光纤的应用领域解析
文 | 传感器技术（WW_CGQJS）
上一篇文章，我们了解了光纤的发展、原理及种类，现在我们聊一聊光纤技术几种典型的应用领域。
光纤在通信传输领域的应用
自著名华人物理学家高锟先生提出“光传输理论”，实用化的光纤传输产品始于1976年，经历了PDH→SDH→DWDM→ASON→MSTP的发展历程。本世纪初期，ASON/OADM 技术已在通信技术当中广泛应用，逐渐发展成为以骨干网络传输为介质的ROADM技术。
光通信技术的特点
信息容量大
光纤通信容量大，并且光纤的传输宽度比电缆线或者铜线的宽度大很多。从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000 亿个话路。
虽然未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输24万个话路的试验已经取得成功，它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。
一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。
损耗低，可长距离传送
光纤通信的损耗率比普通的通信损耗率要低得多，由于光纤具有极低的衰耗系数（商用化石英光纤已达0.19dB/km 以下），若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。
这是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。据报导，用一根光纤同时传输24 万个话路、100 公里无中继的试验已经取得成功。
此外，已在进行的光孤子通信试验，已达到传输120 万个话路、6000 公里无中继的水平。光纤不仅损耗低，而且也可以进行长距离的通信，目前最长的通信距离可以达到万米以上，因此光纤通信更加实用于社会网络信息量比较的地方。并且光纤通信性价比比较高，具有很好的安全性。
抗电磁干扰能力强
光纤主要是由石英作为原材料制造出的绝缘体材料，这种材料绝缘性好，而且不容易被腐蚀。光纤通信最重要的特点是抗电磁干扰能力强，并且不受自然界的太阳黑子活动的干扰、电离层的变化以及雷电的干扰，也不会受到人为的电磁干扰。
并且光纤通信还可以与电力导体进行复合形成复行型的光缆线或者与高压电线平行架设，光纤通信的这一特性对强电领域的通信系统具有很大的作用。光强通信因为可以不受电磁脉冲的效益的干扰，光纤通信系统也可以运用到军事中。
安全性能和保密性好
在以往电波的传输中，由于电磁波在传输的过程中有泄露的现象，因此会造成各种传输系统的干扰，并且保密性不好。
但是光纤通信主要是利用光波进行传输信号的，光信号完全被限制在光波导的结构中，而其他的泄露的射线都会被光纤线外的包皮吸收，即使在条件不好的环中或者是拐角处也很少有光波泄露的现象。
并且在光纤通信的过程中，可以使很多的光纤线放进一个光缆内，也不会出现干扰的情况。因此光纤通信具有很强的抗干扰能力和保密性，并且光纤通信的安全性能也是非常高的。
重量轻，体积小，便于施工维护
其抗张强度好，质量小，而且比较小巧，所以光缆能最大限度的扩大配线管道的使用率，并且能够尽可能的减小安装问题。
通过以下的数字我们可以分析出光纤的优势，1000根1km长的双绞线重达8000kg，而容量更大的1km长的两根光纤的重量只有100kg重，这就极大减少了必须维护的昂贵机械支撑系统的需要，所以光纤要胜过铜线。便于施工维护便于施工维护便于施工维护便于施工维护。光纤光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。
原材料来源丰富潜在价格低廉
