科普 | 光纤的逸事
发布日期：2024-01-10
来源：光电产业网
作者：吴江光电产业科协
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自从爱迪生发明了电灯，推动了电线的发明，使得电可以沿着电线进行传输，奠定了电力工业的发展，人们认识光是从牛顿时代开始，但一直到上世纪六十年代，通讯需求的发展，康宁公司于1967年研制出第一根光纤，但是其损耗是1dB/m，根本没法用于通讯。
这时正在英国的高锟研究了光纤，提出光纤损耗大的问题是制作光纤的玻璃纯度不够，而不是其他原因。康宁公司的研发人员仔细阅读该篇文章，改变了原来光纤的制作方法。原来制作光纤的玻璃是从石英玻璃进行提炼制作的，当时石英玻璃已经提炼到99%，但用其拉出来的光纤还是不能满足光纤通讯的需求，损耗太大。为此康宁公司的工程师决定另辟蹊径直接人造玻璃，即：SiCl4+2H2O =SiO2+4HCl, 这种人造玻璃是在真空的环境中制作的，可以保证了玻璃的纯洁度，可以达到99.999999%。用这种玻璃拉制的光纤，其损耗为 0.2dB/km, 能够满足光纤通讯的需求。 第一代光纤符合ITU的G.652标准，开始光纤通讯的1.0时代，那时采用的调制方式是OOK（On-Off-Key）但是随着单波长速率提高到10Gbit/s，其局限性越来越多，其对光纤的色散性的敏感度越来越高，需要色散补偿光纤来弥补色散的损耗。但是市场对数据传输量越来越大，原来的光纤传输OOK调制技术已经不能满足要求了。从2008年开始第二次光通讯革命，采用相干相位调制技术DPQPSK，实现了单波长100Gbit/s，由于该调制技术对色散不敏感，色散可以通过算法进行电子补偿，而且采用了相干技术提高了探测灵敏度，即检测一个bit只需20个光子的能量，而传统调制方式需要6000/bit光子。因此困扰光通讯传输只剩下光纤损耗。 为了减少光纤损耗，最好的办法就是光纤传输内核不再掺杂，保持纯玻璃，但为了保持中间核传输层的光能够正常传输不泄露到光纤外部，光纤内核的折射率要高于外部的包层。经典光纤中内核层掺了氧化锗(GeO2), 使得光纤内部核的折射率略高于外部包层，但这也造成了光纤的损耗增加。 第二代光纤G.654E的内核层不再掺入任何杂质，而是在包层掺了氟（F），这样使得光纤包层的折射率降低，满足了光纤内核层的折射率高于外包层的要求。见下图所示：
图1 光纤内核与包层折射率
很明显G.652光纤,其内核是掺入GeO2，使其内核的折射率高于外包层（SiO2），而新一代光纤G.654,其内核是纯SiO2，这样可以保持内核的光传输损耗最低，但为了保证内核折射略高。这些光纤参数比较见下表所示：
表1 典型光纤的参数
很明显新型G.654E 损耗标准要求达到0.17 dB/km，而实验室已经达到0.14dB/km，而理论极限是0.11dB/km。
光纤除了用于通讯外，还有一些典型的应用，用于照明和装饰，就是将屋外的自然光通过光纤引导各个房间，用于白天照明。这种导光光纤或通体发光光纤与通讯光纤不同的是没有内核，整个光纤均可以用来通光，一般是多个光纤在屋顶天窗引入自然光，然后将不同的光纤导引到不同的房间里，其主要导光的光谱是可见光。
其特点可随意弯曲造型；安全、节能、环保、免维护；防水、防紫外线；使用寿命长，使用范围广。光线沿光纤长度方向均匀散射，利用光晕来达到装饰的效果。利用侧光光纤可以勾勒物体轮廓或组成各种艺术造型，广泛用于勾勒建筑物楼宇和水池游泳池的轮廓、岩洞照明以及走廊、楼梯、地下隧道的道路指引以及室内光纤线条灯(夜总会，KTV，宾馆，酒店，商场，博物馆等)或水体中的线条灯及造型。
光纤另一个典型应用，用于光纤激光就是通过泵浦光将光纤中的信号光放大，从而得到小体积，高效率和高品质的激光。激光光纤与通讯光纤的不同是有多个包层，二包层，三包层和四包层，泵浦光在包层中传输，使得信号光被多次泵浦和放大。见下图所示：
图2 光纤内核与包层
目前光纤激光的功率可以达到万瓦量级。虽然激光早以在上世纪六十年代诞生，但是其在工业上的应用一直迟迟不能推进，因为普通高功率激光器的运行和维护成本太高。一直到上世纪八十年代光纤激光的诞生，使得高功率激光成本大大降低，体积减小，以及运行和维护成本极低，并且其光电转化效率极高，泵浦光可以最高80%转化为信号光。因此在工业4.0中，激光切割机和激光焊接机取代了机床和焊接机成为可能。除了以上几种光纤以外，还有一些特种光纤用以一些特定的用途，如：保偏光纤PMF，以及用塑料做的光纤POF等。当然光纤还有其他的应用，用光纤来检测温度和压力等物理量，用于石油或天然气管道桥梁的远程监控；用于野外文物，建筑物外围的安全监测；用于室内监听和老人的防护检测；用于危险场所或电池内部温度等物理量的监测等等。这些应用是基于光纤对外界的物理量有非常敏感的形变，这导致了光在这些光纤传输后有非常明显的变化，使得监测结果非常容易被测试出来，因此光纤检测成为多个领域检测应用的关键技术。
