（一）光纤技术的历史回顾
瑞典皇家科学院2009年10月6日宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予包括英国华裔科学家高锟在内的3位科学家。
高锟先生，1933年生于中国上海，1957年和1965年分别取得英国伦敦大学电机工程学士和博士学位，曾任香港中文大学校长。世称“光纤之父”。
信息传输自古至今都是人们生活不可或缺的一部分，从古代社会的烽火台到邮驿，再到19世纪人们发明了电报、电话等通过电子媒介进行信息传输；随着人们对信息需求的不断提高，人们越来越迫切需要寻找到一种高速、便捷、传输距离长同时还要兼具制造成本低廉的信息传输媒介。1935年在美国纽约和费城之间敷设了第一根用于长途通信的同轴电缆。在上世纪50 ~ 60年代期间，为了进一步探索未来大容量通信的传输线路，业界曾致力于毫米波H01 型模的金属园波导管及超导同轴电缆的探索与开发，但均未获得突破。
1966年，在英国ITT标准电信实验室（此为ITT在欧洲的核心研究机构）工作期间,高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文，开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长途及高信息量光通信所需介质纤维的结构和材料特性。当时, 主流学者的共识是；玻璃中光损耗太高，光纤虽然可用在短短的胃镜导管上，但用于长距离通信根本不可能。高锟先生却不信其邪。他对通信系统详细分析后指出；当光损耗下降到20dB/Km时, 玻璃纤维就有实用价值。他通过对光在玻璃纤维中吸收、散射和弯曲损耗机理的深入分析后得出结论：只要解决好玻璃纯度和成分等问题，用熔石英制作的光学纤维可以成为实用的光通信传输媒质。这一设想提出之后，有人称之为匪夷所思，也有人对此大加褒扬。但在争论中，高锟的原创性工作在全世界掀起了一场光纤通信的革命。
在高锟原创性理论的推动下，4年后，美国康宁公司的工程天才Robert D. Maurer于1970年设计和制成世界上第一根低损耗石英光纤（损耗为20dB/Km, 波长为0.63 µm）。他采用的方法，是在一根芯棒上气相沉积石英玻璃，随后抽去芯棒，将玻璃管烧缩成光棒后拉成光纤。气相沉积时通过改变玻璃组分，形成高折射率的纤芯和低折射率的包层的光纤波导结构，此光纤波导结构被一直沿用至今。
1974年美国贝尔实验室的John MacChesney 开发出MCVD（改良的化学气相沉积）工艺, 成为世界上第一个商用制棒技术, 迅速被世界各国采用, 及时地推动了光纤通信的实用化。
鉴于高锟、Robert D. Maurer和John MacChesney在光纤技术的奠基性工作和巨大成就，1999年他们三人成为工程界最高奖项的NAE Charles Stark Draper奖的共同得主。
光纤制造技术在上世纪七十年代得到长足的发展，继美国贝尔实验室的MCVD制棒技术后, 美国康宁公司的OVD（管外气相沉积）、日本NTT公司的VAD（轴向气相沉积）以及荷兰菲利浦公司的PCVD（等离子化学气相沉积）制棒技术相继开发成功。光纤损耗在1979年已降低到0.2dB/Km(波长为1550nm时)，这已接近由瑞利散射损耗所决定的极限值了。
随着光纤制造技术发展，光纤波导传输理论在上世纪七十年代也得到长足的发展，从而为光纤技术的发展和实用化奠定了理论基础。光纤波导理论源起于上世纪20年代初Debye（1910）的介质波导理论，但由于光在光纤中的损耗机理、光纤波导的弱导性、微小的光纤截面尺寸以及其它传输特性均与微波介质波导不相同，故光纤波导理论是一门独立的理论。一大批学者为此作出了原创性的贡献, 有关文献浩如烟海。这里仅撷数例, 以窥一斑：如Snyder A.W. （1969）和Gloge,D.（1971） 基于光纤波导的弱导性, 即（n1-n2）‹‹ n1 (n1和n2分别为光纤纤芯和包层的折射率), 将经典的模式（两重和四重）简并为线性偏振 (LP) 模, 从而大大简化了光纤波导的理论分析; Keck,D.B., Olshansky ,R. 和Petermann, K.等学者对光在光纤中各种损耗机理的理论研究为低损耗光纤制造提供了理论依据; Jeunhomme,L., Marcuse,D. 和 Gambling W.A. 等学者对光纤波导的色散性能的研究则为G.655, G.656等色散位移光纤的开发奠定了理论基础。
在华盛顿和波士顿之间的世界上第一条商用光纤通信系统于1981年建成。短短几十年间，光纤网络已遍布全球，至今已在全球敷设了数亿公里的光纤，成为互联网、全球信息通信的基础。光纤的发明不但解决了信息长距离传输的问题，而且极大地提高了效率并降低了成本。今天，二氧化硅光纤已成为通信系统的基石，就如同硅集成电路是计算机的基石一样。
今因光纤技术而催生的产业庞大得无法估计；从光纤光缆的制造，到光纤网络通信系统；从通信网、电视网到互联网；从打网络游戏到看高清电视，光纤已成为整个人类信息社会的基础。诺贝尔奖评委会是如此描述神奇的光纤：“光波流动在纤细的光纤中，它携带着各种信息数据传递向每一个方向，文本、音乐、图 片和视频因此能在瞬间传遍全球。”
