光导纤维的应用及其发展前景.doc

学号：20105043025本科学年论文学 院 物理电子工程学院 专 业 应用物理学 年 级 2010级 姓 名 石鹏凯 论文题目 光导纤维的应用及其发展前景 指导教师 张新伟 职称 讲师 成 绩 2012年05月31日目 录摘 要1Abstract11绪 论 12光导纤维的简介12.1什么是光导纤维 2 2.2光导纤维的基本原理 23光导纤维的应用 33.1光导纤维在通信系统方面的应用 33.2光导纤维在医学方面的应用 33.3光导纤维的其他应用44 光导纤维的发展前景5结论 6参考文献 6致谢7 光导纤维的应用以及未来发展前景学生姓名：石鹏凯 学号：20105043025学 院：物理电子工程学院 专业：应用物理学指导老师：张新伟 职称：讲师摘 要: 30多年来，光导纤维取得了巨大的进步，其中石英光导纤维的通信距离提高了2倍，容量提高了100倍,我国的日产量已突破8105 m。光纤的用途不断扩大，今后新兴国家将成为推动光纤市场快速增长的牵引力。关键词：光导纤维；光学纤维；新进展；发展动向Application and future development of optical fiberAbstract：Light transmitting fibers are getting progress in more than 30 years, the data transmitting distance raised2 times, the capacity of data communication raised 100 times, the output of plastic optical fiber broke800 km/d in China. The uses of light transmitting fibers are expanding incessantly, while the demand of new risingcountries will become the tractive power of quick rising market in future.Key words：light transmitting fiber; optical fiber; new development; developing trend1绪论 上世纪60年代，激光被发明了，它宣告:在光波波段中对应于射频源的新源出现了，对于通信有巨大潜力的光谱区域终于被开拓出来加以利用了。所需要的就是要有一组相适合的光源、检波器和传输介质1。随后二十多年，人们对光传输介质进行了攻关，终于制成了轻质量、低损耗、频带宽的光纤，从而奠定了光通讯的基石。从此，光导纤维的应用进入了飞速发展的阶段，它的使用为我们的生活提供了很大的便利，同时它的未来发展前景为人们所看好。2 光导纤维的简介2.1什么是光导纤维光导纤维简称光纤，是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1100m左右。它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率，光由一端进入，在内芯和外套的界面上经多次全反射，从另一端射出。它具有质量轻、耗损地、频带宽，抗干扰能力强等优点。2.2光导纤维的基本原理 由光学理论可知，可以用光线也就是几何光学的方法来研究光的传播现象。应用儿何光学基本定律，来分析光纤中的多模光纤是完全适用的。2.2.1光的全反射原理当光线由光密媒质(折射率为n1)射入光疏媒质(折射率为n2)且入射角大于临界角( i )的时候，就会生全反射现象，如图1所示。临界角由下式决定: 式中n1n2N1N2临界角全反射光图1：光全反射示意图2.2.2.光纤结构光导纤维分为反射型和折射型两种，下面主要介绍反射型光纤基本结构。