纤维光学与光纤传像系统

第13章　纤维光学与光纤传像系统

纤维光学与光纤技术是20世纪50年代以后，伴随着激光技术、微电子技术同步迅速崛起的近代光学与光电高新技术领域的重要分支。近50年来光纤应用技术在光纤传感、光纤传像、传光照明、能量传输与信号控制、特别是在光纤通信等民用与军工的广泛领域，获得了重要而大量的应用，尤其在信息技术领域正表现出越来越强大的生命力以及广阔的应用前景，因而也必然是21世纪最有发展前景的技术与产业之一；相应地，作为研究光信息（光信号、光线或图像）在光学纤维这种透明圆柱介质光波导中的传输机理、特性、规律、制作工艺、器件与应用的“纤维光学”（或称“光纤光学”），则是近50年来迅速发展并日臻完善成熟起来的近代光学领域的一门崭新的分支学科。

纤维光学与光纤技术近50多年来经历的主要标志性发展过程包括：1951年到1954年荷兰的范希尔、英国的霍普金斯与美国的卡帕尼同时分别开展了实用光纤与光纤束结构与制作的研究；1955年希斯乔维兹解决了光纤包层的光绝缘问题；1956年卡帕尼提出“纤维光学”新学科的命名；1958年卡帕尼提出拉制复合光纤的新工艺；1960年美国首先研制成光纤传像束，并在尔后迅速发展了医用窥镜传输图像与传光的应用；1966年华裔科学家高锟首先提出以光纤传输线取代电缆线、用光波导传输光信息的概念，奠定了光纤通信的理论基础；1970年美国康宁公司首先拉制出传输损耗低至20dB/km的通信用石英光纤，为光纤通信的实用化奠定了技术基础；在尔后的20年中，光纤从阶跃多模光纤，发展到渐变折射率多模光纤，进而发展到单模光纤，建成了长距离光纤通信的产业化基础，并完成了低损耗、低色散光纤的研究，光纤通信系统也经历了短波长（0.85μm）多模光纤通信系统（第一代）、长波长（1.31μm）多模与单模光纤通信系统（第二代）、和长波长（1.31μm）单模光纤实用化通信系统的三代发展；20世纪90年代以后至今的近20年间，光纤通信系统发展至第四代、第五代通信系统，传输波长从1.31μm发展到1.55μm。单模光纤也从常规的单模光纤（G.652光纤）发展演变出了多种新型的单模通信光纤，如全波光纤（G.652C）、色散位移光纤（G.653）、截止波长位移光纤（G.654）、非零色散位移光纤（G655A等）以及G.656、G.657光纤等。与此同时，波分复用器（WDM、DWDM）、掺铒光纤放大器（EDFA）等新器件、新技术，以及光互连、光逻辑门、光子开关等多种新型光无源与有源器件相继问世，并与新型光网络技术相结合，在新一代光纤通系统中获得实用，形成了新一代光纤通信系统的新体制；此外，近40年来光纤传感技术获得迅速发展，70余种功能型与非功能型光纤传感器相继出现；光纤传像、传光技术也获得了快速发展与广泛应用。

以光通信作为最重要应用背景的光纤，作为一种介质光波导、光信号的传输线，它之所以获得广泛而大量的应用，是因为相对于金属传输线它具有如下的重要优点：

①具有极宽的传输带宽，使通信容量获得极大提高，提供宽频带综合数字化服务；

②具有极低的损耗与良好的透明性，可实现无中继的长距离传输，损耗最低可控制到0.1～0.2dB/km；

③光纤是绝缘介质，传输光信号抗电磁干扰性好，且同一光缆中多根光纤之间的相互干扰小。因此，信号传输的保密性好，传输质量易于保证；

④尺寸、体积小，重量轻，柔韧性好，适宜铺设、弯曲。光缆同比相应电缆具有极大优越性；

⑤光纤的原材料SiO₂蕴藏丰富，可节约大量有色金属（铜）材料。

光纤的优良特性，使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等多方面的领域被广泛而大量应用，其主要应用领域包括：

（1）进行一维（时间）的信息传输

包括远程光纤通信（含洲际海底光缆通信、陆地的国际与国内长途通信）、区域网与城域网通信、因特网的数据传输、本地接入网传输等；此外，在军用上包括舰载、机载、车载和陆军的战略、战术光纤通信系统，以及光纤制导中的双向信息传输。

（2）光纤传感技术——应用于各种用途的功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器。

（3）进行二维图像的传输、增强与变换

①二维图像传输：如光纤传像束（柔性器件）、光纤面板（刚性器件）；

②二维图像增强：微通道板像增强器；

③二维图像变换：扭像器、图像分割器等。

（4）传光照明、工艺装饰以及能量信号传输与控制。

研究光波导机理的方法有光线光学和波动光学两种方法，本章将侧重以光线光学的方法简要介绍光纤这种轴对称圆柱介质光波导的基本概念、传输机理与规律、主要性能参数、以及光纤基本类型等内容，并重点介绍自聚焦光纤的成像机理以及无源光纤传像器件与系统。