与传统的导电材料铜不同，铜是不可再生资源，再过几十年，地球上铜矿必将开采殆尽。自从西门子公司开发出第一根铜质通信电缆至今，已逾一百年。再也没有另外一百年的铜资源可资利用了。而光纤的材料，二氧化硅及其掺杂材料均是地球上取之不尽，用之不竭的物质，是大自然恩赐于人类的无穷的财富。光纤的价格之低廉也是任何其他传输媒质无法比拟的。每公里G.652光纤价格已从初期的上千元下降到目前的七十多元人民币。今天，应用最广泛的G.652光纤, 其结构(阶跃型折射率剖面) 之简单, 其性能之优越, 价格之低廉已无有能望其项背者。G.657光纤的出现，也将原先人们对光纤“脆弱易折”的观感一扫而空。光纤到户（FTTH）时代的来临，已指日可待。
（二）光纤通信与光纤传感
光纤技术正在向两个方向发展；第一波是光纤通信技术，第二波则是随之而来的光纤传感技术。光纤通信技术历经30余年的发展，日臻成熟；光纤传感技术则是方兴未艾。后者也正在借助光纤通信技术的成果处于迅速发展中。
进入二十世纪90年代后，由于光纤放大器及光纤波分复用技术的迅速发展，使光纤通信的通信距离和通信容量的拓展发挥到极致。 G.653光纤迅速被G.655，G.656光纤赶出历史舞台。目前, 单一波长的传输容量已从2.5Gbit/s, 10 Gbit/s发展到40 Gbit/s., 并已开始160 Gbit/s的研究。DWDM的波长间隔已从1.6nm, 0.8nm减小到0.4nm(50GHz)。全波光纤的技术突破, 使1385nm波长的水峰损耗消失，遂令第五波段（1360nm-1530nm）“天堑变通途”, 使单模光纤的有效使用波段扩展为从1280nm-1625nm的石英光纤低损耗区的全部波段。可以想见, 在一根光纤上同时传送千万路电话已不再是人类的梦想的了。
光纤传感技术是与光纤通信技术相伴而生的光纤技术发展的又一方向。它已由零星研究走向集中开发、由军用催生民用、由单点监测技术发展到分布式网络监测技术，其应用领域之广、其市场潜力之大、其发展势头之猛已令万众瞩目。与传统的传感技术相比，光纤传感器的优势是本身的物性特性而不是功能特性。光波在光纤中传播时，在外界因素，如温度、压力、位移、电场、磁场、转动等的作用下，通过光的反射、折射和吸收效应，光学多普勒效应、声光、电光、磁光、弹光效应，Sagnac效应和光声效应等原理，使表征光波的特征参量：振幅、相位、偏振态、波长等，直接或间接地发生变化，因而可将光纤用作敏感元件来探测各种物理量，此即光纤传感器的基本原理。此外，光纤还有各种衍生的传感功能，例如，光纤光栅周围化学物质浓度的变化通过倏逝场影响光栅的布拉格波长，利用这种特性，通过对光纤光栅进行特殊处理，可制成探测各种化学物质的光纤光栅化学和生物化学传感器。与普通光纤光栅相比，长周期光栅对光纤包层外材料的折射率变化更敏感，因为长周期光栅将正向导模耦合到几个正向包层模，围绕包层的材料折射率的任何变化都会改变透射光波的性质。将光纤光栅涂上特殊的活性涂覆层，可测量低浓度（10-9级）的目标分子。此类光纤传感器可用于航天器的氢气漏泄检测，油气管道的碳氢化合物的漏泄检测，煤矿中的瓦斯检测等等。
而光纤本身又是光波的传输媒质，这种“传”、“感”合一的特征所带来的优势，堪称无可匹敌。基于瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射原理的OTDR, BOTDR及ROTDR一类的分布式光纤传感器以及基于双光束干涉的光纤传感干涉仪，如马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪、迈克尔孙（Michelson）干涉仪、萨格奈克(Sagnac)干涉仪等, 其光纤传感臂上的每一点既是敏感点又是传输介质。即使对于基于多光束干涉的准分布式光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）传感器, 以及近年来发展最为迅速的光纤光栅传感器而言, 前者的工作原理是通过两个光纤端面作为反射面之间的距离变化来测量被测量的变化, 后者则是利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和光纤纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化，从而在光纤纤芯内形成空间相位光栅所构成, 因此光纤光栅是在光纤纤芯中形成。两者均是光纤本身的一个集成部份。与光纤的可熔接形成低插入损耗的联接，此类光纤传感器的在线（in line）特征，使其与光纤传输有天然的兼容性，可以替代传统的分立和薄膜型光无源器件，从而为全光通信系统和光纤传感网络提供巨大的设计灵活性。
以互联网为代表的计算机网络技术是二十世纪计算机科学的一项伟大成果，它给人们的生活带来了深刻的变化，然而在目前，网络功能再强大，网络世界再丰富，也终究是虚拟的，它与人们所生活的现实世界还是相隔的，在网络世界中，很难感知现实世界，很多事情还是不可能的，时代呼唤着新的网络技术。光纤的这种神奇的、在线的传感、传输特性以及与以光纤为高速信道的互联网的结合，正迎合时代的需求，可以构成全新的物感网络技术，笔者敢于断言：在不久的将来，这种三纤合一的、新的光纤传感网络将给人们的生活方式带来革命性的变化，从而使光纤技术的发展再一次迈向新的高峰。
来源： |