如图2所示，在光纤内部，要求光线的反射是全反射射，整个纤维由两层均匀介质组成，内层为玻璃纤维芯(纤芯)，外层为玻璃包皮(包层)的两个同心圆柱的双层结构组成。纤芯传输。纤芯的折射率n1比包皮折射率n2稍大一点，两层介质之间形成良好的光学界面光线在界面的入射角冲要大于临界角，以保证在光纤内部产生全反射现象。光纤导光示意图如图3。位于光纤的中心部位，光主要在这一部分里2。外包纤芯图2 光纤结构图3光导纤维示意图3 光导纤维的应用3.1光导纤维在通信系统方面的应用首先我们来看看光导纤维有什么优点： (1)光纤的通频带很宽.理论可达30亿兆赫兹。基于这一特点,我们可在同一光纤通道上,同时传输许多路的信息,也不会相互干扰。 (2)无中继段长可达几十到100多公里,铜线只有几百米。基于这一特点,我们可将网络延伸到很远的空间。 (3)不受电磁场和电磁辐射的影响。这样一来信息传输的可靠性提高了很多。 (4)重量轻,体积小。 (5)光纤通讯不带电,使用安全,可用于易燃、易爆场所。 (6)使用环境温度范围宽。 (7)耐化学腐蚀,使用寿命长。正是由于光纤的这些优良特性,使得光纤在网络和通信中的应用越来越广泛3。正是由于光纤具有许多优良的特性,使光导纤维在网络中的应用越来越广泛。我们的INTERNET是一个星罗棋布遍及整个世界的大网络。这样庞大的一个网络要连接起来,主要是靠光导纤维。首先,连接各大洲及各个国家之间的公共交换网络,依赖的是光导纤维,我们在陆地上、海洋底,都铺设了相互连接的光缆,通过这些光缆,可以将我们的文字、图形、图像、声音等信息相互传递;其次,在每个国家内部,各城市地域之间的公共交换网络之间的连接也完全是依赖于光导纤维;在城市网络的主干上,也都是依靠光导纤维作为传输介质;在企业网络、校园网络的各大建筑之间的连接同样也是依赖于光导纤。由于光导纤维的架设连接及其转换制备的价格还比较高,我们还只能将它应用于各网络的主干。等到光导纤维及其转换设备价格进一步下降,光纤这个网络的神经将会延伸到我们家中,延伸到我们生活的方方面面。那个时候,我们的网络就成为名符其实的信息高速公路。而这个信息高速公路的跑道,就是我们的网络神经光导纤维4。3.2 光导纤维在医学领域的应用在医学上，光导纤维可以用于食道、直肠、膀胧、胃等深部探查内窥镜(胃镜、血管镜等)的光学组件和不必切开皮肉直接插人身体内部，切除癌瘤组织的外科手术激光刀，即由光导纤维将激光传递至手术部位，对诊断医治各种疾病极为有利。因为光纤又细又软，故可把医生用来观察人体内部病变情况的内窥镜做得小巧玲珑。胃镜是内窥镜中比较粗得一种，也只有15毫米左右，其它如食道镜、膀胱镜还要细小得多。目前在医学领域上，普遍使用着一种连接着许多光纤的胃镜，这些光纤并成一束，束中各条光纤的相对位置保持不变。把胃镜插入病人胃内，胃镜接收到的光线沿着这些光纤传到体外，每条光纤中的光仅反映胃中一点的情况，整束光纤中的光就拼合成胃内某一部分的图象。光纤胃镜的光源是在体外由光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的痛苦。在光导纤维的一头装上精致小巧的微型镜头，将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。还可以在胃镜光纤中留出空的通道，以插入切取生理切片的镊子。近年来，一种激光光纤药头内窥镜碎石系统研制成功。这种系统利用胃镜把带有药头的光纤导管送入胃中，然后沿光纤通入激光。激光可以像引爆雷管一样，使药头炸裂并产生冲击波，击碎胃石，再用胃镜把碎石取出。利用该系统已成功地击碎并取出了大小为8106厘米的胃石，这种系统还可以用来治疗膀胱结石、胆结石等。 光导纤维在医学上的另一个重要应用是通过微细的光纤将光强度的激光输入人体的病变部位并切除。这种“手术”不开刀，减少了病人的痛苦，而且切割部位准确，手术效果好。 