光纖技術

美國拉里安公司成功地運用光纖完成了輸電功能，在電力領域中開拓出一條嶄新的途徑。他們在發送端利用半導體激光二極體，把電能轉變為激光在光纖中傳送，用太陽能電池作為接收端器件。這種器件用300微米厚的砷化鎵作為絕緣基片，上面覆蓋有20微米厚的太陽能電池。它被分為6個獨立的區域，這些區域由鍍金的空氣橋串聯起來，當由光纖傳來的激光照射到太陽能電池時，光能立即變成電能。每個區域產生的電壓恰好是1伏，六個區域串起來就有6伏電壓，足可供大多數感測器的控制電路使用。

如果把激光二極體的功率繼續提高，再配上整套的電能傳送系統，光纖輸電就可以廣泛地使用于軍事、工業、商業等各個方面。法國專門從事計算機、電子設備、信號處理和圖像技術的波根實驗室，利用光的孤波子和短脈衝，可在光纖內實現無失真傳輸。這一技術可解決色散和非線性效應問題，無需沿光纜設置多個再生裝置。工作時只需在每100公里左右的地方設置一個放大器。孤波子波就可以相互穿越，互不干擾。據稱，這一新技術用於6450—12900公里範圍內的海底潛艇，可以解決通訊困難問題。美國通訊保密專家研製的一種無規律載波信號光纖通訊技術，專門用以對付當今日益猖獗、手段高明的竊聽高手。該技術首先將話音之類的有用信息轉換為數字脈衝信號，然後再將這些數字脈衝信號編碼，調製到無規律變化的隨機微波載體上。發送時，激光發射裝置將載有信息的無規律載波信號經光纖通訊系統發射至收訊方。收訊方的激光接收機以專用技術與發送激光裝置同步動態協調工作，最終完成將有用信號從無規律載體上解調的任務。使用該技術，竊聽高手們將再也沒有用武之地了，他們只會聽到雜亂無章的噪音。澳大利亞保林公司，最近研製出一種光纖秤，利用一根光纖和一個激光器就可以給卡車稱重。這種光纖秤利用了一種電阻特性非常特別的光纖，當它受到壓力或張力時，光纖會發生輕微的變形，導致激光的特徵發生變化。這時，探測器會立即將這一變化獲悉並轉換為電信號的變化。從而在儀器的顯示盤上反映出。由於光纖是由玻璃製作的，它具有耐濕、耐輻射的性能，更重要的是，它易於安裝和保養，適用於安裝在城區的主幹道、工廠周圍、機場和跑道、倉庫以及港口等地，進行24小時的連續工作。所以，除了可以進行稱重之外，還能夠起到監控作用，精確程度遠遠超過現有的電子裝置。

據美刊新近報道，由美國麻省波士頓光纖公司研製的一種塑料光纖，它的傳輸速度比現用標準銅線快30倍，而且比玻璃纖維的重量輕、柔性好、成本低。這種光纖利用光的折射或光在纖維內的跳躍方式來到達較高的傳輸速度，可在100米內以每秒3兆比特的速度傳輸數據。目前，全世界已經鋪設海底光纜達37萬公里，這個長度幾乎可以圍繞地球10圈。而且，由於兩端採用了激光器，在傳輸中已經不再需要放大信號的中繼器，這樣，就會使成本大大降低，通話費用相應減少。據報道，世界上容量最大、連接歐美的海底光纜將於今年開通。這個連接全世界的海底通信光纖電纜正在鋪設之中，這是20世紀通信領域最宏偉的工程，得到全世界30個國際電信組織的支持。它橫跨大西洋、穿越地中海，經紅海和印度洋，穿過馬六甲海峽進入太平洋。全長近32萬公里，連接175個國家和地區，能夠同時使240萬部電話通話或同時傳輸幾十萬幅壓縮的畫面。整個工程耗資140億美元，預計將於2003年完工。

