纤维光学

光学分支

纤维光学（fiber optics）是研究光在光学纤维中的传输特性、光学纤维的制作技术及其应用的光学分支。光学纤维由核芯和包皮构成。根据核芯折射率的分布情况可分为均匀芯光学纤维和渐变折射率光学纤维两大类。研究光在纤维中传输的理论有两种：一种是根据几何光学中的全反射原理，不考虑光的波动性；另一种是以电磁波理论作基础。

基本概念

20世纪50年代后兴起。光学纤维由核芯和包皮构成。根据核芯折射率的分布情况可分为均匀芯光学纤维和渐变折射率光学纤维两大类。前者的核芯折射率均匀分布，后者的核芯折射率沿其横截面的径向作不均匀分布，折射率是半径的特定函数。光学纤维的横截面有圆形和椭圆形；适用波段有红外、可见、紫外及X射线；传输特性有单模传输和多模传输；还有发光纤维、激活纤维及耐辐射纤维等特种类型。

研究光在纤维中传输的理论有两种：一种是根据几何光学中的全反射原理，不考虑光的波动性；另一种是以电磁波理论作基础，把光看作是电磁波，光学纤维就是一个波导管，从麦克斯韦方程组和边界条件出发，可求得特定光学纤维中允许存在的电磁波性质，每一种允许存在的电磁波称为模。若纤维足够小，则仅有一个基模能在纤维中传输，称为单模光学纤维，其特点是色散小、传输信息容量大，在光纤通信技术中是人们最感兴趣的传输介质。

大量按一定阵列排列的光学纤维可用于图像的直接传送。纤维可按一定的秘密方式排列，使传输的图像失去原来的图形结构，然后用相应的纤维束将图形重新恢复，以达保密传送图像的目的。这种元件已应用于无线电传真系统。单根变折射率光学纤维具有聚焦和成像的性质，截取一定长度的纤维可制成棒状透镜，其直径可从几十微米直到几十毫米。制造损耗低、带宽大的光学纤维对光纤通信具有重大意义。

发展历史

纤维光学的发展，大致可分为3个阶段：

第一阶段（早期发展阶段）

利用透明材料的细长纤维导管传输光线和图像的现象，很早就为希腊玻璃工人所发现，他们利用这种现象制作了装饰用的玻璃器皿。1870年，英国的廷德尔首先通过实验观察到光线沿弯曲水柱传播的现象。1929年美国的哈塞尔、1930年德国的拉姆，先后制成了石英纤维，并在短距离内观察到了光线经过石英纤维传输的现象，但由于光学纤维质量较差，没有什么实际应用。

第二阶段（蓬勃发展阶段）

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。1958年，卡帕尼利用拉制复合纤维的工艺制作了高分辨率的光学纤维面板，1960年，又采用排列工艺制作了光学纤维传像束，并成功地将其应用于医疗器械中。微通道板也于1961年问世。

第三阶段（纤维光学发展的新阶段）

随着激光通信的发展，一种新的通信介质——光学纤维波导—— 迅速地发展起来。1970年，美国康宁玻璃公司根据华人学者高锟在1966年提出的设想首先制成了世界上第一根低损耗光学纤维(20 dB/km)。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，从此进入了低损耗光学纤维波导研究的新阶段。另外，1964年，日本的西泽和佐佐木提出了一种和以往的光学纤维完全不同的新型光学纤维——变折射率(当时称为自聚焦)光学纤维——制作工艺的设想。1969年，日本学者北野一郎等人，采用离子交换工艺成功地制作出变折射率透镜。同时，自从1977年正式提出光学纤维传感器以来，光学纤维传感器发展很快，已有多种不同性能的光学纤维传感器问世，由于它具有灵敏度高、机动性大、不怕电磁干扰、工艺简单的优点，在未来信息社会中将会有重要作用。此外，随着激光通信和空间科学的发展，红外光学纤维和塑料光学纤维也有了很大的发展。

