近几年来，光学纤维的研制工作进展非常迅速，光学纤维中，以白聚焦型（折射率呈连续分布）光学纤维为例，日本在1968年就研制出了商品名为“SELFOC”一种众所周知的光学纤维。这种光学纤维以多组分玻璃为原料，光的传输损耗可达10分贝/公里以下，包层型（折射率不连续分布）光学纤维的研制起步虽很早。1970年，用添加TiO₂的石英玻璃作纤芯，首先在美国制成，随后在日本也加紧进行了研究。1972年，用含B₂O₃的高硅氧玻璃作包层，制成了石英玻璃为纤芯的光学纤维（ETLOF-1），为以后研制低损耗光学纤维开创良好的开端。1973年又进一步开始研制用塑料（聚合物）作包层、石英玻璃作纤芯的光学纤维（ETLOF-2）。现在，已能制成光的传输损耗在3分贝/公里以下的光学纤维。

光学纤维依其结构和材料的不同具有不同特点，所以它的用法和用途也是多种多样的。下面就在各方面的应用和有哪些用途进行充分探讨，并结合这个问题，对光学纤维在材料、结构和使用方面提出的要求进行讨论，展望一下光学纤维的今后发展。

光学纤维用途的探讨

在讨论光学纤维的用途时，有两种截然不同的方向。一种是从原来电通信的基础上发展的正规的方向；另一种是从光学纤维的功能入手，着眼于扩大它的功能的应用，即所谓探索的方向。前一个方向，在手段上已建立起了坚实的基础，但必须在电通信这个领域中做出结果，所以有一定的局限性。后一个方向，从研究的途径来看还处于探索阶段，对其全面情况未必是十分清楚的。不过，从探讨光学纤维的应用角度来看，会起着指导性的带头作用。

光学纤维的用途，从全面来看，大致可分为通信用和非通信用两个方面。用于通信方面，是属于借助于光学纤维传输信息的领域，进一步又可分为公用通信和非公用通信的用途。对于非通信的用途，主要是用光学纤维传输能量的领域。其中，所谓传输能量，还包括照明、加热、加工等方面的应用，以及测试与数据处理等方面的用途。这方面的应用目前还很难预料将来会发展到何种地步，但是概括地推测一下需要量的多少，从图1中大致可以看出其概况。

另一方面，在考虑到光学纤维的今后发展时，重要的一点是要从各种角度设想它所能适用的多种具体情况，积极扩大它的用途。

这个方面的应用包括有：主要以提供物质为目的的生产交换活动；利用它来改善人们生活福利为主要目的的活动；将此两种活动联系起来的属于更高一级的信息活动；以及用于各种场合下的安全防护活动。这些活动支配着整个人类社会，并促进着人类社会的发展。如进一步地将具体的应用方面同这些活动加以联系，则如图2所示。

信息传输与光学纤维

光学纤维毋庸赘言是指能够通过光的电介质纤维。从传输信息的角度来看，它与以往的信息传输介质相比，具有许多优越的性能。尤其是从信息的传输容量来看，有可能实现迄今的技术几乎不可能达到的水平。

近几年来，从技术发展的倾向来看，人们经常考虑到的问题是如何克服能源、资源和空间的有限性，就光学纤维而言，所希望解决的问题则是如何克服以往通信技术上经常遇到的频率的局限性这个难关，寻找出在技术上有革命意义的、将传输的信息容量扩展到几乎是无限大的技术途径。由此乃注意到载波用相干光波即激光，传输介质选用单模的光学纤维，在原理上是最切实可行的。这是因为，首先，激光用于超多路通信上，其载波频率达微波的10³倍以上。认频率的角度来看，它运载的信息量为微波的10³倍：其次，考虑到传输介质线路应具有的截面积大体上是波长的2倍，所以只需是微波的百万分之一以下即可。因此，相同横截面的电缆，其信息传输容量可达微波的10⁹倍，即10亿倍。这里仅是考虑到时间、空间的多重性，按目前的光学纤维为中心的光学技术水平来说，虽是无稽之谈，但它确有可能以超宽频带传输信息是无可置疑的。信息的传输容量一旦达到如此飞跃的增大，预料势必会对社会和日常生活带来极大的影响。仅就这一点来说，不难看出光学纤维在今后可能起到的重大作用。

能量传输与光学纤维

认光学纤维能够通过光能量着眼，可以设想，用光学纤维传输能量，在将来，会在技术上起到不可估量的效果。

用光学纤维传输能量，可把电转换成光，通过光学纤维传输；又可把光学纤维传输来的光转换成电；以及把两方面结合起来用，以代替以往传输电力的手段。不过，如太阳光那样本来即以光能形式存在的能量，不经过光电转换，而直接以光的形式传输，而且以光的形式直接用于各种目的，可能是更为重要的一种用途。其理由是避免了由光电转换引起的能量利用率的下降，同时整个结构也可以加以简化。

这种利用光学纤维来传输能量的方式有如下几方面的应用：将太阳能聚光装置（如大型菲涅尔棱镜）和光学纤维束结合起来，作为水下、海底、坑道、无日照区域、室内等的照明之用；用来促进植物的光合作用；把传输的光一部分或全部变成熟量，用于水等的加热和保温；以及利用光能来加工物件等等。

在这些用途中，光学纤维所完成的功能，并不限于传输光的能量，特别是太阳光，本来是任其转变成熟能或被吸收而白白浪费，如能提供有效利用光能的手段，则有助于直接开发能源。按同样道理，对促进动植物资源的生产也会做出大的贡献。更进一步，假使可以把天空云层上的太阳光能通过光学纤维传输到地球表面，则其效用尤为显著。

