為什么光纖能傳遞信息

【專家解說】：光導(dǎo)纖維傳遞信息 光導(dǎo)纖維又稱導(dǎo)光纖維、光學(xué)纖維，是一種把光能閉合在纖維中而產(chǎn)生導(dǎo)光作用的纖維。它能將光的明暗、光點(diǎn)的明滅變化等信號(hào)從一端傳送到另一端。光導(dǎo)纖維是由兩種或兩種以上折射率不同的透明材料通過特殊復(fù)合技術(shù)制成的復(fù)合纖維。它的基本類型是由實(shí)際起著導(dǎo)光作用的芯材和能將光能閉合于芯材之中的皮層構(gòu)成。光導(dǎo)纖維有各種分類方法:按材料組成萬分可分為玻璃、石英和塑料光導(dǎo)纖維;按形狀和柔性分為可撓性和不可撓性光導(dǎo)纖維;按纖維結(jié)構(gòu)分為皮芯型和自聚集型(又稱梯度型);按傳遞性分為傳光和傳象光導(dǎo)纖維;按傳遞光的波長(zhǎng)分為可見光、紅外線、紫外線、激光等光導(dǎo)纖維。 光導(dǎo)纖維的通信主要運(yùn)用激光的高度的相干性，利用其相干性將信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信號(hào)，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào). 眾所周知，玻璃是一種寧折不撓的硬性材料，它既不耐沖擊，又不能拗屈。但把玻璃抽成細(xì)絲后，它就會(huì)一反常態(tài)地變得柔軟耐磨，可撓易彎， 還具有不燃燒、耐腐蝕、隔熱、吸音、強(qiáng)度大的特點(diǎn)。如經(jīng)樹脂涂層和印染處理，還可作為室內(nèi)裝飾用布。人們又發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維的細(xì)度越細(xì)，則柔韌性越好，合股線的強(qiáng)力也就越高。又由于玻璃的透光性能好，還有傳遞光能的作用，因此，從70年代起，人們就成功地將二氧化硅玻璃纖維用于光通訊技術(shù)。這是第一代光導(dǎo)纖維，它是用二氧化硅玻璃纖維做芯線，線外用甲基丙烯酸酯涂膜，以增強(qiáng)光導(dǎo)纖維的機(jī)械強(qiáng)度和防止光能散射。通訊的原理是用玻璃纖維接受光訊號(hào)、再傳導(dǎo)給光調(diào)制器、并經(jīng)光探測(cè)器和光接受機(jī)，通過接口件轉(zhuǎn)換成電磁訊號(hào)。這種光導(dǎo)纖維的重量只有普通電話電纜的千分之一。而且這種通訊方法具有容量大、抗干擾性好、能量衰耗小等特點(diǎn)，但是，這種光導(dǎo)纖維的抽絲和對(duì)接難度大，推廣應(yīng)用困難。于是，1964年美國(guó)首先研制成功了第二代光導(dǎo)纖維，它采用合成材料做芯線(如用重氫取代氫離子的聚甲基丙烯酸甲酯做芯線)，外層涂料用聚乙烯或聚四氟乙烯。也有采用丙烯腈做芯線，用聚苯乙烯做涂料的光導(dǎo)纖維。這種光導(dǎo)纖維的芯線透射率高，涂層折射率低，光能損耗低于20dB，而且加工技術(shù)簡(jiǎn)單，可加工極細(xì)的光導(dǎo)纖維，目前應(yīng)用的細(xì)度可達(dá)0.005mm以下，可方便地根據(jù)需要來加工導(dǎo)線的長(zhǎng)度，這樣可減少接頭的損耗，而且柔軟度優(yōu)于玻璃纖維，便于推廣使用。 光導(dǎo)纖維一般以束、纜、板、管等形式使用。制造有機(jī)導(dǎo)光纖維的內(nèi)芯和涂層材料很多，有的在聚甲基丙烯酸甲酯纖維上覆蓋一層聚乙烯或其他不同折射率的材料(如聚四氟乙烯)，還有的采用聚丙烯腈樹脂覆蓋腈綸芯絲。 在選擇光導(dǎo)纖維的基材時(shí)，一般要求芯料的透光率高，而涂層材料要求折射率低，并且要求芯料和涂料的折射率相差越大越好。在熱性能方面，要求兩種材料的熱膨脹系數(shù)相接近，若相差較大，則形成的光導(dǎo)纖維產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使透光率和纖維強(qiáng)度降低。另外，要求兩種材料的軟化點(diǎn)和高溫下的粘度都要相接近，否則，會(huì)導(dǎo)致芯料和涂層材料結(jié)合不均勻，將會(huì)影響到纖維的導(dǎo)光性能。 影響光導(dǎo)纖維使用性能的因素很多，光導(dǎo)纖維的集光能力、透光性、分辨率和對(duì)比度是影響光導(dǎo)線傳像能力的主要指標(biāo)。