制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。
目前主要的光纤通信技术
光纤到户接入技术
针对现代宽带业务领域的研究逐渐深入，基于更好地适应用户的通信要求，所采用的通信技术一要具备宽带主干传输网络，还要具备光纤到户接入技术，后者是保证信息传送得以进入千家万户的重要保障之一，鉴于此，大部分业内人士均认为，信息接入网是信息高速公路发展的“临门一脚”，在肯定了光纤到户接入技术的重要性的同时，也指出了信息通信领域的瓶颈所在。
单纤双向传输技术
在应用双纤传输技术之时，信号处于分散传输的状态，即是信号在两根光纤当中进行传输。而应用单纤传输技术，全部的信号均在一根光纤当中完成传输。根据现代光纤传输理论可得知，光纤传输的容量是不存在上限的，但是在传输设备的制约之下，导致光纤传输的容量一直无法达到理想的水平。
目前，我国的通信领域采用的基本上都是双纤传输技术，导致宝贵的光纤资源被严重浪费。现阶段，单纤双向传输技术的主要应用方向是光纤末端接入设备方面，包括PON无源光网络、单纤光收发器等，应用程度有待深化。
光纤通信传输技术的主要发展趋势
光纤通信传输技术未来的主要发展趋势集中体现在集成光器件、全光网络、光网络智能化、多波长通道四个方面，具体如下：
集成光器件
为了全面提高光纤通信传输技术的应用水平，必须要实现光器件的集成化目标，这也是其余的发展趋势得以实现的关键前提之一。
在互联网技术高速发展的背景之下，现有的ADSL接入宽带已经难以满足实际的信息传输需求了，实现光器件的集成化，可显著改善光器件的工作性能，进而提高其传输信息的速度，推动光纤通信传输技术的发展进步。
实现光器件的集成化，主要的方向是采用相对成熟的新工艺，在硅衬底之上进行光学器件的制作，包括波导与光纤耦合器等重要的无源器件，在一块硅芯片之上实现全部光学器件模块的集成处理。
全光网络
广义上的 “全光网络”指的是无论在网络传输还是网络交换的过程当中，网络信号均是以光的形式存在的，其进行电光或者是光电转换的步骤仅限于进/出网络之时。
目前，我国部分的光网络系统，虽然在各个节点之间基本上已经实现了全光化的目的，但是在网络结点的位置，其所采用的依旧是电器件，而非光器件，对光纤通信干线的总容量造成了较大的限制。
鉴于此，未来的光纤通信技术必须要实现全光网络，关键在于创建完善的光网络层，光网络层的核心技术为光转换技术与WDM技术两项，同时将电光瓶颈尽数消除。
在4G网络发展建设的推动之下，我国的光器件产业逐渐趋向完善，目前市面上无论是有源光器件，还是无源光器件均实现了批量生产与商业应用，如华为、中兴、光迅等知名电子科技企业均代表着我国光器件生产的最高水平。
光网络智能化
我国的光纤通信素以传输为主线，伴随现代计算机技术的发展进步，其在网络通信当中所起到的作用将会越来越重要以及明显，因此必须要实现光纤网络通信技术的智能化，提高网络通信技术的实际应用高度。
针对现代光网络技术而言，实现光网络智能化，其关键在于将自动连接控制技术以及自动发现技术应用到其中，辅以通信网络系统的自我保护与恢复功能，以期全面实现光纤通信传输技术的高度智能化。
实现光网络智能化，核心思路在于提高 固定栅格频谱的利用率，在传统的WDM网络的固定栅格之下，各种速率的光通道支撑为50GHz的频谱间隔，针对100Gb/s的通道而言，这样的频谱间隔是合理的，但是对于80Gb/s以下的通道而言，则会造成固定栅格频谱的浪费。此外还要建立完善的波长通道，实现光信道的动态调整，开放接口，实现资源云化，打造灵活的弹性光路。
多波长通道
在光纤通信传输技术当中，存在一种衍生技术“波分复用技术”，其核心作用在于对光波通信的信息容量实现有效的拓展，进而实现时分与空分多址复用的目的。其中，空分复用需要依靠多根光纤进行信号的传输，与单根光纤复用相比较，空分复用还需要借助频分或者是码分复用来实现。
