看光纤技术的前世今生

使君子

	http://network.pconline.com.cn/cehua/0910/1856405.html 看光纤技术的前世今生 出处：pconline 2009年10月14日  　　2009年诺贝尔物理学奖被授于了高锟（Charles K. Kao），Willard Boyle和George Smith三位物理学家。第二张图片是关于2009年诺贝尔物理学奖评奖科学背景文章的第一页，所谓“背景”讲白了就是，某某人因为什么方面的成就而得奖。Two Revolutionary Optical Technologies（两个革命性的光学工业技术），从标题不难看出，今年评委们似乎关注起光学技术来了。 高锟（Charles K. Kao）、Willard Boyle和George Smith Two Revolutionary Optical Technologies 　　高锟先生的得奖理由是"for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication"，简单的讲就是他在光通信领域取得了突破性的成就。我们再来看一下另外两位的得奖理由，"for the invention of an imaging semiconductor circuit – the CCD sensor"，即Willard Boyle和George Smith发明了CCD，在当今的数码成像设备中都可以找到它，无论是价值不菲的单反相机还是不足百元的USB摄像头，它们的成像原理其实都是一样的。 　　对比一下这两段得奖理由不难看出，光纤并不是高锟先生发明的，“光纤之父”这一称号对于高锟先生似乎不太适合。高锟先生其实是“光纤通信之父”而非“光纤之父”。那被称为“光纤之父”的人到底是谁呢？经过查阅相关资料，笔者发现原来是一位印度裔的科学家Narinder Singh Kapany。 查尔斯王子相信谁都认识，另一位就是Kapany啦~ 　　在现代社会中，光纤得到了极为广泛的应用，比如我们最熟悉的通信光纤，在医院做胃部检查时使用的胃镜，甚至街边小贩叫卖的玻璃丝光纤玩具，这些用途完全不同的物品，它们所基于的原理却是相同的——光的全内反射现象。这个名词可能让您感觉费解，没关系，文章最后笔者将用最直白的方式来说明这一现象。 　　纤维光学其实是一种非常简单又非常古老的技术，说其简单您目前可能还无法认同，不过，要说其古老，这还要从1840年讲起。1840年左右，Daniel Colladon 和 Jacques Babinet几乎是同一时间最先在巴黎提出可以依靠光折射现象来引导光线的理论。 　　到了1870年，英国物理学家John Tyndall在其出版的书籍中写到，“全内反射”特性是光的自然属性，同时还进一步说明了，光线从空气射入水中以及从水中射入空气时的不同，他指出，当光线由水中射入空气时，如果角度大于48度（与法线之间的夹角，这一角度的精确值是48°27'），那么光线将无法“逃出”水面，光线会在界面处被完全反射。 左：Daniel Colladon　　中：Jacques Babinet　　右：John Tyndall 　　发现光可以在“光纤”中传输的这一特性后，最初利用这一特性的实际应用出现在1920年左右，但那时科学家们的主要研究方向是通过光纤进行图象传输。具体的应用比如医学窥镜，用于军事的可弯曲潜望镜，甚至应用于早期的电视中，但最初的玻璃纤维在光纤传输方面的表现确实难以让人感到满意。比如每当光纤“对接”或光纤界面受损时，光纤中的光就“消失”了，另外，光在传输中的损失也很严重。 　　随着时间的推移，在光纤发展史上的一个重大突破出现在1950年左右，那时，H.H. Hopkins 和 N.S. Kapany展示了带有包层的光纤，这使得图像在光纤中的传导表现大大提升。N.S. Kapany所展示的光纤与我们今天使用的光纤在结构上可以说是一样的。当今的光纤其核心部分有两层结构，最中心部分是纤芯，是一根极细的且折光率稍高的玻璃，在纤芯周围的是包层，覆盖着的也是一层玻璃，只不过这层玻璃的折光率要略低于纤芯。正如我们前面所讲的，这一结构在“全内反射”效应的作用下，光线的传输就这样实现了。应该也正是因为这一突破性的成就，N.S. Kapany被人们称为是“光纤之父”。 光纤之父 Narinder Singh Kapany 　　即使历史发展到此时，人们似乎依然没有打算把光纤应用于通信领域的想法，科学家们始终在致力于提升光纤传输图像的表现。1956年，又一个标志性的产品诞生了——可弯曲的光纤内窥镜。在研制内窥镜的过程中，同是这个研究组的成员Lawrence E. Curtiss，他制造出了第一根采用玻璃为包层的光纤。光纤发展至此，无论在结构上还是在材质构造上，与当今我们使用的光纤基本上已经完全一样了。 内窥镜的过去与现在 　　终于在1963年，日本科学家西泽润一提出了使用光纤进行通信的概念，此外，他发明的一些技术，例如激光二极管（laser diode ），对光纤通信的发展起到了非常大的推进作用。在1964年他发明了渐变折射率光学纤维（graded-index optical fiber），这种光纤使用半导体激光器在一个通道中可实现低损耗的长距离传输。 