可见，光导纤维的应用，使医用窥镜从构造到功能都发生了重要的变化5。3.3光导纤维在其它方面的应用在照明和光能传送方面，利用光导纤维短距离可以实现一个光源多点照明。光缆照明，可利用塑料光纤光缆传输太阳光作为水下、地下照明。光导纤维柔软易弯曲变形，可做成任何形状，并且耗电少、光质稳定、光泽柔和、色彩广泛，是未来的最佳灯具，如与太阳能的利用结合起来将成为最经济实用的光源。今后的高层建筑、礼堂、宾馆、医院、娱乐场所，甚至家庭依据都可直接使用光导纤维制成的天花板或墙壁，以及彩织光导纤维字画等，也可用于道路、公共设施的路灯，广场的照明和商店橱窗的广告。此外，它还可用于易燃、易爆、潮湿和腐蚀性强的环境中不宜架设输电线及电气照明的地方作为安全光源。光纤通讯的另一特点是其保密性好、不受干扰且无法窃听，这一优点使其广泛应用于军事领域。在国防军事上，可以用光导纤维来制成纤维光学潜望镜，装备在潜艇、坦克和飞机上，用于侦察复杂地形或深层屏蔽的敌情。工业上，光导纤维可传输激光进行机械加工;可制成各种传感器用于测量压力、温度、流量、位移、光泽、颜色、产品缺陷等;也可用于工厂自动化、办公自动化、机器内及机器间的信号传送、光电开关、光敏组件等。此外，光缆可不受雷电的侵扰而正常工作，从而保护与之联结的家电和精密仪器免遭雷击损坏。如美国杜邦公司的光纤有80%用于汽车工业，可用于前灯、尾灯、开关和仪表盘的照明以及制动器的监控等。在自控领域，塑料光纤组成的控制线路可防止噪声的产生及因外部噪声引起的误动作，在解决设备的抗电磁干扰方面效果显著。此外，光纤技术还可用于阅读穿孔卡片、光开关、飞点析像器、图像的缩小和放大、火焰及高温监控、道路标志装饰照明等6。4光导纤维的发展前景 对于光纤的这些使用显然不能满足人们的需求，所以许多科学家一直在研究光导纤维的其他应用，当然也发明出了不少有用的东西，比如“液体光纤温度计”由于采用了钮酸铿热释电红外探测器组合件 (带阻抗变换)作探测器，其探侧率和响应率均较高，居里点温度高达610，故能在宽范围、高灵敏地工作。采用薄片状表面铂热电阻作为环境温度检侧元件，它的精确度和再现性都较好，其检侧信号通过电路实现了自动补偿环境沮度后，沮度计能直观、稳定地显示被侧目标的温度。用814料m的工作波段后，避开了太阳光反射、大气中的水蒸汽和二氧化碳等气体的吸收影响区域，有利于沮度计作室外侧量7。又如“太阳能光纤灯”这是一种不需要进行光电转换及电光转换的，直接进行光光转换，且转换效率高，不污染环境的绿色太阳能灯8.还有一种“可见光隐形外套”一种前后两侧可见光隐形外套，它是利用光导纤维的导光特性，将穿套者一侧的景象传导到对侧，造成一种前后透明效果。它是将光导纤维作外套织物的经线，与纬线交织成型;光导纤维前后对称连通，左右对称排布;每根光导纤维的两端头配制凸透镜，分别正对前方和后方9。还有一种可以测量电场的光纤应用，采用光导纤维传输技术作高压测量，测量点和地之间是电绝缘的，而且，光导纤维不受电磁干扰的影响10。近年光导纤维传感器也是新型的产业，比如光导纤维温度传感器11、光导纤维压力传感器12最近，日本富士基美拉综合研究所针对目前世界经济不景气和新兴国家特别是中国、印度等光通信需求的急剧增长，对2013年的世界光纤市场作了预测。调查结果表明，电缆芯线及城市网络光传输装置的市场，2009年比2008年增长了8.0%，达到了1.07104亿日元，而石英光纤市场增长了44.4%，扩大至1.422 1104亿日元，而2008年石英光纤的市场比2007年增长24.3%，即9 839亿日元。其中10 GB/s的无线电收发两用机元件的市场规模，2009年比2008年增长了66.2%，预测为1 617亿日元。FTTx的需求除在北美是顺利外，在亚洲随着中国3G手机基地局的投资需求和FTTx化的推进，光纤的需求预期会好转，在印度预测的结果也同样。