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光导纤维的应用与制造方法

时间:2023-07-03 理论教育 版权反馈
【摘要】:光导纤维是20世纪非常重要的发明,它的应用范围较为广泛,特别是在光通信技术的领域。内窥镜传导光的器件是一束光导纤维。当患者把胃镜吞入胃中,胃镜要将外部的光通过光导纤维传入胃中,用以照亮胃壁。除了医学的应用之外,光导纤维在光通信上的应用就更加引人注目了。光导纤维在传输信号时,要防止传输的光信号“外泄”,通常要用两种玻璃材料。在实现光通信时,光导纤维的制作方法也是关键。

光导纤维的应用与制造方法

光导纤维(简称“光纤”)是20世纪非常重要的发明,它的应用范围较为广泛,特别是在光通信技术的领域

“光导”现象并非罕见。据说,在小学的科学课中,有一个演示实验。在演示前,老师准备一个玻璃容器,在接近底部的侧壁打一个小孔,让水从小孔中流出。由于水有一定的深度,水流呈现(平抛的)抛物线形状的“流管”。用手电筒照射,但是要使照射光形成为一个细束,细细的光束通过水体,照射到出水的小孔。观察者可以看到,光束并不是从水流管穿出,而是被水流“约束”在“流管”之中。实验者可以清楚地看到,光束在“流管”中不断反射,随着水流行进。当然,要想使这束光在水的“流管”中行进,必须使水对光的折射率大于空气对光的折射率。

也许,这种“光导”现象的知识并不深,因为这只涉及几何光学中的折射和(全)反射的知识。其实,这个实验是19世纪下半叶时,英国物理学家最先进行的。当时,人们看到这个现象觉得很好玩,好像都没去想这有什么用处。不过,还是有人利用这个原理发明了内窥镜装置。

内窥镜传导光的器件是一束光导纤维。它一头连接胃镜,一头连接着接收装置。当患者把胃镜吞入胃中,胃镜要将外部的光通过光导纤维传入胃中,用以照亮胃壁。胃镜这一端还有一个很小的镜头,它可以把胃壁的情况传输到体外,显示在屏幕上。胃镜还可以携带一个小镊子,以切取少许物质,用以化验。

内窥镜除了胃镜之外,还有食道镜和膀胱镜等。

除了医学(特别是临床上)的应用之外,光导纤维在光通信上的应用就更加引人注目了。

光导纤维在传输信号时,要防止传输的光信号“外泄”,通常要用两种玻璃材料。其中芯线用一种玻璃材料,芯线的包层用另一种玻璃材料;芯线材料的光折射率要大于包层的玻璃材料的光折射率。只有这样制作,才能保证光信号在光纤中传输时不“外泄”,并保证光信号在光纤中行进,就像光线在“水流管”中行进一样。

从技术上讲,光信号在光纤中传输,最为受到关注的是,光的损耗。如果光的损耗太大,光信号会传输得不远,或者要加若干个对信号进行放大的中继站。也正是基于这样的顾虑,在20世纪60年代,英国的华裔光学专家高锟经过研究,他论证的结果是,玻璃纤维可以传输光信号。他也因此获得2010年诺贝尔物理奖。此后经过10余年间的研制工作,科技人员就可以在实验室内实现光信号的传输,并且,在80年代,电信公司就开始铺设跨越大西洋光缆。这条光缆的长度为7000千米。不久后,又开始铺设跨越太平洋的光缆。(南)太平洋的光缆长度为16 000千米。

在实现光通信时,光导纤维的制作方法也是关键。这里只介绍一种制作方法——管棒法。

这种方法比较简单,把折射率较小的玻璃做成管状,把折射率较大的玻璃做成棒状。而后将二者一起放入电炉中加热,在高温熔融的状态下,把它们拉成内外两层的玻璃纤维。(www.xing528.com)

关于光导纤维,我们可以在媒体上看到两种光导纤维:“单模”的光导纤维和“多模”的光导纤维。这里的“模”是传导光线路径的意思。一般来说,“单模”光纤很细,芯线的直径不到10微米,其外径约为125微米,只有一束光线沿着芯线的中心传输。而“多模”光纤要粗一些,芯线的直径达50微米,外径也是125微米,光线能在光纤中沿着多条路径传输。

光纤通信是利用激光在光纤中传输信息的有线通信方式。这种技术比以前所使用的通信技术有很多优点。

首先,光纤通信的容量是巨大的。只需一根像头发丝粗细的光纤就足以传输几万路电话信号或2000路电视信号。

其次,光纤通信的可靠性很好,保密性也很好,而且不受电磁干扰。

第三,光纤的特点是重量轻,传输信号的速度快、密度大,如长为1000米的“单模”光纤,重约27千克。

另外,光纤通信的损耗很低。当传送波长为1.55微米的激光时,每1000米,光的能量损耗不到0.2分贝。因此,光通信技术非常适宜于远距离的信息传输。

采用光纤通信,可将声音或图像的信息通过电话机或电视摄像机变成电信号,通过光学调制机用激光光源进行调制。这就把电信号变成光信号,再由光导纤维传输。在光纤的另一端为接收器。当接收到光信号时,要把光信号还原成电信号,再传输到电话机或电视机,重现成话音或图像。

随着技术的发展,可以省略电信号,直接将话音或图像变成光信号,经激光调制、光纤传输,再经解调,变成原来的话音或图像。如果电还有用处的话,那只是提供能量而已。

由于光通信技术取代电通信技术,相应地,电话、电报、电视、电传就会变成“光话”“光报”“光视”“光传”等,人类就会真正进入光通信的时代。

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