关于光学纤维的调查报告

关于光学纤维的调查报告摘要：光学纤维是一种在现代广泛应用的能够传导光线、图像、能量的纤维状光学元件。由光学纤维的传光原理及结构所决定着它的传光快、稳定性高等性质让其发展变的必然，而它的传输特性则决定了目前它在通信及能量传输方面的应用及未来的发展方向。降低其在传输时的损耗以提高传输效率也是目前人们所努力研究的方面。关键词：光学纤维；传输特性；通信；能量传输前言本文为对光学纤维的背景、原理、结构、特性、应用及发展方向的调查报告。光学纤维是一种利用全反射规律使光沿着各种途径传播，从而能够传导光线、传输图像的纤维状光学元件，又简称为光纤。光纤由折射率约为1.4左右的包皮和折射率约为1.8的内纤维芯这两部分组成，材料多为特种光学玻璃、塑料或晶体材料，然后拉制而成。这样当光由内层射到两层纤维的界面时，入射角小于临界角的那些光线根据折射定律会逸出纤维，而入射角大于临界角的那些光纤，由于全反射，在两层界面上经历多次反射之后会传输到另一端，且速度极快。用光学纤维束构成的光学系统的传光能力强，而且不易受大气、温度变化、机械振动等环境影响。光学纤维技术日益发展，作为当今最引人注目的新型光传输材料，光纤已广泛应用于工业、医疗、科学研究及军事等部门[1]。但当光纤用于远距离通信时，传输损耗不可避免，为进一步降低损耗，发展高波长或其他材料的光纤纤维的意义是非常明显的。1光学纤维的调查目的与背景1.1光通信的产生背景通信一直是人与人之间相互交往、生产发展、科技文化进步所必不可少的一个环节，从古代的派信使起码送信和建造烽火台通过火光来传递信息这种通信方式，再到后来的无线电与有线电的通信方式，人们都于快速高效的通信方式追求的脚步从未停止过。不同于骑车送信和烽火台这种传输速度慢或传送信息量极其有限的通信方式，无线电和有线电则快速和有效地多，传输的信息种类也变得多了，利用电话、广播、电报和电视等近代的通信工具，让符号、声音的传送到文字、图像、数据和色彩等信息的传递都变得可能[2]。无线电通信所采用的原理是高频载波，即把要传递的信息先转换成为一定频率的电信号，然后再将其加到由高频发生器所产生的高频电磁波上，经过大气传输到接收机，再由接收机把高频载波上所携带的信息取出来还原成原来的信息，简称为调制解调过程，高频电磁波作为信息的运载工具，称为载波。由其原理我们可得出，载波波长越短，它所能传送的信息量也就越大。100年来，无线电载波所用的波段从长波、中波发展到短波、超短波、微波直至亚毫米波，通信容量的增长达到了成千上万倍，但也仍不能完全满足人类社会信息量急剧增长的需要。光波的利用也就由此而提出，由于光波波长极短，频率极高，作为载波，光波所能携带的信息容量必然是巨大的。1.2光学纤维的产生与发展1929年美国的哈塞尔、1930年德国的拉姆，先后制成了石英纤维，当时这种纤维虽然质量差，但在短距离内真正实现了光线和图像的传导。1953年，荷兰的范希尔和美国的卡帕尼首先制成了玻璃(芯)-塑料(包层)光学纤维。1955年，美国的希斯肖威兹制成了玻璃(芯)-玻璃(包层)光学纤维，初步解决了光学绝缘问题，为光学纤维的发展打下了良好的基础。1972年，美国贝尔实验室发展了制作低损耗光学纤维的新工艺——化学气相沉积(CVD)法，低损耗石英光学纤维的制造成功，也从而进入了低损耗光学纤维波导研究的新阶段。也就是从70年代起，利用低损耗石英光学纤维进行光信息传送（即光纤通信）开始发展起来。光通信用光学纤维也成为当今最受关注的新型光传输材料，并得到了日益广泛的应用。2光学纤维的传光原理与结构2.1光的全反射全反射是一种当光射到两种介质界面，只产生反射而不产生折射的现象。由光的折射定律：可知，当光由光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角。当入射角增大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在光疏介质中将不出现折射光线，只要入射角大于或等于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是全反射，如图1所示，此时的入射角叫做临界角。