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光纤技术在物联网中的应用

2013-08-12 16:58
林契于宸
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光纤技术在物联网中的应用

  摘要:本文提出一种以光纤在线(in line)传感、光纤传输以及与以光纤为高速信道的互联网的结合、而形成的“三纤合一”的物感网络技术,构成“光纤物感网” 即“光纤(有线)物联网”。它与无线物联网组合在一起,实现人类社会物理系统与互联网虚拟世界的完整整合,构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。

  (一)光纤技术的历史回顾

  瑞典皇家科学院2009年10月6日宣布,将2009年诺贝尔物理学奖授予包括英国华裔科学家高锟在内的3位科学家。

  高锟先生,1933年生于中国上海,1957年和1965年分别取得英国伦敦大学电机工程学士和博士学位,曾任香港中文大学校长。世称“光纤之父”。

  信息传输自古至今都是人们生活不可或缺的一部分,从古代社会的烽火台到邮驿,再到19世纪人们发明了电报、电话等通过电子媒介进行信息传输;随着人们对信息需求的不断提高,人们越来越迫切需要寻找到一种高速、便捷、传输距离长同时还要兼具制造成本低廉的信息传输媒介。1935年在美国纽约和费城之间敷设了第一根用于长途通信的同轴电缆。在上世纪50 ~ 60年代期间,为了进一步探索未来大容量通信的传输线路,业界曾致力于毫米波H01 型模的金属园波导管及超导同轴电缆的探索与开发,但均未获得突破。

  1966年,在英国ITT标准电信实验室(此为ITT在欧洲的核心研究机构)工作期间,高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文,开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理,描述了长途及高信息量光通信所需介质纤维的结构和材料特性。当时, 主流学者的共识是;玻璃中光损耗太高,光纤虽然可用在短短的胃镜导管上,但用于长距离通信根本不可能。高锟先生却不信其邪。他对通信系统详细分析后指出;当光损耗下降到20dB/Km时,玻璃纤维就有实用价值。他通过对光在玻璃纤维中吸收、散射和弯曲损耗机理的深入分析后得出结论:只要解决好玻璃纯度和成分等问题,用熔石英制作的光学纤维可以成为实用的光通信传输媒质。这一设想提出之后,有人称之为匪夷所思,也有人对此大加褒扬。但在争论中,高锟的原创性工作在全世界掀起了一场光纤通信的革命。

  在高锟原创性理论的推动下,4年后,美国康宁公司的工程天才Robert D. Maurer于1970年设计和制成世界上第一根低损耗石英光纤(损耗为20dB/Km,波长为0.63 μm)。他采用的方法,是在一根芯棒上气相沉积石英玻璃,随后抽去芯棒,将玻璃管烧缩成光棒后拉成光纤。气相沉积时通过改变玻璃组分,形成高折射率的纤芯和低折射率的包层的光纤波导结构,此光纤波导结构被一直沿用至今。

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