大家好，我是中國電科二十三所光纖激光研發(fā)中心的邢美術(shù)。

高錕先生與光纖

開始演講前，我想先為大家介紹一個(gè)人——高錕博士，2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者。半個(gè)世紀(jì)之前，他發(fā)明了光纖通信，極大地改變了全人類的通訊方式。

“光纖之父”高錕先生

光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，是一種由玻璃或者塑料制成的纖維，標(biāo)準(zhǔn)直徑只有250微米，和頭發(fā)絲差不多，利用光的全反射原理傳輸信息。

一般來說，由三部分組成：纖芯、包層和涂覆層。纖芯由高度透明材料制成，用來傳輸光信號;包層的折射率略低于纖芯，與纖芯構(gòu)成全反射，可以束縛光信號;涂覆層用來增強(qiáng)光纖的柔韌性，起到保護(hù)光纖的作用。

光纖由三部分組成

光纖分為通信光纖和非通信光纖兩種。通信光纖又可分為單模光纖和多模光纖;非通信光纖根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，分為傳感光纖、激光光纖、信號處理光纖……

奧巴馬曾說過，高錕先生的光纖研究極大地改變了世界，促進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全世界都欠高坤先生一個(gè)大人情。

更令人敬佩的是，被稱為“光纖之父”的高坤先生并沒有為他的發(fā)明申請專利，因?yàn)樗Ｍ幸惶烊祟惗寄軌蚶霉饫w上網(wǎng)。如今他的愿望已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了：光纖已經(jīng)走進(jìn)了千家萬戶，走進(jìn)了我們老百姓的日常生活。

→拉絲→光纖

光纖是使用四氯化硅、四氯化鍺等原材料制成的。對于一般的石英光纖來說，標(biāo)準(zhǔn)的制作工序有兩個(gè)：制棒和拉絲。這兩個(gè)工序直接決定了光纖的機(jī)械強(qiáng)度、壽命等各個(gè)參數(shù)。

光纖的制作：制棒→拉絲→光纖

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預(yù)制棒。目前通用的制棒方法有四種，都是基于氣象沉積法，根據(jù)燒制方式不同又分為管內(nèi)法和管外法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們一般采用組合工藝。

制造光纖預(yù)制棒的四種方法

制棒過程中，四氯化硅和四氯化鍺發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化硅和二氧化鍺，同時(shí)排出有毒的氯氣。

拉絲的工序也很簡單，有點(diǎn)像河南拉面。拉面是把一個(gè)面棒棒拉成細(xì)細(xì)的拉面，光纖則是把燒成的預(yù)制棒加熱熔融拉錐以后拉成細(xì)細(xì)的光纖。拉絲時(shí)，我們要用樹脂材料把光纖快速包裹起來，形成保護(hù)。

光纖拉絲

小玻璃棒大用處

從本質(zhì)上來說，光纖就是一根細(xì)細(xì)的玻璃棒。下面結(jié)合兩個(gè)具體產(chǎn)品，我來為大家詳細(xì)介紹一下光纖的應(yīng)用。

第一個(gè)產(chǎn)品是碳密封涂覆光纖，圈內(nèi)一般叫它黑光纖，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的光纖是沒有顏色的，這個(gè)卻是黑乎乎的。

碳密封涂覆光纖

黑光纖其實(shí)就是在光纖包層外又加了一層碳密封涂覆，填充包層里一些固有的結(jié)構(gòu)缺陷，這樣在惡劣環(huán)境中使用時(shí)，會降低環(huán)境因素對光纖的損傷。這種光纖可用于海洋探測、石油探測或是有高可靠性、高壽命使用要求的特殊環(huán)境。

第二個(gè)產(chǎn)品是一個(gè)雙包層摻鐿光纖。

雙包層摻鐿光纖

這種光纖一般用于高功率光纖激光器、放大器，用來提供增益介質(zhì)，也就是提供儲能。根據(jù)摻雜的稀土粒子的不同，可分為摻鐿、摻鉺、摻銩、摻鐠等各種摻雜光纖，能夠滿足工業(yè)加工和軍事需求。光纖本身比較脆弱，我們使用時(shí)要把它承載，也就是在光纖的外面加一層加強(qiáng)件，或者叫填充層，然后在外面擠一層護(hù)套，最終形成了我們實(shí)際使用的光纜。

典型的光纜結(jié)構(gòu)