随着中国3G手机电话局大型投资计划的推进，中国传输装置厂家的业绩也会增长，并将成为牵动光纤市场急速增长的主要因素。5结论 光导纤维的特性决定了其广阔的应用领域。由光导纤维制成的各种光导线、光导杆和光导纤维面板等，广泛地应用在工业、国防、交通、通讯、医学和宇航等领域。特别是便宜和易于使用的塑料光纤已受到人们的青睐。用塑料光纤制的光缆比普通电缆更为快捷地传送信息，并几乎可提供无限容量来满足信息时代的需要，POF(塑料光纤)必将成为光纤人户和到桌面工程理想的首选材料，在信息高速公路工程中产生举足轻重的作用，具用广阔的应用前景和巨大的社会和经济效益。参考文献：1 高桥聪高性能聚合物光纤J工业材料，2008，56(4)：24 -272 冯书安，庞永振光导纤维及其应用J机械工程师，1988，43 杨丽君，余雷，伍艳泽等基于光导纤维的传输原理c甘肃科技，2004，20(4)：53-544 阿龙光通信走过的路 http:/media. ccidnet. com/media/ciw/958/b1501.htm,2000.09.5顾锡荣医用激光的几个方面应用概况及发展J光学仪器，1995，17：4-56 顾超英世界光导纤维的开发应用与发展前景分析J中国国际化工网，化工文摘，2008，(1)：24-287 张厚民光导纤维温度计J，自动化仪表,1986.04.018 杨志刚,任浩,然文雅等一种太阳能光纤灯，中华人民共和国国家知识产权局，CN201731427Up, 2011.02.022012.5.28.9 屈百达，可见光隐形外衣，中华人民共和国国家知识产权局，CNIO2119788Ap, 2011.07.132012.05.28. 10 IEEE Trans on Electrical Insulation，Vol.EI-14，N0.5，1979，PP.250-255.11 harmerA.L. Measurement and Control，1982，VOI.15，No.4.P143.12 Meltz G. etc Appl optics,1983 vol,22,No,3,p,464致谢 ：本论文是在张新伟老师精心指导下完成的。张老师渊博而扎实的理论知识，对新知识的渴求以及待人处事的热情影响着我，使我受益终生。张老师在论文写作上给我耐心的指导和启发性的建议，值此论文完成之际，我谨向张老师表示最衷心的感谢！感谢信阳师范学院为我提供了良好的学习、和生活环境。同时感谢同学们在学习和生活上对我的关心和帮助。学年论文成绩评定表评 语 成 绩： 指导教师（签字）： 201 年 月 日学院意见：学院院长（签名）： 201 年 月 日信阳师范学院本科学年论文写作日志学院：物理电子工程学院 专业：应用物理学 年级: 10 级论文题目光导纤维的应用及其未来发展学生姓名石鹏凯学 号20105043025指导教师张新伟职 称讲师阶段时间地点论文写作及教师指导情况记录12012-5-12L-908老师介绍了论文的写作方法、格式，以及如何查阅资料，之后提出几点要求，并对我们给予很高的期望。 22012-5-15图书馆 按照老师指导和要求,在图书室搜索、记录文字资料,再对搜集的资料整理、归类后列出提纲。在列提纲的同时构思论文骨架。 32012-5-19电子阅览室在电子阅览室搜集资料并整理后写出提纲打印出来老师给指导改正。42012-5-22L-908列出完整详细的提纲之后,老师对进行论文初稿的拟定提出要求，指出了论文写作要严谨，要以求实的态度来写论文。52012-5-25电子阅览室将老师指导过的论文在进行仔细的修改，将电子稿发给老师进一步改正指导，一点一点的指出文中错误和不足，对论文进一步的完善打下了坚实的基础62012-5-30L-908 最终老师帮我们定稿，将近一个月的学年论文终于完成啦，交个老师之后，老师给与了很高的评价，希望我们再接再厉，再创佳绩！78学生（签名） 指导老师（签名）