随着科学技术的发展，以石英为基质的光学纤维的损耗下降很快，1972年为7 dB/km，1973年为2.5 dB/km，1976年为0.47 dB/km(波长1.2μm)，1979年下降到0.2 dB/km(波长1.5μm)。由于光学纤维的损耗下降很快，因此以光学纤维波导为介质的激光通信技术发展也很快。石英光纤的损耗已降低到 0.154 dB/km，接近理论极限值;其色散性能也有了很大改善。由于损耗和色散间存在相互制约的关系，石英光纤的制作技术发展很快。为了进一步提高光导纤维的性能，就必须突破以前的工艺、材料，在光纤的结构和光波导理论上有一个新的突破，在这种情况下，光子晶体光纤应运而生，损耗更低的新材料光纤亦在发展之中。

20世纪90年代，随着信息高速公路的发展，计算技术、视像技术的发展，特别是国际协议(IP)和互联网技术研究的飞速发展，因特网(Internet)获得了广泛的应用。开展的一系列网络业务，如电子邮件、数据传递、电子政务、电子商务等已成为人们必不可少的新的工作方式和生活方式，通信和网络信息系统成为当今信息社会的重要基础设施。社会信息量的剧增，激发了新一轮的技术进步。Internet Ⅱ的实施促进了高速、宽带光系统技术、光放大技术、WDM波分复用技术的发展，推动了常规光纤通信系统向全光通信和全光网络的升级和转换，逐步用光放大器取代电中继器，实现了全光传输，以WDM/DWDM技术在光域上进行光信道的多路复用，实现了每秒太比特量级的高速、宽带、大容量和长距离的光信息传输。利用光交换技术、光交叉连接技术、光分插复用技术、光-光调制技术、光编码技术，将节点全光化，构建全光节点，实现光信息在光域上的全光交换，致使常规的光网络发展为全光网络，产生了光纤通信发展史上又一次飞跃。

1962年，在光学专家、中国科学院院士龚祖同教授的组织和指导下，中国科学院西安光学精密机械研究所在国内率先开展了普通光学纤维的研究。1970年以后，武汉邮电科学研究院、桂林激光所等单位开展了低损耗石英光纤和光纤通信系统研究。全国已有不少单位研制和生产了各种光学纤维元件，并在生产、科研中有了初步应用。1972年，西安光机所首先开展了变折射率光学纤维的研究。低损耗、低色散光学纤维已在上海、武汉、西安、北京的许多单位被研制成功，并已投入批量生产。光通信线路在全国大量建立，光通信和光网络已在全国普遍铺设，这说明纤维光学在中国有了很大的发展，已进入世界信息社会强国行列。

纤维光学元件的开发

纤维光学元件开发的重要课题是接续、连接器和开关。

开发出多种纤维光学开关。设计用于单模光纤和PANDA 光纤。这些高精度纤维光学开关在许多纤维光学系统中都非常有用。

连接和接续技术也很重要。这些技术和精致的熔接接续设备业已建立，另外还实现了 GSET (产品名称 )套筒的新接续。系统中光纤在微交界面机械连接，平均接续损耗约为 0.05dB，提供一种非常便利且廉价的接壤设备。

应用

光纤的各种应用对于纤维光学技术的未来开发将十分重要。纤维光学技术的实际应用为纤维光学传感器。它们是纤维光学陀螺仪和光时域反射仪(OTDR )系统。相干光控制新概念—— 光相干域反射仪(OcDR )将为光传感系统带来新应用。将孤子应用于OTDR系统，可望实现高分辨率。且通过引入时间分辨频谱反射仪概念，实现非线性脉传播的空间分辨率。

纤维光学陀螺仪可能是最受欢迎的一种纤维光学传感器。

纤维光学技术的其它应用，如导弹、有机晶体的非线性光学取样设备、卫星通信系统、所用材料的生物医学应用及其开发的前景十分广阔。

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