在现代商业当中，频分复用的应用范围比较广，针对传统的G.653光纤而言，采用色散调节技术确实可以提高其传输速度以及拓展其信息容量，但是在正常的使用过程当中非常容易出现FWM(四波混合)的问题，这是光纤放大器不合理使用而直接导致的结果。
FWM的原理可细分为三点：一是后向参量放大和振荡、二是三个泵浦场的不规则作用情况、三是入射光中的某一个波长上的光改变了光纤的折射率。FWM所带来的负面影响主要是衍生出新的波长，进而导致串音干扰，削弱传输信号，不利于波分复合技术的实际应用。
鉴于此，需要研发可抗御FWM影响，并且集超大容量与超快速度等优点于一身的新型光纤，以提高波分复用技术在光纤通信传输的应用水平。研究表明，采用G.652光纤可抗御FWM所带来的负面影响，但是鉴于其存在色散的问题，因此需要加强色散补偿，这是现阶段业内抗御FWM影响的主要技术方向。
光纤技术在医学内窥镜领域中的应用
内窥镜技术已成为促进医学科学发展的一种强有力的工具。用光纤制成的医用内窥镜,因光纤束柔软,可以弯曲灵活地插入人的体腔,实现导光、传像,在医学上具有广泛应用。
把光纤束经过合适的途径插入人体体腔,一方面把外部光源发出的光通过光纤束导入体内,照亮人体内需要检查的部位;另一方面,再由光纤束把观察到的体内器官的病变图像传出体外,供医生观看或作照相、摄像记录。
光纤传像原理
光纤传像，是由光纤特性和结构所决定的。为了利用光纤束传像，光纤束必须具备以下条件：
1、理想情况下,每根光纤都有良好的光学绝缘。即光纤束中的每一根光纤都能独立传光,不受周围光纤的影响。
2、多根光纤两端必须是相关排列,一一对应。即每根光纤在出射端和入射端的几何位置的排列应完全一致。
3、光纤束的每根光纤的端面都可看作是一个取样孔,各自携带着一个像元。入射图像可看作是由许多亮度不同的像元所组成,光纤束则可看作由若干个取样孔规则排列的析像器,它按自己排列的规律性,把入射图像分成和取样孔数目相等的像元。像元的大小等于取样的孔径,每根光纤都通过自己的取样孔而独立地传递一个像元。
4、在理想情况下,光线在光纤出射端的出射角与从光纤入射端的入射角的绝对值相等,其符号由全内反射次数的奇偶而定。奇数次符号为正,偶数次符号为负。这一性质对传递图像十分有用。
以上条件决定了光纤束把一幅图像从一端传至另一端时,保持图像不变形。例如,入射端图像是由多个像元组成的“┻”形,经传像束传至出射端的图像仍是相同的“┻”形。
光纤内窥镜的光学系统
光纤内窥镜,简称内镜或纤镜。其光学系统通常包括照明系统、观察系统和照相记录系统等部分组成。
1、照明系统主要有光源、导光束、凹透镜等部分。外部光源发出的光经导光束传至内窥镜先端部的一个凹透镜上,经凹透镜发散,以获得更宽广的照明视场。
2、观察系统主要有直角屋脊棱镜、成像物镜、传像束、目镜等部分。成像光线进入观察系统,首先经直角屋脊棱镜将光线作 90°转向后射至成像物镜,并由该物镜成像在传像束的一个端面上,再经光纤束传到其另一端,从目镜后即可看到清晰的物像。
3、作照相记录时,上述观察系统中的目镜则起到照相机镜头(即照相机物镜)作用。当调整好焦距,按下照相机快门按钮,即可将像记录在照相底片上。
目前已研制出各种用途的医用光纤内窥镜。除胃镜外,还有膀胱镜、直肠镜、食道镜、支气管镜、腹腔镜、结肠镜、小儿专用内窥镜等。
检查时，把光纤束经过合适的途径插入体腔，外部高强度冷光源发出的光通过导光束传至内窥镜的先端部，经导光窗口射出，照亮体腔内部需要观察的部位，,观察到的图像通过观察窗棱镜改变方向后，,由物镜成像在传像束的端面上，再经传像束传至目镜，供医生观看或作照相、摄像。
由于内窥镜的光纤束具有细软、弯曲灵活等优点，即使是插入人体体腔的复杂部位，操作起来也比较方便。
