(ZT) 断章师爷 话说光导纤维

断章师爷


土一豆先生要我介绍这次荣膺诺贝尔物理学奖的高锟教授，我答以对光导通信并不熟悉，至多只能说些光导纤维。其实这是我藏拙的借口。殊不料4Z先生认为光学纤维才是重点，看客先生也附议4Z先生的看法。我只好勉为其难地扮一回教师爷的角色了。好在《芦笛自治区》人才济济，如果我说错了，自有高手会予以纠正的，我不用害怕承担误导读者的罪名。

介绍光导纤维前，先和诸位一齐复习一下高中物理学中的光学部分。众所周知，光线在介质中的传播是按直线进行的。介质的密度不同，其折射率也不同：密度高的称为光密介质，密度低的称为光疏介质。当光线从光疏介质进入光密介质时，入射角大于折射角。然而当光线从光密介质进入光疏介质时，入射角小于折射角；但是当入射角增加到某一值时，将不再出现折射，光线全被反射回光密介质。这称为全反射。光导纤维其实就是全反射现象的一种重要应用。

发现光导原理最早的那个原始实验是爱尔兰物理学家丁达尔（John Tyndall，1820-1893年) 1870年在伦敦皇家学会做的。他在一个装满水的木桶边钻了个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。从水桶的小孔里流出来的水呈抛物线的弯曲状，而光线也跟着水流发生了弯曲。这儿当然用不着爱因斯坦的广义相对论来解释。道理很简单，光线在水流中的传播仍然是直线的，只不过光从水中射向空气，又全部被反射回水中而已。因此从表面上看起来，光好像随着水流发生了弯曲。

光导纤维正是根据这一原理制作而成的，其基本原料是廉价的石英玻璃。将石英玻璃拉成直径只有几微米到几十微米的丝，然后再包上一层折射率比玻璃纤维小的外层材料。当入射角满足一定的条件，光束就可以在这种纤维中弯弯曲曲地从一端传到另一端，而不会在中途因漏射而造成损失。这种玻璃纤维能将光的明暗﹑光点的明灭变化等信号从一端传送到另一端。一根这样的玻璃纤维只能传送一个很小的光点，把数以万计的这种玻璃纤维整齐地排成束，并使每根玻璃纤维在两端的位置上一一对应，就可做成光缆。与传统的电缆相比，光缆具有重量轻、成本低、敷设方便、容量大、抗干扰、稳定可靠、保密性强等无数优越性。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，根据理论计算，一对光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英。与金属铜相比，石英几乎是取之不尽用之不竭的原材料。因此光缆正在取代铜线电缆，广泛地应用于通信、电视、广播、交通、军事、医疗等许多领域。光导纤维除了可以用于通讯外，也可以用于医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等许多方面。例如将光导纤维内窥镜导入心脏，可以测量心脏中的血压、温度等。

通常的光导纤维是由两种或两种以上折射率不同的透明材料通过特殊复合技术制成的复合纤维。它的基本类型是由实际起着导光作用的芯材和能将光能闭合于芯材之中的皮层构成。按核芯直径，可以将光导纤维分为单模﹑多模两种类型；按材料组成，可以将光导纤维分为玻璃﹑石英和塑料三种类型；按形状和柔性，可以将光导纤维分为可挠性和不可挠性两种类型；按纤维结构，可以将光导纤维分为皮芯型和自聚集型两种类型；按传递性，可以将光导纤维分为传光和传象两种类型；按传递光的波长，可以将光导纤维分为可见光﹑红外线﹑紫外线﹑激光等多种类型。自聚集型又称梯度型（Gradient Index），纤维材料的折射率从里面的轴芯到外面的包层，呈梯度分布，逐渐减低，这样可以减低多重路径色散。

由合成树脂制成的塑料光导纤维（Plastic Optical Fiber）是继石英光导纤维之后的又一类新型光导纤维，其优点是重量轻、挠性好、数值孔径大、光源耦合效率高、连接容易、加工方便、成本低廉；其缺点责是光损耗率大。与用作远距离，高速度，大容量公用网传输媒质的石英玻璃光纤相比，塑料光纤适合用在局域网中的短距离通信，有线电视网，室内计算机之间，从而成为短距离宽带通信网的理想选择。尤其是梯度光纤的发展十分迅速。

塑料光纤在信息高速公路工程中具有广阔的应用前景。常用的合成树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。制作光导纤维的方法有涂覆法、复合拉丝法、管棒法等。为了掌握这些合成树脂的加工工艺，必须充分了解它们在各种不同条件下的流变性能。我因为多年来一直从事材料的流变性能，所以与专门研究塑料光导纤维的人打过交道，大体知道一些有关情况。在聚合物/掺杂剂混合物的玻璃态转变温度Tg以上，掺杂剂主要是Fick型扩散反应；在Tg以下，掺杂剂扩散反应几乎遵循聚合物链的分子动力学模式。当然罗，这些是我们写八股文章的朋友们才关心的内容。至于各个企业的工程师们是不太理会这一套信息的。

聚甲基丙烯酸甲酯梯度光纤（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纤（PF-GIPOF）的材料色散比石英玻璃要小得多。在100－1000米范围内，氟化聚合物梯度光纤的带宽可达到GHz.km的数量级。但是氟化聚合物的长期老化作用是否影响带宽仍然是一个迫切需要解决的问题。