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人类社会进入信息时代，信息的获取、传输、处理、控制和存储等技术环节便成为这个时代的重要技术，其中信息传输的媒体当然是关键技术之一。当信息以电子为载体时，信息传输的媒体是金属导线或金属波导管；而当信息的载体是光子时，信息传输的媒体是光导纤维。
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各种光导纤维制品 |
一．光导纤维的构成及其传导光的原理
光导纤维简称光纤，是一种比头发丝还细的能高质量传导光的玻璃纤维或塑料纤维。水能在水管中流动，光如何在光纤中传递呢？
光能够在玻璃纤维或塑料纤维中传递是利用光在折射率不同的两种物质的交界面处产生“全反射”作用的原理。为了防止光线在传导过程中“泄露”，必须给玻璃细丝穿上“外套”，所以无论是玻璃光纤还是塑料光纤均主要由芯线和包层两部分组成。光纤的结构呈圆柱形，中间是直径为8微米或50微米的纤芯，具有高折射率，外面裹上低折射率的包层，最外面是塑料护套，整个外部直径为125微米，特殊的制造工艺，特殊的材料，使光纤既纤细似发，柔顺如丝，又具高抗强度，大抗压力。
由于包层的折射率比芯线折射率小，这样进入芯线的光线在芯线与包层的界面上作多次全反射而曲折前进，不会透过界面，仿佛光线被包层紧紧地封闭在芯线内，使光线只能沿着芯线传送，就好象自来水只能在水管里流动一样。
二．光导纤维的制造及材料
制造光导纤维的方法很多，常用的是管棒法。即把棒状的芯材插入管状包层中，一起放进电炉中加热，在高温熔融状态下，拉成内外两层的纤维长丝，直径范围为几十～100多微米。玻璃光纤是用高纯度的氟化物玻璃为材料，塑料光纤是以有机玻璃为芯材、以含氟透明树脂为包层。含氟树脂为含多氟烷基侧链的聚甲基丙烯酸酯类（h=1.36～1.40）及偏氟乙烯—四氟乙烯共聚物（h=1.39～1.42）。
光的传输距离与光导纤维的光损耗大小有关，光损耗小，传输距离就长，否则就需要中继器把衰减的信号放大。如果光导纤维的光损耗为每千米0.15分贝，传输距离可达500千米，二十世纪九十年代研制的氟化物玻璃光导纤维传输能力高强，光损耗仅为每千米0.03分贝，一次传输距离长达4800千米，可以在无中继站的情况下进行洲际光通信，其传递信息的效果可以和空间卫星通讯相比美。
塑料光纤的光损耗较玻璃光纤的大，达每千米20分贝。因此为了减少光在长距离传输过程中的损耗，必须采取相应的技术措施。首先，采用超纯氟化物玻璃制造光导纤维；其次，尽量改善玻璃内部结构的均匀性；最后，采用波长较长的激光进行传导，因为激光的方向性强，频率高，是进行光纤通讯的理想光源。
在实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强处理，制成像电缆一样的光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通讯容量。
三．光纤通信
光纤通信是利用激光作载波由光导纤维传送信息的有线通信方式。
1．光纤通信的原理
光纤通信是先把声音转换成能代表声音变化的电信号，然后把它放大，再用经过放大的电信号来控制激光器发光，使激光器发出来的激光的亮度也随着代表声音的电信号来变化，这样，激光器就把代表声音的电信号转换成相应的光信号。通过光导纤维传送到接受的一端后，由于接收设备里有一个对光非常敏感的光电管，可以把接收来的光信号转换成电信号，这样代表声音的光信号就被转换回来，再放大以便送到听筒引起膜振动，就能听到与发送端一样的声音了。
2．光纤通信的优点
光纤通信较普通电缆通信有许多突出的优点：
A．光纤通信有巨大的信息容量
一根头发丝那么细的光导纤维可以通几万路电话或2000路电视，而一条光缆通路可同时容纳十亿人通话，也可同时传送多套电视节目。光纤通信的容量如此之大，主要是因为光纤通信是利用近红外光来传递信息的。红外光的频率是几十万亿赫兹，比同轴电缆的载波频率高几十万倍，一般来说通信系统的频带越宽，它的容量也就越大。