光纖技術一般由三部分組成：光信號發送端，用於傳送光信號的光纖，光信號接收端。

光信號發送端的功能是將待傳輸的電信號經電光轉換器件轉換為光信號，目前，發送端電光轉換器件一般採用發光二極體或半導體激光管。發光二極體的輸出光功率較小，信號調製速率相對低，但價格便宜，其輸出光功率與驅動電流在一定範圍內基本上呈線性關係，比較適宜於短距離、低速、模擬信號的傳輸；激光二極體輸出功率大，信號調製速率高，但價格較高，適宜於遠距離、高速、數字信號的傳輸。光纖的功能是將發送端光信號以儘可能小的衰減和失真傳送到光信號接收端，目前光纖一般採用在近紅外波段 0.84µm、1.31µm、1.55µm有良好透過率的多模或單模石英光纖。光信號接收端的功能是：將光信號經光電轉換器件還原為相應的電信號，光電轉換器件一般採用半導體光電二極體或雪崩光電二極體。組成光纖傳輸系統光源的發光波長必須與傳輸光纖呈現低損耗窗口的波段、光電檢測器件的峰值響應波段匹配。發送端電光轉換器件採用中心發光波長為0.84µm的高亮度近紅外半導體發光二極體，傳輸光纖採用多模石英光纖，接收端光電轉換器件採用峰值響應波長為0.8µm至0.9µm的硅光電二極體。下面對各部分作進一步介紹。

系統採用的發光二極體的驅動和調製電路如圖2所示，信號調製採用光強度調製的方法，發送光強度調節電位器用以調節流過LED的靜態驅動電流，從而相應改變發光二極體的發射光功率，設定的靜態驅動電流調節範圍為0～20毫安，對應面板光發送強度驅動顯示值0—2000單位，當驅動電流較小時發光二極體的發射光功率與驅動電流基本上呈線性關係，音頻信號經電容、電阻網路及運放跟隨隔離后耦合到另一運放的負輸入端，與發光二極體的靜態驅動電流相迭加使發光二極體發送隨音頻信號變化的光信號，並經光纖耦合器將這一光信號耦合到傳輸光纖。可傳輸信號頻率的低端可由電容、電阻網路決定，系統低頻響應不大於20Hz

是光信號接收端的工作原理圖，傳輸光纖把從發送端發出的光信號通過光纖耦合器將光信號耦合到光電轉換器件光電二極體，光電二極體把光信號轉變為與之成正比的電流信號，光電二極體使用時應反偏壓，經運放的電流電壓轉換把光電流信號轉換成與之成正比的電壓信號，電壓信號中包含的音頻信號經電容電阻耦合到音頻功率放大器驅動喇叭發聲。光電二極體的頻響一般較高，系統的高頻響應主要取決於運放等的響應頻率。

目前用於光通訊的光纖一般採用石英光纖，它是在折射率n2較大的纖芯內部，覆上一層折射率n1較小的包層，光在纖芯與包層的界面上發生全反射而被限制在纖芯內傳播，如圖五所示，光纖實際上是一種介質波導，光被閉鎖在光纖內，只能沿光纖傳輸，光纖的芯徑一般從幾微米至幾百微米，按照傳輸光模式可分為多模光纖和單模光纖，按照光纖折射率分佈方式不同可以分為折射率階躍型和折射率漸變型光纖。折射率階躍型光纖包含兩種圓對稱的同軸介質，兩者都質地均勻，但折射率不同，外一層折射率低於內層折射率。

梯度折射率光纖是一種折射率沿光纖橫截面漸變的光纖，這樣改變折射率的目的是使各種模傳播的群速相近，從而減小模色散增加通訊帶寬。多模折射率階躍型光纖由於各模傳輸的群速度不同而產生模間色散，傳輸的帶寬受到限制。多模折射率漸變型光纖由於其折射率特殊分佈使各模傳輸的群速度一樣而增加信號傳輸的帶寬，單模光纖是只傳輸單種光模式的光纖，單模光纖可傳輸信號帶寬最高，目前長距離光通訊大都採用單模光纖。

石英光纖的主要技術指標有衰減特性，數值孔經和色散等。數值孔徑：數值孔徑描述光纖與光源、探測器和其他光學器件耦合時特性。它的大小反映光纖收集光的能力，如圖5所示，在立體角2θmax範圍內入射到光纖端面的光線在光纖內部界面產生全反射而得以傳輸，在2θmax範圍外入射到光纖端面的光線則在光纖內部界面不產生全反射而是透射到包層而馬上被衰減掉，光纖的數值孔經定義為：NA=Sinθmax，它的值一般在0．1～0．6之間，對應的θmax在90～330，多模光纖具有較大的數值孔徑，單模光纖的數值孔經相對較小，所以一般單模光纖需用LD半導體激光器作為其光源。