為什麼說全世界都欠「光纖之父」一個大人情?

高錕先生與光纖

開始演講前，我想先為大家介紹一個人——高錕博士，2009年諾貝爾物理學獎的獲得者。半個世紀之前，他發明了光纖通信，極大地改變了全人類的通訊方式。

光纖是光導纖維的簡稱，是一種由玻璃或者塑料製成的纖維，標準直徑只有250微米，和頭髮絲差不多，利用光的全反射原理傳輸信息。

一般來說，光纖由三部分組成：纖芯、包層和塗覆層。纖芯由高度透明材料製成，用來傳輸光信號；包層的折射率略低於纖芯，與纖芯構成全反射，可以束縛光信號；塗覆層用來增強光纖的柔韌性，起到保護光纖的作用。

光纖分為通信光纖和非通信光纖兩種。通信光纖又可分為單模光纖和多模光纖；非通信光纖根據應用領域的不同，分為傳感光纖、雷射光纖、信號處理光纖……

歐巴馬曾說過，高錕先生的光纖研究極大地改變了世界，促進了世界經濟的發展，全世界都欠高坤先生一個大人情。

更令人敬佩的是，被稱為「光纖之父」的高坤先生並沒有為他的發明申請專利，因為他希望有一天全人類都能夠利用光纖上網。如今他的願望已經實現了：光纖已經走進了千家萬戶，走進了我們老百姓的日常生活。

制棒→拉絲→光纖

光纖是使用四氯化矽、四氯化鍺等原材料製成的。對於一般的石英光纖來說，標準的製作工序有兩個：制棒和拉絲。這兩個工序直接決定了光纖的機械強度、壽命等各個參數。

光纖的製作：制棒→拉絲→光纖

制棒就是把四氯化矽等原材料製成和芯棒具有相同折射率的預製棒。目前通用的制棒方法有四種，都是基於氣象沉積法，根據燒制方式不同又分為管內法和管外法，各有優缺點，我們一般採用組合工藝。

製造光纖預製棒的四種方法

制棒過程中，四氯化矽和四氯化鍺發生氧化反應，生成二氧化矽和二氧化鍺，同時排出有毒的氯氣。

拉絲的工序也很簡單，有點像河南拉麵。拉麵是把一個面棒棒拉成細細的拉麵，光纖則是把燒成的預製棒加熱熔融拉錐以後拉成細細的光纖。拉絲時，我們要用樹脂材料把光纖快速包裹起來，形成保護。

光纖拉絲

從本質上來說，光纖就是一根細細的玻璃棒。下面結合兩個具體產品，我來為大家詳細介紹一下光纖的應用。

第一個產品是碳密封塗覆光纖，圈內一般叫它黑光纖，因為標準的光纖是沒有顏色的，這個卻是黑乎乎的。

黑光纖其實就是在光纖包層外又加了一層碳密封塗覆，填充包層裡一些固有的結構缺陷，這樣在惡劣環境中使用時，會降低環境因素對光纖的損傷。這種光纖可用於海洋探測、石油探測或是有高可靠性、高壽命使用要求的特殊環境。

第二個產品是一個雙包層摻鐿光纖。

這種光纖一般用於高功率光纖雷射器、放大器，用來提供增益介質，也就是提供儲能。根據摻雜的稀土粒子的不同，可分為摻鐿、摻鉺、摻銩、摻鐠等各種摻雜光纖，能夠滿足工業加工和軍事需求。光纖本身比較脆弱，我們使用時要把它承載，也就是在光纖的外面加一層加強件，或者叫填充層，然後在外面擠一層護套，最終形成了我們實際使用的光纜。

這是我們研製的野戰光纜，能在野戰環境下快速建立通訊指揮，也可用於應急搶險。它的特點是能滿足野外使用環境的要求，例如可在樹上打結、被土方車快速碾壓等。

光纖成纜之後，為了滿足不同使用場合的需求，還需要連接。連接器的分類比較多，下圖是我們研製的一個比較特殊的連接器，能滿足兩個轉動機構之間的信號傳輸需求。在兩個對接機構轉動的過程中，它能保證信號連續不斷，同時還可以滿足高達幾噸的抗拉需求，一般用在浮空平臺系統上。

被用在浮空平臺系統上的光電複合旋轉轉接頭

在通訊行業，需要傳輸的聲音信號、圖像信號等經過電光轉換，轉化成光信號，長程傳輸之後再進行光電轉換，還原成我們需要的數據、聲音、圖像等信號。

我們通常把電光轉換模塊叫光端機，通常是一收一發地配對使用。下圖所示是我們研究的數字光端機、模擬光端機和綜合業務光端機。

數字光端機、模擬光端機和綜合業務光端機

光纖未來的發展方向

隨著科技發展，光纖損耗已經降得很低，但是因為實際使用時通常需要傳輸幾百、甚至上千公裡，所以信號會大幅度衰減。為了解決這一問題，就需要使用各種光纖放大器。

下圖所示是我們研製的各種型號的光纖放大器，有比香菸盒還小的小型光纖放大器，也有模塊化的機箱式放大器，還有滿足多路集成需求的插箱式光纖放大器。從使用環境需求來說，也有許多滿足特定使用環境需求的放大器，比如空間站用的耐輻照的光纖放大器等等。

各種型號的光纖放大器

除了用於通信領域外，光纖還可用於工業加工領域，例如光纖雷射器就廣泛應用於打標、切割、焊接、熔覆、除鏽……在軍事領域，光纖可用於毀傷、對抗，雷達探測……

光纖還可以用於傳感領域，因為它本身對溫度、應力、形變、聲壓比較敏感，這些因素的變化會引起光纖雙折射率的變化，導致光纖傳輸信號的相位發生變化。我們通過對信號光的檢測，可以還原出需要探測的溫度、應變、聲壓等變化。

光纖的應用

前面介紹的都是光纖的功能單元，或者說是功能單元應用，但在實際使用時，我們通常需要把各個功能單元集成起來構成一個系統，才能滿足一個使用需求。

下圖是我們為浮空平臺研製的一個光信號傳輸子系統。浮空平臺其實就是一張皮、一根繩，上面浮起來的球就是一張皮，纜繩要把球拉住，一般需要承受四五噸的拉力，同時還要滿足信號傳輸的要求，還要有防雷劈的功能。

在實際應用中，球上的高清攝像機、雷達的信號經球上的光端機電光轉換後，經過纜繩傳到下面錨泊車上面的光端機上，然後再經過光電轉換還原成原本的信號。在世博會、北京奧運會等需要應急指揮系統的活動上，浮空平臺系統都能發揮作用。

這是我們研製的一個大型雷射系統，為國家一些重大專項配套的種子源雷射系統，採用高度集成的插件式結構，由幾千個功能單元構成的。

大型雷射系統

由於光纖本身固有的損耗小、耐電磁幹擾、重量輕等優點，正在逐漸替代傳統意義上的電纜。

光聯萬物，光纖正在改變我們的生活。在不久的將來，曾經只在科幻片中出現的雷射炮，也可能會出現在我們的日常生活中，讓我們共同期待光纖給我們的生活帶來的改變。