图1光的全反射2.2光纤中光的传送光纤中，光的传送原理就是光的全反射。光学纤维由高折射率的内纤维芯和低折射率包层组成。当入射光以大于临界角的角度入射到两种材质分界面上时，光线发生全反射。通过不断地反射，光在光纤中曲折前进，从而传输出去，如图2所示。图2光学纤维导光示意图2.3光学纤维的结构光学纤维一般由内芯和外包层组成，芯子大多由高折射率石英玻璃或者多组分光学玻璃制成，包层则是由低折射率的玻璃或塑料管制成，一般呈圆柱形。直径从几个微米至几百微米[3]。通常最外面还要加一层塑料套管以保护光学纤维不受损坏。从光纤内折射率分布情况来看，结构主要可分为阶跃折射率型和梯度折射率型两种。阶跃型光纤芯与包层间折射率为阶梯状变化，如图3(a）所示，因此入射光进入后产生全反射，呈锯齿状前进。梯度型的折射率从中心轴线开始沿径向递减，入射光进入后，偏离中心轴线的光将呈曲线路径向中心集束传输，因此梯度型也被称为聚焦型光纤。光束在阶梯型光纤内传输时，就会周期性会聚和发散，呈波浪式前进，如图3(b)所示。图3阶跃型与梯度型光纤中光的传输路径3光学纤维的传输特性3.1光学纤维的传输模式光学上把具有一定频率、一定偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式（波型）。若一种光纤只允许传输一个模式的光波，则称它为单模光纤；如果一种光纤允许同时传输多个模式的光波，就称它为多模光纤。多模光纤直径为几十至上百微米，与光波的波长相比大得多，因此，许多模式的光波进入光纤后都能满足全反射条件，在光纤中得到正常的传输。在光纤的输出端可以看到光强度分布的不同花样，即在输出端出现多个亮斑，一个亮斑就代表多模光纤所传输的一种模式的光波。多模光纤的传输频带主要受到模式色散的限制，传输的信息量不大（模式色散指不同模式的光脉冲在光纤中传播速度不同所产生的传输时间差，将造成光脉冲形状的改变）。而单模光纤直径细，同光波的波长相近，传输时，只有沿光纤轴线方向的一种模式的光波满足全反射条件从而正常传输，其余模式则会在传送一段距离后被淘汰。但单模光纤不存在模式色散，传输频带比多模光纤宽，传输的信息量大，在大容量、长距离光纤通信中单模光纤具有很好的应用前景。不过由于单模光纤直径太细，制造工艺要求高，使用还不普遍。而多模光纤直径较粗，制造工艺比单模光纤简单，使用中光纤的连接与耦合也容易得多，所以在光通信中广泛使用的大多是多模光纤。（现在，通过对多模光纤折射率断面的设计，可以使其模式色散显著降低，从而使其传输频带特性得到改善。）3.2光学纤维的损耗特性光纤通信能够成为现实，是与玻璃制造上的缺陷完全被除去使玻璃本身达到高纯化，以致在通过数公里长的光纤时，光能无损耗地传送分不开的。但玻璃并不是完全透明的，如即使是没有内部缺陷的表面看起来非常透明的窗玻璃，在厚度达到30cm左右时，透过光的强度就要减小到入射光的一半，厚度达到10m时，则光强度减小到百亿分之一。光学纤维的传输损耗以下面的dB（分贝）/km单位来表示：损耗（dB/km）其中L是以km为单位的纤维长度，强度为I0的光在光纤中传输1km之后强度减小到I时，它们之比I0/I的对数的10倍为1dB/km。例如，损耗为2dB/km时，利用上式计算，可知在传输1km之后光强度还剩下60％，如果损耗为0.5dB/km时，则光强度还剩下90％左右。因此光学材料的损耗可分为一下两种类型。（1）吸收损耗。它又包括本征吸收和杂质吸收两部分。a.本征吸收，介质的原子或离子中的电子跃迁引起的紫外吸收和分子振动引起的红外吸收b.杂质吸收是由于介质中存在杂质（如OH－、金属离子等）引起的选择吸收。（2）散射损耗（光从光纤中逃掉）,包括a.本征散射（即瑞利散射），本征散射是指在物质中光的分子散射。介质分子中的电子在光波电磁场作用下发生振动，振动电子又发出次波。这个次波就是散射光。瑞利指出，次波光的强度与波长四次方成反比，即短波的散射占优势b.