西泽润一 　　在20世纪60年代初期，高锟先生开始研究如何将光纤作为通信介质，他指出，衰减率的产生除了是因为玻璃本身含有杂质以外，更重要的是因为光纤本身的一些根本物理效应。这一研究结果于1966年发表，并首次提出，建议使用玻璃纤维来实现光通信。这一概念（尤其是实现光通信的基础结构和材质方面的观点）很大程度上描绘了当今的光纤通信概貌。 光纤通信之父 高锟（Charles K. Kao） 　　在1966年，高锟先生首次提出，当玻璃纤维的衰减率低于20dB/km时，光纤通信即可成功。但是当时的光纤制造技术对于衰减率的控制仅能达到1000dB/km。在接下来的研究中，高锟指出，高纯度的石英玻璃是制造可用于实现光通信的光纤的首选材料。后来人们认识到，高锟的这些观点对未来整个通信产业所起到的影响是革命性的。 　　在光通信发展的历史中，高锟先生扮演过很多重要的角色，为了能让更多人认识到光通信技术的重要性，他不仅奔走于工程界，甚至还奔走于商业领域，他拜访过著名的贝尔实验室，也去过单纯的玻璃加工厂，为了改进光纤加工工艺，他与不同的人们包括工程师，科学家，商人等进行探讨。  　　1970年，康宁公司最先生产出了衰减率低于20dB/km光纤成品，成品达到了17dB/km的衰减率。几年后，他们就生产出了衰减率仅为4dB/km的光纤，如此低损耗的光纤被应用于电信领域，同是也使互联网（INTERNET）的发展与普及成为可能。 　　光纤从最初的理论概念到真正可实现光通信的产品前前后后经历了100多年的时间。当100多年前的科学家们发现并论述光的种种特性时，也许很难想到就是这些特性在近代使人类的沟通方式发生了革命性的改变，以至于深远地影响了整个人类社会的发展进程。 　　我们再来看一下今年获得诺贝尔物理学奖的三位科学家，没有高锟先生的研究成就也许就不会有我们今天人人都在使用的互联网，光纤通信所解决的问题其实非常简单——远距离高速传输海量数据，但没有它，长途通信和互联网（Internet）将只会是个空想。如果CCD没有被发明，那我们的生活中可能将只有文字，我们还将生活的胶片时代，数码相机，手机的拍照功能也将只会是空想。 　　想知道什么是光的“全内反射”现象？如果您感兴趣，笔者将用最直白的方式向您描述这一光学现象。 　　好，笔者现在就来讲一下什么是光的“全内反射”现象了，不过在这之前笔者还必须跟您讲一下什么是“折射率”，这两个概念十分重要，因为光纤实际上就是基于这两种现象工作的。 　　某种介质的折射率等于光在真空中的速度除以光在介质中的传播速度，我们都知道光在真空中的传播速度是最快的，像水，虽然是透明的，但光在其中的传播速度相对于在真空中要慢一些。根据科学家们的研究，比如水，它的折射率为1.33。科学家们称具有较高折射率的介质为“光密介质”，而具有较低折射率的介质为“光疏介质”。 　　明白了什么是“光密介质”与“光疏介质”，笔者再来说“全内反射”您就很好理解了。当光线经过两个不同折射率的介质时，部分光线会在介质的界面处发生折射，也就是说这部分光线“逃出”了原先的介质，进入了另一种介质中，而其余的光线则会在原先介质的界面处被反射，也就是说这部分光线并没有“逃出”当前的传输介质。但是，当入射角大于一定角度时，光的折射现象就消失了，不会再有光从当前介质中“逃出”，而是在介质的界面处所有光线都会被反射回来，这一现象就是全内反射现象。 全内反射现象 　　在上图中，n1代表“光密介质”，n2代表“光疏介质”，红蓝光线仅作分别之用，并不代表不同颜色光线的光学情况。当红线以小角度射入介质时，光线会发生折射和反射两种现象，但当蓝线以大角度射入介质时，折射就消失了，此时只会发生反射。您可能会有疑问，真会这样吗？有图有真相，不信请看下图： 在装满水的水杯上部看不到后面的手指 全内反射现象 　　上图几乎是与海龟水平高度拍摄的，我们的视线与水面几乎平行，这时的水面看起来就像是面镜子，所以我们看到了海龟的倒影，但如果您能有机会游到海龟的下方再看水面，那时的情形就完全不同了，海龟的倒影会变浅甚至消失掉，水平也不再会是一面优质的“镜子”。 光纤 　　上图就是我们在日常可以见到的一种光纤，光线由一端射入，在转了数圈后从另一端射出，光在整个光纤中传输时虽然有所泄漏（左侧接头部分比较红），但同时也说明光的传输是可控的。那么，光线在光纤中是如何前进的呢？请看下图： 光线在光纤中传输 　　不管这个透明的“玻璃棒”是用什么材质做成的，有一点可以肯定，它的“折射率”一定大于1，而空气与真空的折射率相同，都是1，所以当激光束以大角度（大于临界角）射入玻璃棒时，光束产生了全内反射现象，光束就是这样被反射来反射去，直至到达光纤的另一端。 始祖级的内反射演示器，始于1884年左右。 　　最后，为大家介绍一款可以被称为是始祖级“内反射演示器”的演示装置。Daniel Colladon在1842年发表的一篇名为《光线反射于一个抛物线形状的水柱内》的文章中首次描述了“光导管”装置（light fountain 或 light pipe），在1884年，Daniel Colladon制造了这台“始祖级的光内反射演示器”。在这个演示情景中，水是“光密介质”，空气是“光疏介质”光在“全内反射”效应的作用下被引导入了下面的水盆中——光的前进路线“弯曲”了。

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