B．光纤通信抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，保密程度高，能防窃听，抗电磁干扰能力强。光导纤维是石英玻璃丝，里面传输的是电信号，就是把它平行铺设到高压电线和电气铁路附近，也不会像金属电缆那样受到电磁干扰。另外，信号在远距离传输过程中，噪声不会积累，所以光纤通信的质量好，稳定，在邮电通讯、铁道、电子等部门有广泛用途。
C．光纤通信损耗低。目前无中继传送距离一般为30～70千米，而同轴电缆每隔1.5千米就需设立一个中继站，用来补偿电信号在传输中的损耗。目前，1800路同轴电缆的中继距离是6千米左右，而1920路光缆的中继距离一般在12千米以上，因此，光缆很适于远距离信息传输，许多国家已使用光缆作为长途通讯的干线。
D．光缆的质量轻，体积小，结构紧凑，绝缘性好，不怕腐蚀，寿命长，铺设也很方便，是非常好的通讯材料。一根光纤的直径比头发丝稍微粗一点，一公里长的光纤也不过100克重。为了保护光导纤维不被拉断同时使之抗拉又抗弯，在制作光导纤维时，还在它的表面加上一层聚丙烯或尼龙套层。如果是多根光导纤维组成的光缆，还要跟抗拉的钢丝和塑料填充料组合在一起，外面再套上厚塑料皮。即使如此，这种光缆也比普通电缆轻多了，作一个比较，一根1千米长，直径125微米的光导纤维，仅重30克。它的重量是铜电缆的3/100000，价格为铜电缆的1/2000。
E 用光缆代替通讯电缆，可以节约大量有色金属。根据专家估算，同样100米长的铜电缆和光缆，若传递信息的频带宽为4万兆赫，则铜电缆需直径58毫米的铜缆656股，总重量为219760千克，电缆外部的总直径为1458毫米，其价格为1312000美元；而光缆只需一根直径为8.7毫米的光纤其重量仅为6.6千克，价格只要680美元。
光纤传输信息容易实现远距离大容量通信，所以长距离越海光缆通信，成为科技人员首先要实现的目标。目前，人们已建成大西洋海底光缆，全长约7000千米，计划中的南太平洋光缆（全长约16000千米）也在准备之中，进一步降低光纤损耗，减少中继站数目，甚至不用中继站，是人们的目标。
随着科学技术的不断发展，光导纤维的应用将愈来愈广泛。“信息高速公路”我们已不陌生，其来由是这样：1993年9月，美国总统克林顿宣布实施“美国全国信息基础设施计划”，耗资4000亿美元，历时数十年。这项大规模计划的目的十建立覆盖美国全境的光纤通信网络，通过计算机系统，采用电视、传真、电话等通信技术，向全国公民及时提供所需要的各种信息。显然，这项计划的基础是建设光纤网络，同时调动激光技术、计算机技术、通信技术、网络技术、多媒体技术和卫星通信技术等，组成以极快速度和巨大容量传递信息的系统。这一巨大工程被新闻界称为“信息高速公路”。这条“信息高速公路”，主要的建筑材料不是水泥、沙子，而是光导纤维线缆。在这种光导纤维通信缆结成的“公路网络”内，私人电脑为“汽车”，五花八门的计算机软件当“汽油”，使人们能探索世界上各种各样的奇迹，这种信息高速公路，将人们带入信息时代，同时也可见光纤将成为信息时代的重要角色。
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| 光导纤维 |
由光导纤维构成的光缆 |
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四．光纤在医学上的应用
光损耗大的光导纤维可在短距离使用，特别适合制作各种人体内窥镜，如胃镜、膀胱镜、直肠镜、食道镜等，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8´10´6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。
视频：材料科学资料集成——光纤
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