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玻璃丝传光发展史-光纤通信传输介质

         固执于光的旧有理论的人们,最好是从它自身的原理出发,提出实验的说明。并且,如果它的这种努力失败的话,他应该承认这些事实。
                                                                                                                                               ——托马斯·扬(T.Young)
         光纤由玻璃,即石英(SiO2)组成。光纤和光缆结构如图3.1.1所示,光纤由玻璃制成的纤芯和包层组成,为了保护光纤,包层外面还增加尼龙外层。
玻璃丝传光——全反射(图1)
图3.1.1光纤和光缆结构示意图
a)光纤结构  b)一种光缆结构
        光纤是一种纤芯折射率n1比包层折射率n2大的同轴圆柱形电介质波导。纤芯材料主要成分为二氧化硅(SiO2),纯度达99.999%,其余成分为极少量的掺杂剂如二氧化锗(GeO2)等,以提高纤芯的折射率。纤芯直径2a为8~100μm。包层材料一般也为SiO2,外径2b为125μm,其作用是把光强限制在纤芯内。为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性,还在包层外增加一层涂覆层,其主要成分是环氧树脂和硅橡胶等高分子材料。光在纤芯与包层的界面上发生全反射而被限制在纤芯内传播,包层为光的传输提供反射面和光隔离,并起一定的机械保护作用。
        实际光纤通信系统使用的光纤都是包在光缆内,光缆由许多光纤组成,光纤外面是松套管,松套管内是填充物。光缆的中心是一条增加强度用的钢丝,最外面是保护用的护套。
光全反射
玻璃丝传光发展史
       古代,希腊吹玻璃工匠观察到玻璃棒可以传光。
       1854年,英国的廷德尔在英国皇家学会的一次演讲中指出,光线能够沿盛水的弯曲管道进行反射而传输,并用实验证实了这个想法。
       1870年,英国物理学家廷德尔在实验中观察到,把光照射到盛水的容器内,从出水口向外倒水时,光线也沿着水流传播,出现弯曲现象,这好像不符合光只能直线传播的定律。实际上,这时光仍是沿直线传播,只不过在水流中出现了光反射现象,因而光是以折线方式前进的。光也可以“走弯路”。
       1927年,英国的贝尔德首次利用光全反射现象制成石英纤维,进行图像解析,并且获得了两项专利。
       1930年,有人拉出了石英细丝,并论述了它传光的原理。
       1951年,荷兰和英国开始进行柔软纤维镜的研制。
       1953年,荷兰人范赫尔把一种折射率为1.47的塑料涂在玻璃纤维上,形成比玻璃纤维芯折射率低的套层,得到了对光线全反射(绝缘)的玻璃纤维。但由于塑料套层不均匀,光能量损失太大。
       1955年,光在弯曲管道中反射前行的现象得到实际应用。当时在伦敦英国学院工作的卡帕尼博士用极细的玻璃制作成了光导纤维。每根细如丝的光导纤维是用两种折射率不同的玻璃制成,一种玻璃形成中心束线,另一种包在中心束线外面形成包层。由于两种玻璃在光学性质上的差别,光线以一定角度从 光导纤维的一端射入后,不会从纤维壁逸出,而是沿两层玻璃的界面连续反射前进,从另一端射出。最初,这种光导纤维只是应用在医学上,用光纤束组成内窥镜,可以观察人体肠胃内的疾病,协助医生及时做出确切的判断。
        其实,现代的多模光纤通信也就是运用光反射原理,把光的全反射限制在光纤内部,用光信号取代传统通信方式中的电信号,实现信息的传递。