超能課堂：「光」還能傳數據？看看光纖是如何來通訊的

上次小編講了《「光」究竟是個什麼樣東西》之後，很多同學對「光」有了興趣，這次講講「光」的應用之一，也就是大家每天上網都離不開的光纖，為什麼要用光纖？它又是如何工作的呢？

也許有人會說：我只用4G上網，不用光纖。其實不然，4G信號只是從基站到你的手機，基站到基站的連接全部是由光纖完成。你要是想從廣州到北京給朋友發一條消息，先用4G發到廣州的基站，然後通過光纖一路走到北京，再由北京的基站發送4G信號到對方的手機。即使你給廣州的朋友發消息，也離不開光纖，因為4G的基站覆蓋範圍不大（大約1-3公里），你們很可能處於不同基站的覆蓋下；而將來5G信號的基站覆蓋範圍可能只有100-300米，光纖的作用也愈發重要。

光能傳得很遠，且還很少衰減

所以為什麼要用光纖來連接基站與基站呢？無線通信多方便啊，光纖還要挖了地埋進去。這就要說到通信帶寬的問題了，也就是常說的「網速」。

我們日常上網可能體會不到光纖的優越性，因為4G網已經相當快了。但4G速度快的代價是覆蓋範圍小，因為無線信號向四面八方擴散，顯然會很快地衰減，不能輸送到很遠的地方，換句話說，雖然我們用的4G網速很快，但一個基站只要管一塊小區域內為數不多的人，所以實際提供的帶寬並不大。就好比你家裡的路由器，自己用還挺快，但如果來了很多客人一起搶就會變卡；在人很密集的地區，手機信號也會很差。帶寬一定的情況下，用戶越少，分配到每個人的「網速」也就越大。所以4G網速快的前提是每個基站所要管的人不多。

而在背後支持全國299萬個4G基站的，正是深埋地下的光纖。之前的超能課堂已經講過，無線信號的頻率較低，所能提供的帶寬也較小，目前最好的4G網路帶寬也不過100Mbps，5G可以達到1Gbps，網線則最大可以達到10Gbps。而由於光的頻段極高（比如可見光的頻率為380-790THz），理論上能提供幾乎是無限大的帶寬，所以一根直徑為8微米的普通光纖，可以輕鬆達到10Tbps的帶寬，這是4G的十萬倍、5G帶寬的一萬倍！

目前的最好的光纖容量已經可以達到560Tbps，這意味著一根光纖可以實現135億人同時通話，意味著如果你有一個8TB的超大移動硬碟，通過這根光纖只需要0.1秒的時間就可以將它全部寫滿（事實上硬碟的寫入速度這時會拖後腿）。而這還不足以真正體現光纖的優越性！因為通訊中真正衡量通信質量的不是帶寬，而是距離帶寬積，因為帶寬並不是恆定不變的，你所要傳輸的距離越遠，帶寬往往就會越低，所以4G、5G基站都要建的很多，它們不能傳的很遠。而光纖的帶寬幾乎不隨著距離的增大而衰減，這是使得光纖具有現實意義的真正原因。

那麼光纖究竟是如何像電線一樣能把光傳得很遠而很少衰減呢？我們日常的經驗，手電筒的光會很快散開，即使是目前準直性最好的激光，也只能保持幾公里的距離，更別說把光纖彎來彎去還要能傳輸光了！

光纖傳輸的原理很簡單：全反射

其實光纖的原理很簡單，利用的就是我們生活中最簡單的折射現象。筷子插進水中會變彎，是因為筷子反射的光線在進入空氣時發生了折射，如下圖，由S點發出的光線，在人眼看來就好像是在S』一樣，這也是為什麼看游泳池的水底好像總是很淺，跳下去才知道不是那麼回事。

