展潜力。

偶极性有机材料比无机材料有更大的非线性光学效应。

带偶极特性有机材料同芯材混合，用垂直机头牵引挤出成型，并在靠近模头处设置高强直流电场，这样处于粘流态聚合物中的偶极性有机物获得电场取向，随着粘流态聚合物的冷却成型，非线性有机材料偶极取向固定，从而获得非线性POF。

这种非线性POF可制作电光及非线性光学器件。

2.2.5其他领域光导纤维还可用于火车站、机场、广场、证券交易场所等大型显示屏幕，短距离通讯和数据传输，将光电池纤维布与光导纤维布巧妙地结合在一起可制成夜间放光的夜行衣。

2．3光纤的发展前景近年来塑料光导纤维得到了迅速的发展，以聚苯乙烯为芯、有机玻璃为外皮是最简单的一种。

与石英光导纤维相比，塑料光导纤维柔软、易加工、质量轻、价廉，广泛应用在某些设备或建筑内部传递光信号，或用作装饰与广告陈列室等等；还可用作光传导器。

而最近几年来，从低损耗POF成为研究热点到现今GI 型POF成为研究生产重点，每种POF的研制成功都提高了POF的某些性能，扩展了其应用范围，迄今POF已广泛应用于光学器具、汽车、情报办公机器、装饰广告等；还在低码速LAN中和家庭信息网络中得到应用，并将与无机纤维一起取代同轴电缆作为传输介质以及飞速发展的数字化家庭音响系统等；此外还用于防爆安全光制导、医学窥镜等。

此外，POF在今后的发展过程中还需在耐热性、提高最佳传输波长、细径化、功能化等方面得到发展。

如日本旭硝子公司与庆应大学共同开发了传输速度很高的塑料光导纤维，不久即可上市。

这种光导纤维是用非晶质透明全氟树脂制成的，直径是石英制玻璃光导纤维的30倍左右，但其性能优于石英材料的光导纤维，并且比较柔软。

在信息传输速度上，它比聚甲基丙酸甲酯（PMMA）塑料制光导纤维约快10倍。

这种新型光导纤维适合于构筑办公室和家庭内部的局部通信网路，传输高清晰度的电视图像等信号。

21世纪POF市场中心将由日本移回美国，GI型POF将在信息高速公路中获得充分发展。

中国POF的发展与国际发展水平相差较远，应借鉴国外经验和最新成果，选定POF材料品种和生产路线，进行国际合作，以求早日赶上国际水平。

结束语中国光导纤维产量1999年为430万千米，满足了国内市场的一半，但80％~90％靠进口。

另外，保偏光纤、有源光纤、红外光纤等特光纤材料尚未产业化。

中国光导纤维2005年需求量达到了1400万千米左右，光导纤维预制体300吨，中国2006-2007年光导纤维需求量仍然呈现出上升态势，预计2010年中国光导纤维需求量2000万千米左右。

值得一提的是：用光波作载波进行信息传送，最具吸引力的地方就是光波频率极高，能携带的信息量极大。

光导纤维是由高折射率、高透明度的芯子和低折射率的皮层所组成，当入射进光纤芯子的光与轴线夹角小于全反射临界角时，光线在芯皮界上发生全反射，因此载波光得以在芯子中曲径前进，而不穿出包层。