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每 周 科 普 光导纤维与光通讯 光导纤维（简称“光纤）是20世纪非常重要的发明，它的应用范围广泛，特别是在光通讯技术的领域。 “光导”现象并非罕见。在小学的科学课中，就有一个“光导”演示实验。在演示前，老师准备一个玻璃容器，在接近底部的侧壁打一个小孔中流出。由于水有一定的深度，水流呈现（平抛的）抛物线形状的“流管”。用手电筒照射就行，但是要使照射光成为一个细束。细细的光束通过水体，照射到出水的小孔。观察者可以看到，光束并不是从水流管穿出，而是被水流“约束”在“流管”之中。实验者可以清楚地看到，光束在“流管”中不断反射，随着水流行进。当然，要想使这束光在水的“流管”中行进，必须使水对光的折射率大于空气对光的折射率。 也许，这种“光导”现象的知识并不深，因为这只涉及到几何光学中的折射和（全）反射的知识。其实，这个实验是19世纪下半叶时的英国物理学家最先进行的。当时，人们看到这个现象觉得很好玩，好像都没去想这有什么用处。不过，还是有人利用这个原理发明了内窥镜装置。 内窥镜传导光的器件是一束光导纤维。它一头连接胃镜，一头连接着接收装置。当患者把胃镜吞入胃中，胃镜要将外部的光通过光导纤维传入胃中，用以照亮胃壁。胃镜这一端还有一个很小的镜头，它可以把胃壁的情况传输到体外，显示在屏幕上。胃镜还可以携带一个小镊子，以切取少许物质，用以化验。 内窥镜除了胃镜之外，还有食道镜和膀胱镜等。 除了医学（特别是临床上）的应用之外，光导纤维在光通讯上的应用就更加引人注目了。 光导纤维在传输信号时，要防止传输的光信号“外泄”，通常要用两种玻璃材料。其中芯线用一种玻璃材料，芯线的包层用另一种玻璃材料；芯线材料的光折射率要大于包层的玻璃材料的光折射率。只有这样制作，才能保证光信号在光纤中传输时不“外泄”，并保证光信号在光纤中行进，就像光线在“水流管”中行进一样。 从技术上讲，光信号在光纤中传输，最为受到关注的是，光的损耗。如果光的损耗太大，光信号会传输得不远，或者要加若干个对信号进行放大的中继站。也正是这样的顾虑，在20世纪60年代，英国的华裔光学专家高锟（1933~）经过研究，他认为，玻璃纤维可以传输光信号。他也因此获得2010年诺贝尔物理奖。此后经过10余年间的研制工作，科技人员就可以在实验室内实现光信号的传输，并且，在80年代，电信公司就开始铺设跨越大西洋的光缆。这条光缆的长度为7000千米。不久后，又开始铺设跨越太平洋的光缆。（南）太平洋的光缆长度为16000千米。 在实现光通讯时，光导纤维的制作方法也是关键。这里只介绍一种制作方法——管棒法。 这种方法比较简单，把折射率较小的玻璃作成管状，把折射率较大的玻璃作成棒状。而后将二者一起放入电炉中加热，在高温熔融的状态下，把它们拉成内外两层的玻璃纤维。 光通讯用的光导纤维分为两种：“单模”的光导纤维和“多模”的光导纤维。这里的“模”是传导光线路径的意思。一般来说，“单模”光纤很细，芯线的直径不到10微米，其外径约为125微米，只有一束光线沿着芯线的中心传输。而“多模”光纤要粗一些，芯线的直径达50微米，外径也是125微米，光线能在光纤中沿着多条路径传输。 光纤通讯是利用激光在光纤中传输信息的有线通讯方式。这种技术比以前所使用的通讯技术有很多优点。 首先，光纤通讯的容量是巨大的。只须一根像头发丝粗细的光纤就足以传输几万路电话信号或2000路电视信号。 其次，光纤通讯的可靠性很好，保密性也很好，而且不受电磁干扰。 第三，光纤的特点是重量轻，传输信号的速度快、密度大，如长为1000米的“单模”光纤，重约27千克。 另外，光纤通讯的损耗很低。当传送波长为1.55微米的激光时，每1000米，光的能量损耗很小。因此，光通讯技术非常适宜于远距离的信息传输。 采用光纤通讯，可将声音或图像的信息通过电话机或电视摄像机变成电信号，通过光学调制机用激光光源进行调制。这就把电信号变成光信号，再由光导纤维传输。在光纤的另一端为接收器。当接收到光信号时，要把光信号还原成电信号，再传输到电话机或电视机，重现成话音或图像。 随着技术的发展，可以省略电信号，直接将话音或图像变成光信号，经激光调制、光纤传输，再经解调，变成原来的话音或图像。如果电还有用处的话，那只是提供能量而已。 光通讯技术取代电通讯技术时，相应地，电话、电报、电视、电传就会变成“光话”、“光报”、“光视”、“光传”等，人类就会真正进入光通讯的时代。
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