現在各位試想這樣一個情況，如果從水中往空氣射的這根光線和水面的夾角很小，會出現什麼結果？

沒錯，按照折射的規律，當這根光線過於傾斜的時候，就沒辦法再折射出去了！這種現象就叫全反射，所有能量都被反射而不會從邊界泄露（折射）出去。光纖就是這樣一種結構以利用全反射來實現光的長距離傳輸。

水流模擬光纖實驗

歷史上有一個很有名的實驗，1870年英國物理學家丁達爾在做光的全反射原理演講時，他做了一個簡單的實驗：在裝滿水的木桶上鑽個孔，然後用燈從桶上邊把水照亮，結果使觀眾們大吃一驚，人們看到放光的水從水桶的小孔里流了出來。各位如果有興趣，也可以自己做一個這樣的水流模擬光纖實驗。

導光的水流（來自丁達爾實驗）

光纖的結構因此是超簡單，理論上有「水」和「空氣」就可以了，在光纖結構中，「水」就是纖芯，「空氣」就是包層。

光纖纖芯的折射率高，就像水一樣，而包層的折射率低，就像空氣一樣，當光在其中傳輸的時候，滿足一定的角度關係，就會發生全反射現象，光就能很好地約束在光纖中而不泄露了。光纖的結構因而也非常簡單，纖芯就是純度很高的石英玻璃，包層則是一些特殊工藝塗覆在纖芯上的化學材料，既可以滿足折射率全反射的光學要求，還能起到保護纖芯的作用，否則比頭髮絲還細好多倍的玻璃纖芯很容易折斷。最外層的保護套則跟普通網線差不多。

電纜通信的中繼距離只有幾千米，因為長距離的電纜不可避免地會有很大的電阻導致電信號衰減；最長的微波通信（收音機）是 50 千米左右；而光纖通信系統的最長中繼距離已達 300千米，正是因為光纖對光的限制保護作用，使得在很長的距離內光都很少衰減。

光通信的原理其實和所有其他通信是一樣的，因為光本身是電磁波——比如在網線中我們傳輸的是電脈衝，而光通信就是把代表信息的電脈衝先注入到激光器中，通過電脈衝控制激光器的輸出光，就把信息調製到了光（載波）上，經過光纖傳輸到目的地，再把光中的信息解調成電信號，就可以被我們的計算機識別了。

光纖的優勢還很多

總結一下，因為用光作為信息的載體具有很高的頻率，所以光纖可以提供極高的帶寬；而光纖製備技術使得光能夠在光纖這種媒介中傳輸極遠的距離而很少衰減，所以光纖能夠用於鋪設光網路。這就是光纖成為骨幹網的最重要的原因。當然光纖還有相當多的優點，隨便列舉一些：

1、抗電磁干擾能力強。對於通信系統而言，最主要的干擾是電磁干擾。電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設的，也不能在電氣鐵化路附近鋪設，因為電磁干擾會影響通信系統。光纖屬絕緣體，不怕雷電和高壓，電磁干擾不了頻率比它們高得多的光信號。據專家測算，如果在美國本土中心上空 463千米處爆炸一顆原子彈，1 秒鐘內即可使全美國所有的電纜通信系統失效。但光纖通信線路卻照樣暢通無阻，基本不受影響。

2、保密性強。只要在電纜附近 (甚至幾公里以外) 設置一個特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的信息。無線電波更是在大氣中傳播，甚至充斥全球，很容易被人竊聽。光在光纖中傳輸時不會跑出光纖和向外輻射電磁波，要想獲取光纖中的信息，就必須破壞光纖，這樣就立刻被發現了。

3、體積小重量輕。電纜每米重11千克，而同等容量的光纜每米重90克，鋪設起來方便。

4、原材料成本低。電線主材：銅、鉛等有色金屬，預計只夠使用50年左右；光纖主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地殼的化學成分中佔了一半以上，可以說是取之不盡、用之不竭。

光纖除了通信領域，還在其他很多領域都有重要應用。比如激光手術時，有時需要手術的部位在人體腔道內，這就要求激光能拐彎，就需要用到光纖了。

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