为什么说全世界都欠“光纤之父”一个大人情?

高锟先生与光纤

开始演讲前,我想先为大家介绍一个人——高锟博士,2009年诺贝尔物理学奖的获得者。半个世纪之前,他发明了光纤通信,极大地改变了全人类的通讯方式。

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“光纤之父”高锟先生

光纤是光导纤维的简称,是一种由玻璃或者塑料制成的纤维,标准直径只有250微米,和头发丝差不多,利用光的全反射原理传输信息。

一般来说,光纤由三部分组成:纤芯、包层和涂覆层。纤芯由高度透明材料制成,用来传输光信号;包层的折射率略低于纤芯,与纤芯构成全反射,可以束缚光信号;涂覆层用来增强光纤的柔韧性,起到保护光纤的作用。

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光纤由三部分组成

光纤分为通信光纤和非通信光纤两种。通信光纤又可分为单模光纤和多模光纤;非通信光纤根据应用领域的不同,分为传感光纤、激光光纤、信号处理光纤……

奥巴马曾说过,高锟先生的光纤研究极大地改变了世界,促进了世界经济的发展,全世界都欠高坤先生一个大人情。

更令人敬佩的是,被称为“光纤之父”的高坤先生并没有为他的发明申请专利,因为他希望有一天全人类都能够利用光纤上网。如今他的愿望已经实现了:光纤已经走进了千家万户,走进了我们老百姓的日常生活。

制棒→拉丝→光纤

光纤是使用四氯化硅、四氯化锗等原材料制成的。对于一般的石英光纤来说,标准的制作工序有两个:制棒和拉丝。这两个工序直接决定了光纤的机械强度、寿命等各个参数。

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光纤的制作:制棒→拉丝→光纤

制棒就是把四氯化硅等原材料制成和芯棒具有相同折射率的预制棒。目前通用的制棒方法有四种,都是基于气象沉积法,根据烧制方式不同又分为管内法和管外法,各有优缺点,我们一般采用组合工艺。

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制造光纤预制棒的四种方法

制棒过程中,四氯化硅和四氯化锗发生氧化反应,生成二氧化硅和二氧化锗,同时排出有毒的氯气。

拉丝的工序也很简单,有点像河南拉面。拉面是把一个面棒棒拉成细细的拉面,光纤则是把烧成的预制棒加热熔融拉锥以后拉成细细的光纤。拉丝时,我们要用树脂材料把光纤快速包裹起来,形成保护。

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光纤拉丝

小玻璃棒大用处

从本质上来说,光纤就是一根细细的玻璃棒。下面结合两个具体产品,我来为大家详细介绍一下光纤的应用。

第一个产品是碳密封涂覆光纤,圈内一般叫它黑光纤,因为标准的光纤是没有颜色的,这个却是黑乎乎的。

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碳密封涂覆光纤

黑光纤其实就是在光纤包层外又加了一层碳密封涂覆,填充包层里一些固有的结构缺陷,这样在恶劣环境中使用时,会降低环境因素对光纤的损伤。这种光纤可用于海洋探测、石油探测或是有高可靠性、高寿命使用要求的特殊环境。

第二个产品是一个双包层掺镱光纤

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双包层掺镱光纤

这种光纤一般用于高功率光纤激光器、放大器,用来提供增益介质,也就是提供储能。根据掺杂的稀土粒子的不同,可分为掺镱、掺铒、掺铥、掺镨等各种掺杂光纤,能够满足工业加工和军事需求。光纤本身比较脆弱,我们使用时要把它承载,也就是在光纤的外面加一层加强件,或者叫填充层,然后在外面挤一层护套,最终形成了我们实际使用的光缆。

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典型的光缆结构

这是我们研制的野战光缆,能在野战环境下快速建立通讯指挥,也可用于应急抢险。它的特点是能满足野外使用环境的要求,例如可在树上打结、被土方车快速碾压等。

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被碾压的野战光缆

光纤成缆之后,为了满足不同使用场合的需求,还需要连接。连接器的分类比较多,下图是我们研制的一个比较特殊的连接器,能满足两个转动机构之间的信号传输需求。在两个对接机构转动的过程中,它能保证信号连续不断,同时还可以满足高达几吨的抗拉需求,一般用在浮空平台系统上。

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被用在浮空平台系统上的光电复合旋转转接头

在通讯行业,需要传输的声音信号、图像信号等经过电光转换,转化成光信号,长程传输之后再进行光电转换,还原成我们需要的数据、声音、图像等信号。

我们通常把电光转换模块叫光端机,通常是一收一发地配对使用。下图所示是我们研究的数字光端机、模拟光端机和综合业务光端机。

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数字光端机、模拟光端机和综合业务光端机

光纤未来的发展方向

随着科技发展,光纤损耗已经降得很低,但是因为实际使用时通常需要传输几百、甚至上千公里,所以信号会大幅度衰减。为了解决这一问题,就需要使用各种光纤放大器。

下图所示是我们研制的各种型号的光纤放大器,有比香烟盒还小的小型光纤放大器,也有模块化的机箱式放大器,还有满足多路集成需求的插箱式光纤放大器。从使用环境需求来说,也有许多满足特定使用环境需求的放大器,比如空间站用的耐辐照的光纤放大器等等。

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各种型号的光纤放大器

除了用于通信领域外,光纤还可用于工业加工领域,例如光纤激光器就广泛应用于打标、切割、焊接、熔覆、除锈……在军事领域,光纤可用于毁伤、对抗,雷达探测……

光纤还可以用于传感领域,因为它本身对温度、应力、形变、声压比较敏感,这些因素的变化会引起光纤双折射率的变化,导致光纤传输信号的相位发生变化。我们通过对信号光的检测,可以还原出需要探测的温度、应变、声压等变化。

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光纤的应用

前面介绍的都是光纤的功能单元,或者说是功能单元应用,但在实际使用时,我们通常需要把各个功能单元集成起来构成一个系统,才能满足一个使用需求。

下图是我们为浮空平台研制的一个光信号传输子系统。浮空平台其实就是一张皮、一根绳,上面浮起来的球就是一张皮,缆绳要把球拉住,一般需要承受四五吨的拉力,同时还要满足信号传输的要求,还要有防雷劈的功能。

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浮空平台系统

在实际应用中,球上的高清摄像机、雷达的信号经球上的光端机电光转换后,经过缆绳传到下面锚泊车上面的光端机上,然后再经过光电转换还原成原本的信号。在世博会、北京奥运会等需要应急指挥系统的活动上,浮空平台系统都能发挥作用。

这是我们研制的一个大型激光系统,为国家一些重大专项配套的种子源激光系统,采用高度集成的插件式结构,由几千个功能单元构成的。

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大型激光系统

由于光纤本身固有的损耗小、耐电磁干扰、重量轻等优点,正在逐渐替代传统意义上的电缆。

光联万物,光纤正在改变我们的生活。在不久的将来,曾经只在科幻片中出现的激光炮,也可能会出现在我们的日常生活中,让我们共同期待光纤给我们的生活带来的改变。

智力支持:共青团上海科学技术工作委员会

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