光纖有何神奇之處,讓奧巴馬驚歎全世界都欠“光纖之父”一個大人情_風聞
造就-造就官方账号-发现创造力2020-06-18 21:08
邢美術
中國電子科技集團有公司第二十三研究所
光纖激光研發中心主任
大家好,我是中國電科二十三所光纖激光研發中心的邢美術。
高錕先生與光纖
開始演講前,我想先為大家介紹一個人——高錕博士,2009年諾貝爾物理學獎的獲得者。半個世紀之前,他發明了光纖通信,極大地改變了全人類的通訊方式。
“光纖之父”高錕先生
光纖是光導纖維的簡稱,是一種由玻璃或者塑料製成的纖維,標準直徑只有250微米,和頭髮絲差不多,利用光的全反射原理傳輸信息。
一般來説,光纖由三部分組成:纖芯、包層和塗覆層。纖芯由高度透明材料製成,用來傳輸光信號;包層的折射率略低於纖芯,與纖芯構成全反射,可以束縛光信號;塗覆層用來增強光纖的柔韌性,起到保護光纖的作用。
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;非通信光纖根據應用領域的不同,分為傳感光纖、激光光纖、信號處理光纖……
奧巴馬曾説過,高錕先生的光纖研究極大地改變了世界,促進了世界經濟的發展,全世界都欠高坤先生一個大人情。
更令人敬佩的是,被稱為“光纖之父”的高坤先生並沒有為他的發明申請專利,因為他希望有一天全人類都能夠利用光纖上網。如今他的願望已經實現了:光纖已經走進了千家萬户,走進了我們老百姓的日常生活。
制棒→拉絲→光纖
光纖是使用四氯化硅、四氯化鍺等原材料製成的。對於一般的石英光纖來説,標準的製作工序有兩個:制棒和拉絲。這兩個工序直接決定了光纖的機械強度、壽命等各個參數。
光纖的製作:制棒→拉絲→光纖
制棒就是把四氯化硅等原材料製成和芯棒具有相同折射率的預製棒。目前通用的制棒方法有四種,都是基於氣象沉積法,根據燒製方式不同又分為管內法和管外法,各有優缺點,我們一般採用組合工藝。
製造光纖預製棒的四種方法
制棒過程中,四氯化硅和四氯化鍺發生氧化反應,生成二氧化硅和二氧化鍺,同時排出有毒的氯氣。
拉絲的工序也很簡單,有點像河南拉麪。拉麪是把一個面棒棒拉成細細的拉麪,光纖則是把燒成的預製棒加熱熔融拉錐以後拉成細細的光纖。拉絲時,我們要用樹脂材料把光纖快速包裹起來,形成保護。
光纖拉絲
小玻璃棒大用處
從本質上來説,光纖就是一根細細的玻璃棒。下面結合兩個具體產品,我來為大家詳細介紹一下光纖的應用。
第一個產品是碳密封塗覆光纖,圈內一般叫它黑光纖,因為標準的光纖是沒有顏色的,這個卻是黑乎乎的。
碳密封塗覆光纖
黑光纖其實就是在光纖包層外又加了一層碳密封塗覆,填充包層裏一些固有的結構缺陷,這樣在惡劣環境中使用時,會降低環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境。
第二個產品是一個雙包層摻鐿光纖。
雙包層摻鐿光纖
這種光纖一般用於高功率光纖激光器、放大器,用來提供增益介質,也就是提供儲能。根據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,能夠滿足工業加工和軍事需求。光纖本身比較脆弱,我們使用時要把它承載,也就是在光纖的外面加一層加強件,或者叫填充層,然後在外面擠一層護套,最終形成了我們實際使用的光纜。
典型的光纜結構
這是我們研製的野戰光纜,能在野戰環境下快速建立通訊指揮,也可用於應急搶險。它的特點是能滿足野外使用環境的要求,例如可在樹上打結、被土方車快速碾壓等。
被碾壓的野戰光纜
光纖成纜之後,**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,下圖是我們研製的一個比較特殊的連接器,能滿足兩個轉動機構之間的信號傳輸需求。在兩個對接機構轉動的過程中,它能保證信號連續不斷,同時還可以滿足高達幾噸的抗拉需求,一般用在浮空平台系統上。
被用在浮空平台系統上的光電覆合旋轉轉接頭
在通訊行業,需要傳輸的聲音信號、圖像信號等經過電光轉換,轉化成光信號,長程傳輸之後再進行光電轉換,還原成我們需要的數據、聲音、圖像等信號。
我們通常把電光轉換模塊叫光端機,通常是一收一發地配對使用。下圖所示是我們研究的數字光端機、模擬光端機和綜合業務光端機。
數字光端機、模擬光端機和綜合業務光端機
光纖未來的發展方向
隨着科技發展,光纖損耗已經降得很低,但是因為實際使用時通常需要傳輸幾百、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。
下圖所示是我們研製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。從使用環境需求來説,也有許多滿足特定使用環境需求的放大器,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
除了用於通信領域外,光纖還可用於工業加工領域,例如光纖激光器就廣泛應用於打標、切割、焊接、熔覆、除鏽……在軍事領域,光纖可用於毀傷、對抗,雷達探測……
光纖還可以用於傳感領域,因為它本身對温度、應力、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,導致光纖傳輸信號的相位發生變化。我們通過對信號光的檢測,可以還原出需要探測的温度、應變、聲壓等變化。
光纖的應用
前面介紹的都是光纖的功能單元,或者説是功能單元應用,但在實際使用時,我們通常需要把各個功能單元集成起來構成一個系統,才能滿足一個使用需求。
下圖是我們為浮空平台研製的一個光信號傳輸子系統。浮空平台其實就是一張皮、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,同時還要滿足信號傳輸的要求,還要有防雷劈的功能。
浮空平台系統
在實際應用中,球上的高清攝像機、雷達的信號經球上的光端機電光轉換後,經過纜繩傳到下面錨泊車上面的光端機上,然後再經過光電轉換還原成原本的信號。在世博會、北京奧運會等需要應急指揮系統的活動上,浮空平台系統都能發揮作用。
這是我們研製的一個大型激光系統,為國家一些重大專項配套的種子源激光系統,採用高度集成的插件式結構,由幾千個功能單元構成的。
大型激光系統
由於光纖本身固有的損耗小、耐電磁干擾、重量輕等優點,正在逐漸替代傳統意義上的電纜。
**光聯萬物,光纖正在改變我們的生活。**在不久的將來,曾經只在科幻片中出現的激光炮,也可能會出現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。