光纤结构不完善（如芯子与包层间界面不完善）引起的散射损耗c.由于材料中的条纹、气泡、析晶等引起的缺陷散射。3.3光学纤维的频带特性除了损耗特性会影响信息传输能力以外，光纤的频带特性也会影响。不同于无线电调制解调的方式，光通信中，载波光按信息要求调制成一个个光脉冲，脉冲的幅度、重复频率和排列方式等包含着要传送的信息（称为脉冲编码调制）。光脉冲的调制频率越高，所能传输的信息容量也就越大。但由于光学纤维的传输频带会受到材料色散、模式色散和构造色散的限制，所以光脉冲的调制频率也不可以无限增高。这些色散使光脉冲发生畸变和展宽，使当调制频率增加到一定时，光脉冲波形型重叠现象严重，从而无法正确从中提取出所携带的信息。在多模光纤中，限制传输频率的主要因素为模式色散，而单模光纤中主要为材料色散。4光学纤维的应用4.1光纤通信的优点光纤相对于传统金属导体所构成的传输线路来说有许多优点。(1)石英（SiO2）作为制造光纤的基本原料，它在地球上的储量相当的丰富，而且制造光纤时的原料消耗量也很低，大概只需要40G的石英原材料就可以制造出1公里长的光通信用石英光纤，故不存在资源短缺的问题。金属传输线路所用的有色金属铜和铝在地球上的储量本来就不多，加上用量也日益增大，全世界有色金属资料已经开始紧缺。因此，光纤代替金属传输线路可以节省大量的宝贵的有色金属铜和铝；（2）在各种通信线缆中，光缆的线径最细，重量也最轻，因而在线路的铺设时也最为方便。而又由于光纤的传输损耗比金属线路低，中继站之间的距离可以延长。相比于每隔1.5km就要设立一个中继站的同轴电缆通信，光纤通信中继站的设立距离已超过10km，且随着光纤传输损耗的进一步降低，光纤通信中继站的距离还能够进一步加大，从而减少中继站数目，节省建设投资；（3）在电缆通信中，周围空间总所存在的各种电磁干扰会对通信质量造成影响。而光缆则具有抗电磁波干扰的本领（无电磁感应），故通信质量高；（4）光纤通信线路不会受到“窃听”，保密性好。4.2光纤在通信中的应用由于光纤通信具有信息容量大、体积小、重量轻、抗干扰能力强、保密性好及价格便宜等一系列优点，它在电话通信、数据通信、共用天线电视、计算机网络连接、工业控制及军事方面得到了广泛的应用，且发展十分迅速。光纤通信系统的传输容量在1980至2000年的20年间已增加了近1万倍，速度则在10年间提高了100倍[4]。光纤在通信方面目前最大被应用于电话通信。如市内电话、长途电话、办公楼之间与楼内通信、铁路与电力系统通信、微波或卫星通信中从天线到机房的连接等等。光纤其次被应用于军事的雷达通信和控制系统等方面。如用于弹道导弹系统中的指挥、控制和通信系统，地面发射的巡航导弹系统中的控制指挥系统。在战术武器方面，则充分利用了光纤通信线路频带宽的特点，将其用于有限制导反坦克导弹。4.3光纤在能量传输方面的应用激光作为一种新型、高能效的能源可用于各种材料的切割、打孔、焊接和热处理等，但在运用时，需要一种低损耗的传输介质将光能最大效率地从一处传到另外一处。光学纤维在此作用上的类别被称为导光纤维。导光纤维作为光能传输介质最早被用于医疗上的光学内窥镜中。内窥镜由两根石英玻璃光纤束组成：一根为传像束，一根为照明束。先通过照明束发出照明光线进去人体内脏，将器官内情况显示出来，然后由传像束将这情况传送到体外给医生诊视。除了清晰度高的特点外，由于光学纤维细且柔软，故能有效减轻病人的痛苦。现在，用光纤制成的各种人体器官内窥镜已用于胃、十二指肠、子宫等脏器内病变的诊断，且效果很好[5]。在医疗上，导光纤维还成功地应用在激光手术刀及其他激光治疗器中做导光戒指，将激光安全、方便地输送到需要治疗的病变部位。除此之外，在激光切割、焊接和热处理方面，可利用导光纤维传输光能，在原理光源的地方进行复杂工件的微细加工和特殊处理，防止其他不良情况出现。4.4光纤通信的发展方向一是重点发展中短距离通信系统，几百米至几十公里的中短距离光纤通信系统的应用已经收到了广泛重视及迅速发展。因为这种系统应用起来投资少、见效快且机动灵活。可广泛用于市内电话、大楼间通信、楼内通信、计算机连接及飞机导弹