早在1966年,英國標準電信研究所的英籍華人高錕博士(現為美籍)就發表了關于通信傳輸介質的論文,指出利用玻璃纖維進行信息傳輸的可能性和技術途徑,預言只要在光纖制造過程中消除金屬離子雜質,制造出20dB/km衰減的光纖就可以用于通信之中。1970年美國康寧玻璃公司(Corning Glass Co.)用化學氣相沉積法制造出第一根低損耗石英光纖,使長距離傳輸成為可能。這一成就立即得到各國的廣泛重視,掀起了研究光纖通信的熱潮。自1976年美國西屋電氣公司在亞特蘭大成功地進行了世界上第一個以44.736Mb/s的速率傳輸110km的光纖通信系統的現場實用化試驗以來,光纖通信技術從實驗室走向產業,迅速發展,年產值逾千億元,并成為信息時代的支柱產業之一。
隨著光纖技術的發展,人們發現,光波在光纖中傳播時,表征光波的特征參量(如振幅、頻率、相位、偏振等)會因外界因素(如溫度、壓力、電場、磁場、位移等)的作用而直接或間接地發生變化,因此可將光纖用做敏感元件來探測各種物理量,從而使光纖技術領域增添了一個新的重要分支——光纖傳感技術。由于光纖傳感器具有其他類型傳感器無可比擬的優勢,如本征絕緣、抗電磁干擾和分布式傳感的特性,使得光纖傳感器及系統尤其適應易燃易爆、高危險特種行業安全生產監測的需要。目前,伴隨光纖通信產生的光纖傳感技術產業,在經歷了由零星研究走向集中開發,由軍用步入民用,由單點監測走向分布式網絡監測之后,近年來已涉及國防軍事、航空航天、工礦農業、能源環保、生物醫學、計量測試、自動控制及家庭生活等各個領域。
光纖是實現信息獲取和大容量信息傳輸的重要媒介,因此各所高等院校相關專業普遍開設有光纖技術系列課程。為幫助相關專業的學生將所學專業基礎知識與今后從事實際工作所需的基本技能有效地銜接,編者結合自身多年講授光纖光學、光纖通信、光纖傳感等理論和實驗課程的經驗及建設實驗室的經歷編寫了本書。本書力求通過主要概念和一系列實驗來闡述光纖技術的基本原理和應用技能,使學生在熟悉理論背景知識的基礎上通過實驗切實掌握光纖技術的實際知識和技能。
本書分為6章: 第1章為光纖技術實驗基礎,簡要介紹光纖結構及傳輸特性,光纖通信和光纖傳感相關的基礎知識; 第2章為光纖操作及傳輸特性測試實驗,主要講述光纖的基本操作技能與傳輸特性參數測試,包括了光纖的熔接,光纖與光源的耦合,光纖數值孔徑、損耗和色散的測量以及光纖偏振狀態的控制; 第3章為光器件特性參數測試實驗,包括光纖連接器、分路器、隔離器、光調制器、摻鉺光纖放大器等常用光器件特性參數測量,通過這些基礎實驗可以幫助學生加深對光器件原理及其特性的掌握; 第4章為光纖通信實驗,主要包括光端機的原理和特性、光纖模擬和數字傳輸系統、波分復用和時分復用傳輸系統以及光分插復用傳輸等,通過這些實驗闡述光纖通信的基本原理和傳輸技術; 第5章為光纖傳感實驗,主要通過若干基本的光纖傳感實驗和典型的光纖傳感產品來闡述光纖技術在傳感方面的主要應用; 第6章為光纖技術實驗中常用的儀器儀表,主要介紹光纖技術中常用的一些儀器儀表,包括光纖熔接機、光時域反射儀、光纖光譜儀、光源與光功率計等,通過本章學習,學生可掌握這些常用儀器儀表的基本構成、工作原理及其相關操作。
本書由武漢理工大學理學院胡昌奎和黎敏負責編寫,其中,華中科技大學光學與電子信息學院的劉冬生副教授和華為技術有限公司的曾華榮也參與了部分章節的編寫工作,全書由胡昌奎負責統稿。本書在編寫過程中參閱了大量文獻資料和實驗指導書,并經過武漢理工大學理學院電子信息科學與技術專業和光電信息科學與工程專業師生的多次試用和修改,在此對有關老師和同學的幫助一并表示感謝。
本書的編寫工作得到了武漢理工大學實驗室條件建設項目和“專業綜合改革試點”項目的支持,在此表示衷心的感謝。
由于編者水平有限,書中難免存在不足之處,希望廣大讀者批評指正。
編者2015年1月