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(ZT) 斷章師爺 話說光導纖維

作者:light12  於 2009-10-11 00:28 發表於 最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

通用分類:其它日誌|已有8評論

時間: 09 10 2009 22:17  


斷章師爺


土一豆先生要我介紹這次榮膺諾貝爾物理學獎的高錕教授,我答以對光導通信並不熟悉,至多只能說些光導纖維。其實這是我藏拙的借口。殊不料4Z先生認為光學纖維才是重點,看客先生也附議4Z先生的看法。我只好勉為其難地扮一回教師爺的角色了。好在《蘆笛自治區》人才濟濟,如果我說錯了,自有高手會予以糾正的,我不用害怕承擔誤導讀者的罪名。

介紹光導纖維前,先和諸位一齊複習一下高中物理學中的光學部分。眾所周知,光線在介質中的傳播是按直線進行的。介質的密度不同,其折射率也不同:密度高的稱為光密介質,密度低的稱為光疏介質。當光線從光疏介質進入光密介質時,入射角大於折射角。然而當光線從光密介質進入光疏介質時,入射角小於折射角;但是當入射角增加到某一值時,將不再出現折射,光線全被反射回光密介質。這稱為全反射。光導纖維其實就是全反射現象的一種重要應用。

發現光導原理最早的那個原始實驗是愛爾蘭物理學家丁達爾(John Tyndall,1820-1893年) 1870年在倫敦皇家學會做的。他在一個裝滿水的木桶邊鑽了個孔,然後用燈從桶上邊把水照亮。從水桶的小孔里流出來的水呈拋物線的彎曲狀,而光線也跟著水流發生了彎曲。這兒當然用不著愛因斯坦的廣義相對論來解釋。道理很簡單,光線在水流中的傳播仍然是直線的,只不過光從水中射向空氣,又全部被反射回水中而已。因此從表面上看起來,光好像隨著水流發生了彎曲。

光導纖維正是根據這一原理製作而成的,其基本原料是廉價的石英玻璃。將石英玻璃拉成直徑只有幾微米到幾十微米的絲,然後再包上一層折射率比玻璃纖維小的外層材料。當入射角滿足一定的條件,光束就可以在這種纖維中彎彎曲曲地從一端傳到另一端,而不會在中途因漏射而造成損失。這種玻璃纖維能將光的明暗﹑光點的明滅變化等信號從一端傳送到另一端。一根這樣的玻璃纖維只能傳送一個很小的光點,把數以萬計的這種玻璃纖維整齊地排成束,並使每根玻璃纖維在兩端的位置上一一對應,就可做成光纜。與傳統的電纜相比,光纜具有重量輕、成本低、敷設方便、容量大、抗干擾、穩定可靠、保密性強等無數優越性。一對金屬電話線至多只能同時傳送一千多路電話,根據理論計算,一對光導纖維可以同時通一百億路電話!鋪設1000公里的同軸電纜大約需要500噸銅,改用光纖通信只需幾公斤石英。與金屬銅相比,石英幾乎是取之不盡用之不竭的原材料。因此光纜正在取代銅線電纜,廣泛地應用於通信、電視、廣播、交通、軍事、醫療等許多領域。光導纖維除了可以用於通訊外,也可以用於醫療、信息處理、傳能傳像、遙測遙控、照明等許多方面。例如將光導纖維內窺鏡導入心臟,可以測量心臟中的血壓、溫度等。

通常的光導纖維是由兩種或兩種以上折射率不同的透明材料通過特殊複合技術製成的複合纖維。它的基本類型是由實際起著導光作用的芯材和能將光能閉合於芯材之中的皮層構成。按核芯直徑,可以將光導纖維分為單模﹑多模兩種類型;按材料組成,可以將光導纖維分為玻璃﹑石英和塑料三種類型;按形狀和柔性,可以將光導纖維分為可撓性和不可撓性兩種類型;按纖維結構,可以將光導纖維分為皮芯型和自聚集型兩種類型;按傳遞性,可以將光導纖維分為傳光和傳象兩種類型;按傳遞光的波長,可以將光導纖維分為可見光﹑紅外線﹑紫外線﹑激光等多種類型。自聚集型又稱梯度型(Gradient Index),纖維材料的折射率從裡面的軸芯到外面的包層,呈梯度分佈,逐漸減低,這樣可以減低多重路徑色散。