數(shù)值孔徑用于表示光導(dǎo)纖維集光能力的大小和接收光的多少，而數(shù)值孔徑的大小直接與光導(dǎo)纖維芯料和涂層的折射率有關(guān)，芯料與涂層的折射率相差越大，則集光能力就越強(qiáng)，光導(dǎo)纖維的透光性則與所使用的材料、數(shù)值孔徑及纖維的幾何尺寸有關(guān)，并隨著纖維長(zhǎng)度的增加而很快地下降。圖像的清晰程度是由分辨率決定的， 而分辨率與光導(dǎo)纖維的直徑成反比，因此光導(dǎo)纖維的直徑盡可能地細(xì)。影響光導(dǎo)纖維對(duì)比度的因素主要有纖維的集光能力、透光能力、分辨能力和涂層的厚度。但涂層厚薄的程度宜適中，涂層厚度太厚會(huì)產(chǎn)生光的相互干擾，太薄則會(huì)漏光。 采用光導(dǎo)纖維進(jìn)行通訊，不僅能節(jié)省大量的金屬資源，而且使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，性能比電纜好得多，具有容量大、抗干擾性好、能量衰耗小，傳送距離遠(yuǎn)、重量輕、絕緣性能好、保密性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。就容量而言，是非常驚人的，一根直徑只有千分之一的光導(dǎo)纖維，可以同時(shí)傳遞32000對(duì)電話。如果采用激光通訊，一條光電纜能同時(shí)接通100億條電話線路和1000萬套電視通訊，可供全世界每人2 部電話使用。而且光導(dǎo)纖維通訊的頻率范圍寬、傳遞的音質(zhì)好，圖像清晰、色彩逼真。同時(shí)，由于光導(dǎo)纖維通訊的光能頻率高，具有極好的抗干擾性，特別是使用激光光源時(shí)更為突出，把抗干擾性又提高了一步。光能在光導(dǎo)纖維中屏蔽傳導(dǎo)、不易泄露、不易被截獲、具有良好地保密性。更不受空間各種頻率電磁波的干擾，也不會(huì)受到風(fēng)、雨、雷、電的影響，是真正的全天候式安全通訊技術(shù)。 光導(dǎo)纖維的特性決定了其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。由光導(dǎo)纖維制成的各種光導(dǎo)線、光導(dǎo)桿和光導(dǎo)纖維面板等，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、交通、通訊、醫(yī)學(xué)和宇航等領(lǐng)域。 光導(dǎo)纖維最廣泛的應(yīng)用在通信領(lǐng)域，即光導(dǎo)纖維通信。自20世紀(jì)60年代以來，由于在光源和光纖方面取得了重大的突破，使光通信獲得異常迅速的發(fā)展。作為光源的激光方向性強(qiáng)、頻率高，是進(jìn)行光通信的理想光源;光波頻帶寬，與電波通信相比，能提供更多的通信通路，可滿足大容量通信系統(tǒng)的要求。因此，光纖通信與衛(wèi)星通信一并成為通信領(lǐng)域里最活躍的兩種通信方式。 在醫(yī)學(xué)上，光導(dǎo)纖維可以用于食道、直腸、膀胱、子宮、胃等深部探查內(nèi)窺鏡(胃鏡、血管鏡等)的光學(xué)元件和不必切開皮肉直接插入身體內(nèi)部，切除癌瘤組織的外科手術(shù)激光刀，即由光導(dǎo)纖維將激光傳遞至手術(shù)部位。 在照明和光能傳送方面，利用光導(dǎo)纖維進(jìn)短距離可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)光源多點(diǎn)照明，光纜照明，可利用塑料光纖光纜傳輸太陽光作為水下、地下照明。由于光導(dǎo)纖維柔軟易彎曲變形，可做成任何形狀，以及耗電少、光質(zhì)穩(wěn)定、光澤柔和、色彩廣泛，是未來的最佳燈具，如與太陽能的利用結(jié)合起來將成為最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的光源。今后的高層建筑、禮堂、賓館、醫(yī)院 、娛樂場(chǎng)所、甚至家庭依據(jù)都可直接使用光導(dǎo)纖維制成的天花板或墻壁，以及彩織光導(dǎo)纖維字畫等，也可用于道路、公共設(shè)施的路燈、廣場(chǎng)的照明和商店櫥窗的廣告。此外，還可用于易燃、易爆、潮濕和腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境中不宜架設(shè)輸電線及電氣照明的地方作為安全光源。 在國(guó)防軍事上，光導(dǎo)纖維也有廣泛的應(yīng)用，可以用光導(dǎo)纖維來制成纖維光學(xué)潛望鏡，裝備在潛艇、坦克和飛機(jī)上