這是我們研制的野戰(zhàn)光纜，能在野戰(zhàn)環(huán)境下快速建立通訊指揮，也可用于應(yīng)急搶險(xiǎn)。它的特點(diǎn)是能滿足野外使用環(huán)境的要求，例如可在樹上打結(jié)、被土方車快速碾壓等。

被碾壓的野戰(zhàn)光纜

光纖成纜之后，為了滿足不同使用場合的需求，還需要連接。連接器的分類比較多，下圖是我們研制的一個(gè)比較特殊的連接器，能滿足兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的信號傳輸需求。在兩個(gè)對接機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，它能保證信號連續(xù)不斷，同時(shí)還可以滿足高達(dá)幾噸的抗拉需求，一般用在浮空平臺系統(tǒng)上。

被用在浮空平臺系統(tǒng)上的光電復(fù)合旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接頭

在通訊行業(yè)，需要傳輸?shù)穆曇粜盘枴D像信號等經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成光信號，長程傳輸之后再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，還原成我們需要的數(shù)據(jù)、聲音、圖像等信號。

我們通常把電光轉(zhuǎn)換模塊叫光端機(jī)，通常是一收一發(fā)地配對使用。下圖所示是我們研究的數(shù)字光端機(jī)、模擬光端機(jī)和綜合業(yè)務(wù)光端機(jī)。

數(shù)字光端機(jī)、模擬光端機(jī)和綜合業(yè)務(wù)光端機(jī)

光纖未來的發(fā)展方向

隨著科技發(fā)展，光纖損耗已經(jīng)降得很低，但是因?yàn)閷?shí)際使用時(shí)通常需要傳輸幾百、甚至上千公里，所以信號會大幅度衰減。為了解決這一問題，就需要使用各種光纖放大器。

下圖所示是我們研制的各種型號的光纖放大器，有比香煙盒還小的小型光纖放大器，也有模塊化的機(jī)箱式放大器，還有滿足多路集成需求的插箱式光纖放大器。從使用環(huán)境需求來說，也有許多滿足特定使用環(huán)境需求的放大器，比如空間站用的耐輻照的光纖放大器等等。

各種型號的光纖放大器

除了用于通信領(lǐng)域外，光纖還可用于工業(yè)加工領(lǐng)域，例如光纖激光器就廣泛應(yīng)用于打標(biāo)、切割、焊接、熔覆、除銹……在軍事領(lǐng)域，光纖可用于毀傷、對抗，雷達(dá)探測……

光纖還可以用于傳感領(lǐng)域，因?yàn)樗旧韺囟?、?yīng)力、形變、聲壓比較敏感，這些因素的變化會引起光纖雙折射率的變化，導(dǎo)致光纖傳輸信號的相位發(fā)生變化。我們通過對信號光的檢測，可以還原出需要探測的溫度、應(yīng)變、聲壓等變化。

光纖的應(yīng)用

前面介紹的都是光纖的功能單元，或者說是功能單元應(yīng)用，但在實(shí)際使用時(shí)，我們通常需要把各個(gè)功能單元集成起來構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，才能滿足一個(gè)使用需求。

下圖是我們?yōu)楦】掌脚_研制的一個(gè)光信號傳輸子系統(tǒng)。浮空平臺其實(shí)就是一張皮、一根繩，上面浮起來的球就是一張皮，纜繩要把球拉住，一般需要承受四五噸的拉力，同時(shí)還要滿足信號傳輸?shù)囊螅€要有防雷劈的功能。

浮空平臺系統(tǒng)

在實(shí)際應(yīng)用中，球上的高清攝像機(jī)、雷達(dá)的信號經(jīng)球上的光端機(jī)電光轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過纜繩傳到下面錨泊車上面的光端機(jī)上，然后再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換還原成原本的信號。在世博會、北京奧運(yùn)會等需要應(yīng)急指揮系統(tǒng)的活動(dòng)上，浮空平臺系統(tǒng)都能發(fā)揮作用。

這是我們研制的一個(gè)大型激光系統(tǒng)，為國家一些重大專項(xiàng)配套的種子源激光系統(tǒng)，采用高度集成的插件式結(jié)構(gòu)，由幾千個(gè)功能單元構(gòu)成的。

大型激光系統(tǒng)

由于光纖本身固有的損耗小、耐電磁干擾、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，正在逐漸替代傳統(tǒng)意義上的電纜。

光聯(lián)萬物，光纖正在改變我們的生活。在不久的將來，曾經(jīng)只在科幻片中出現(xiàn)的激光炮，也可能會出現(xiàn)在我們的日常生活中，讓我們共同期待光纖給我們的生活帶來的改變。