由合成樹脂製成的塑料光導纖維(Plastic Optical Fiber)是繼石英光導纖維之後的又一類新型光導纖維,其優點是重量輕、撓性好、數值孔徑大、光源耦合效率高、連接容易、加工方便、成本低廉;其缺點責是光損耗率大。與用作遠距離,高速度,大容量公用網傳輸媒質的石英玻璃光纖相比,塑料光纖適合用在區域網中的短距離通信,有線電視網,室內計算機之間,從而成為短距離寬頻通信網的理想選擇。尤其是梯度光纖的發展十分迅速。

塑料光纖在信息高速公路工程中具有廣闊的應用前景。常用的合成樹脂有聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、氘化聚甲基丙烯酸甲酯、聚五氟苯乙烯、聚碳酸酯等。製作光導纖維的方法有塗覆法、複合拉絲法、管棒法等。為了掌握這些合成樹脂的加工工藝,必須充分了解它們在各種不同條件下的流變性能。我因為多年來一直從事材料的流變性能,所以與專門研究塑料光導纖維的人打過交道,大體知道一些有關情況。在聚合物/摻雜劑混合物的玻璃態轉變溫度Tg以上,摻雜劑主要是Fick型擴散反應;在Tg以下,摻雜劑擴散反應幾乎遵循聚合物鏈的分子動力學模式。當然羅,這些是我們寫八股文章的朋友們才關心的內容。至於各個企業的工程師們是不太理會這一套信息的。

聚甲基丙烯酸甲酯梯度光纖(PMMA-GIPOF)的材料色散比石英玻璃要高得多,而氟化聚合物梯度光纖(PF-GIPOF)的材料色散比石英玻璃要小得多。在100-1000米範圍內,氟化聚合物梯度光纖的帶寬可達到GHz.km的數量級。但是氟化聚合物的長期老化作用是否影響帶寬仍然是一個迫切需要解決的問題。

 

再對4Z先生說幾句。  時間: 10 10 2009 06:01

作者:斷章師爺

舉個最最簡單的例子吧。閣下如果打算生產一種塑料折射率梯度型光導纖維(GIPOF),通常要經過下列步驟。我們知道光線在介質中的傳播速度等於它在真空中的傳播速度與介質折射率之比。光線在光纖中的傳播速度從內部芯子到外部皮層是逐步遞增的。換句話說,光纖材料的折射率從外部皮層到內部芯子是逐步遞減的。為了使光纖達到所需的傳播要求,首先要從理論上進行計算。這可以通過簡單的幾何光學或者是比較複雜的Maxwell電磁波方程組,視具體光纖的類型而定。理論計算表明梯度型光纖的折射率(徑向的)最佳分佈是拋物面狀。有關的幾何參數(例如准焦距等)必須通過材料的物理性能(例如折射率等)來調節。而物理性能的調節則依靠化學手段來達到。一般是通過在塑料(聚合物)單體中摻雜質混合液來增加折射率。……、…… 有關情況,我們在課堂上說起來瀟洒輕鬆;具體工藝,他們在實驗室幹起來不知要耗費幾多精力、心血和時日!只有身體力行地從事過新技術開發的人才得知其間甘苦。

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發表評論 評論 (8 個評論)

回復 德州龍 2009-10-11 03:28
很好的科普文章,至少咱看懂了
回復 light12 2009-10-11 05:08
德州龍: 很好的科普文章,至少咱看懂了
看懂了反革命份子寫科普文章。不怕愛國賊講你不愛國
回復 德州龍 2009-10-11 06:38
這科學不分階階的哈
回復 light12 2009-10-11 06:46
德州龍: 這科學不分階階的哈
我上迴轉了一篇首發於大紀元的文章,就被 Sirca t 和 Homepeace 當成獨輪運。這些人目光如炬。不去批人家觀點。只看出處下判斷。科學不分階級
回復 德州龍 2009-10-11 08:27
light12: 我上迴轉了一篇首發於大紀元的文章,就被 Sirca t 和 Homepeace 當成獨輪運。這些人目光如炬。不去批人家觀點。只看出處下判斷。科學不分階級
看來是他們冤枉你了哈
回復 light12 2009-10-11 08:33
德州龍: 看來是他們冤枉你了哈
他們就這水平,自己被洗腦喪失了思考能力。以為自己是偉光正。
回復 德州龍 2009-10-11 08:44
light12: 他們就這水平,自己被洗腦喪失了思考能力。以為自己是偉光正。
要和諧
回復 light12 2009-10-11 08:47
德州龍: 要和諧
是啊,講的不吱聲就和諧了

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