测试、信息处理与光学纤维

光学纤维在非通信方面的应用，预计通过光学纤维束收集和处理信息会占很大的比重。光学纤维用于计测方面的特点是，可将光收聚在细小的空间内进行导光，并能有效地加以利用。光用于计测方面，一般作为非破坏或非接触的测试法具有许多优点和广泛的用途。如再同光学纤维结合起来使用，可使光传输到长距离的任意地点，有利于发展远距离计测（遥测）。光线可以从微小的口径进出，则为精细测试（微测）开辟了新途径。

光学纤维与铜线等金属导体不同，它是不导电的电介质，具有以往的手段所不具有的许多优点。光学纤维也有各种类型，其物理性质也是多种多样的。结合它的特点，列举几项测试方面的用途有：① 细线性——有利于狭小空间内的测量。② 轻量性——便于在航天器内使用。③ 非导电性——高电磁场下测量。④ 耐高电磁场感应性——有利于在有电磁场的噪声下测量。⑤ 耐高温性——可在高温下测量。⑥ 耐水性——可用于水中测量。⑦ 可挠性——可在振动下测量。⑧ 宽频带性——有利于超高速测量等等。

光学纤维在测试方面的应用有两类：（a）光学纤维具有单纯用作光传输介质的功能。（b）光学纤维本身具有测试的功能。前者仅仅是利用光学纤维把光传向测试对象或从测试对象把光传输出去；后者是利用光学纤维本身的波导参数，根据测试对象的不同来测试声波、放射性、温度、压力和介质折射率等。不论哪一种用法，为了使光学纤维能成功地用于测试，必须首先确定光学纤维本身的基本测试参数和鉴定技术。其实，所谓信息的收集和传输以及处理，相互间有许多不可分割的因素，光学纤维应用于测试方面也不例外，例如光学纤维与光学纤维之间的耦合，是同传输或处理有关系；反之，由耦合的程度也可测定出微小的位移。

光学纤维技术的未来展望

根据以上所谈光学纤维应用的未来前景，再展望一下今后光学纤维技术的新发展。

首先，关于光学纤维具有很大的信息传输容量问题，当然一方面是有利于频率多重性和波长的多重性传输，而另一方面从有效地利用光在空间传播这一意义上来说，特别重要的是研制用光学纤维进行图像的并联传输技术。

这时，把原有的时间、序列处理系统连结起来，虽确有可能进行并联传输图像，并且还可更进一步如把振荡图像用激光那样的并联光集成化的概念，引入到光学纤维传输图像的设备中，则可获得如图3（a）所示，具有完全用光进行并联处理功能（阈值放大处理、改进信噪比S/N）的高质量图像传输装置。

众所周知的全息照相能分散记录图像信息，并具有能进行立体显示的特征，所以如果用这种手段并联传输图像，就可实现以往方法中所没有的新功能。例如，计算机的输出通过傅里叶变换传输，可把计算偏光全息作为显示元件，做成如图3（b）所示的立体图像传输系统。

另外，还可有效利用迅速发展起来的超大规模集成电路的微型计算机，实现新型的图像传输方式。例如，如图3（c）所示，对构成光波导的每根光学纤维的输入端和输出端标上地址号码，在其中间装上具有互相变换功能的元件，自适选址放大器（Adaptive Addresser Amplifier）就可在许多紊乱无序的光波导之间传输任意的图像。

到目前为止，一般都认为光学纤维的材料用石英玻璃，光传输损耗是最小的，但这是指以近红外光作为信息载波而言。当然也可使用石英玻璃光学纤维束传输光能量，不过如用它传输太阳光时，传输距离为200米，能量损失约可达50%，其主要原因是由于光学纤维中的瑞利散射消耗了可见波段的光能量。因此如何降低这种损耗是一次重大的技术课题，必须要开展光学纤维材料的研究。还有，用于传输光能量的光学纤维，还要根据光的强度、光谱，探索新材料制成的光学纤维，也是一项大的研究技术课题。最近已研制成对波长4 ~ 5微米、光传输损耗为0.01分贝/公里的多晶质光学纤维，这不只是对传输能量，对传输信息来说，也是技术上的一项重要突破。

看来，按照传输光的光谱分布，从方法上探讨并联采用材料和结构等类型不同的光学纤维也是重要的。照此设想，集中结扎很多根光学纤维，同时进行信息传输和能量传输，就能构成以光能量驱动传输信息的光中继站的全光型装置。这时，为把各种光学纤维束结扎一起，必然要设法设计出一种新型的光缆。

对于光学纤维传输能量的技术，如何提高光学纤维输入端的容许功率，有待于今后深入研究的问题还很多。由于引起光学纤维破坏的两个主要原因是，材料在光的电磁场中，由于绝缘性能差造成的和因材料吸收光能后转变成熟导致的破坏。另外，还有一个不能忽视的附带原因，是材料受热引起不同变形而造成的损坏。由此可见，必须探索抗破坏性能良好的材料及改进装配和结构等等，都是发展这项技术所不可忽视的问题。

总的看来，随着光学纤维技术的发展，不能把光学纤维仅仅限于信息传输，在能量传输、测试与信息处理等非通信用途方面，努力寻找和开辟它的新利用途径，也是迫切希望解决的重要课题。

（马英仁 译 张绶庆 校）

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* 本义节译自日本《电气学会杂志》，97卷，11号，1977年。