内窥镜的应用范围很广，其附件也在不断完善。例如，作胃镜检查时,如需取活检，可使用活体取样钳，在直视下钳取组织标本。有的还配有 ph 计,可直接测出食道或胃粘膜的 ph 值。内窥镜上还可安装放射线探测器，可对某些早期癌症做出诊断。另外,内镜也可用于治疗。对于在以往必须通过手术才能治疗的病症，如用内窥镜，则可减轻手术给病人造成的痛苦。在内窥镜下对局部止血,可避免手术下止血的复杂过程，这对减轻病人痛苦具有明显效果。
配有大功率激光传输的内窥镜,可进行内腔激光治疗。如对肠腔组织增生的肠息肉,使用激光内窥镜可以方便地将其切除。
光纤技术的在军事领域的应用
光纤技术的军事通信应用
光纤技术在陆上的军事通信应用主要包括三个方面：1）战略和战术通信的远程系统；2）基地间通信的局域网；3）卫星地球站、雷达等设施间的链路。
自从“信息高速公路”概念的出现，美国就在军用信息高速公路的发展中走在了世界各国的前面。1992年6月，美国参谋长联席会议下发了名为“武士 C4T”的关于美军21世纪通信和协同作战总体规划的框架文件。
“武士C4T”计划的目标是按军用“信息高速公路”的要求，建立一个全球性的实时军用通信网，即称为“信息球”的全球通信网。它将是一个连通士兵、指挥所和各种传感器的指挥网，是一个反应灵敏的C8系统。它的基础网就是国防信息系统网（DISN），由地面及卫星的军用和民用通信系统所构成。
C3I系统是光纤技术在美国空军中应用的最大项目之一。美国GTE公司从美国空军获得了MX导弹发射场C3系统的合同，用光缆作为作战控制中心、地区支援中心、导弹掩体和维护设施之间的互连线路，线路总长15000km，连接4800处有人和无人值守场所的5000多台计算机。
美军还提出了在主要的军用门道配置军用卫星和光缆双重链路的设想，以便利用这两种通信方式工作特点和性能特点的互补性，保障危机情况下战略和战术综合通信的抗毁性。
光纤技术在雷达和微波系统的应用
由于光纤传输损耗低、频带宽等固有的优点，光纤在雷达系统的应用首先用于连接雷达天线和雷达控制中心，从而可使两者的距离从原来用同轴电缆时的300m以内扩大到2～5km。用光纤作传输媒体，其频带可覆盖X波段（8～12.4GHz）或Ku波段（12.4～18GHZ）。
光纤在微波信号处理方面的应用主要是光纤延迟线信号处理。先进的高分辨率雷达要求损耗低、时间带宽积大的延迟器件进行信号处理。传统的同轴延迟线、声表面波（SAW）延迟线、电荷耦合器件（CCD）等均已不能满足要求。静磁波器件和超导延迟线虽能满足技术要求，但离实用化尚很遥远。
光纤延迟线具有损耗低（在1～10GHz频段内，单位延迟时间的损耗仅O.4～O.1dB／ps），时间带宽积大（达104～106 ），带宽宽（＞10GHz）等优点，且动态范围大，三次渡越信号小，实现彼此跟踪的延迟线相当容易，而且能封装进一个小型的封装盒。
光纤技术在相控阵雷达的应用还包括用光纤延迟线在光控相控阵雷达波束形成所需的相移。在电光相控阵发射机中采用集成光学进行波束形成，用光纤技术进行天线的灵活遥控。利用光纤色散棱镜技术的宽带光纤实时延迟相控阵接收机等。其中，除光纤延迟线外，光纤耦合器、波分复用／解复用器、集成光学、偏振保持光纤、高色散光纤、光纤放大器、光纤光栅等先进的光纤元器件技术得到了应用。
光纤制导导弹
美国陆军的光纤制导导弹项目主要用于反坦克和反武装直升飞机。早期设计的射程仅10km。美国海军的项目则主要用于空对空、空对地及舰对舰作战。
光纤制导导弹不仅受到美国军方的重视，德国也进行了开发研究，并得到了法国的合作，意大利也加入其中，三国共同制定了三边光纤导弹计划。
其中Polypheme 20型用于对付师级装甲车、直升机，可装在轻型或高机动车辆上，射程为15km；Polypheme60型用于杀伤纵深特定的固定或低机动性的目标，射程为60km；Polypheme SM型用于潜艇水下数百米深处发射，反直升机或飞机，射程为10km。
光纤系绳武器
光纤遥控战车是用一根光缆系留到基地站拖车上的高机动性多用途轮式车辆，可将各种侦察装置、传感器及武器送到危险战区，执行诸如侦察、探雷、排雷、清除障碍和弹药补给等任务。
由美国海军海洋系统中心和Sandia国立研究所联合研制的遥控飞行器是一种用光纤系留的涵道风扇式装置，通过电视实施侦察任务，其活动范围达4000m。
使用系留光缆的气球载雷达侦察系统也得到了迅速发展，气球升空高度600m～6000m，有效载荷100kg～2000kg，持续滞空时间15～3O天，可起到类似高空预警机的功能。
光纤遥控水下深潜器也称水下机器人或无人潜艇，有拖曳式和系留式两种。通过装备不同的设备可进行地形测绘、调查打捞沉船和坠海飞机、营救潜艇、反潜监听装置布设、探测和排除水雷、自主布雷和水下诱饵等。
光纤水听器系统
光纤水听器是利用光纤技术探测水下声波的器件，它与传统的压电水听器相比，具有极高的灵敏度、足够大的动态范围、本质的抗电磁干扰能力、无阻抗匹配要求、系统“湿端”质量轻和结构的任意性等优势，因此足以应付来自潜艇静噪技术不断提高的挑战，适应了各发达国家反潜战略的要求，被视为国防技术重点开发项目之一。
光控飞行
由于电磁干扰、电磁脉冲、高强度无线电频率以及新的威协（如直接能量武器）会严重威胁配备电控飞行的飞行器的飞行安全，因此人们不得不采取适当的屏蔽措施，但这样将造成重量的增加，而光控飞行可起到一箭双雕的作用。
对于战术飞机来说，如用光控飞行替代电控飞行，重量约可节省90～317kg，而且，光纤系统不仅可进行飞行控制，还可用来控制和监测飞行器的子系统，机载光纤系统在“隐形”飞机中也很重要，因为机内长达数公里的电缆的噪声辐射将成为辐射源而易被雷达所发现，采用光纤系统则不存在这个问题。
光纤技术在安防监控领域的应用
进入21世纪以来，伴随着数字信号处理(DSP)技术和光纤传感技术的发展，一种全新的安防技术：光纤监控技术，在全球得到关注，并在欧美等国迅速得到推广应用。这种技术和现有的各种基于传统电磁效应，以点状布设为特点的监控技术不同，它采用了光纤作为侵入信号传感监测和信号传输合一的外部布设器件，通过光纤打造全方位传感网络，实现多区域、多形态(线形、面形、空间区域形)的振动探测以及语音拾取。
该类监控技术具备的突出特点包括：
1、具有隐蔽性，易于布设。光纤自身是线形的柔性介质，可以隐蔽地，且对建筑非破坏性地布设于多种环境与区域，布设方式灵活自由，可以全面补充文博安防系统的周界报警、通道报警与空间报警三道复核防线。其隐蔽性也大大降低了入侵人员对安防设备的警惕性。
2、具有突出的防破坏性。正是由于光纤采用了隐蔽布设的方式，同时技术原理也具有保密性，不像摄像头和红外拦阻线等传统技术为人熟知，易识别、回避和破坏;同时，光纤探头无电磁辐射，更抗电磁干扰，基于电磁和金属效应进行探测的普通检测装置难以发现光纤探头，因此，光纤监控技术被规避和损毁的可能性极低，防破坏性极强。
3、光纤具有无中继传输距离长的优点，对能源依赖小，整个监控区域布设的传感网络均无需要电力供应，因此大大降低了电子设备可能会对木质或其它材料结构建筑构成安全隐患的风险。而且现场不需电力供给的系统也不必担心拉闸断电对造成的安防系统瘫痪。
光纤传感系统不同于一般的线形或实物阻挡型探测系统易被避过的缺隙，光纤传感网络通过三维立体的协同感知功能，就像一张庞大的神经网络，从地上、地下以及空间进行语音拾取，能够准确的感知整个布设区域的异动以及声响，全方位的进行环境异动的入侵探测，并通过智能行为分析与模式识别，准确地进行分析判断，将可能产生误报的环境影响排除，保证系统作出高准确度的告知和报警。
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