“光”还能传数据？看看光纤是如何来通信的

上次小编讲了《“光”究竟是个什么样东西》之后，很多同学对“光”有了兴趣，这次讲讲“光”的应用之一，也就是大家每天上网都离不开的光纤，为什么要用光纤？它又是如何工作的呢？

也许有人会说：我只用4G上网，不用光纤。其实不然，4G信号只是从基站到你的手机，基站到基站的连接全部是由光纤完成。你要是想从广州到北京给朋友发一条消息，先用4G发到广州的基站，然后通过光纤一路走到北京，再由北京的基站发送4G信号到对方的手机。即使你给广州的朋友发消息，也离不开光纤，因为4G的基站覆盖范围不大（大约1-3公里），你们很可能处于不同基站的覆盖下；而将来5G信号的基站覆盖范围可能只有100-300米，光纤的作用也愈发重要。

光能传得很远，且还很少衰减

所以为什么要用光纤来连接基站与基站呢？无线通信多方便啊，光纤还要挖了地埋进去。这就要说到通信带宽的问题了，也就是常说的“网速”。

我们日常上网可能体会不到光纤的优越性，因为4G网已经相当快了。但4G速度快的代价是覆盖范围小，因为无线信号向四面八方扩散，显然会很快地衰减，不能输送到很远的地方，换句话说，虽然我们用的4G网速很快，但一个基站只要管一块小区域内为数不多的人，所以实际提供的带宽并不大。就好比你家里的路由器，自己用还挺快，但如果来了很多客人一起抢就会变卡；在人很密集的地区，手机信号也会很差。带宽一定的情况下，用户越少，分配到每个人的“网速”也就越大。所以4G网速快的前提是每个基站所要管的人不多。

而在背后支持全国299万个4G基站的，正是深埋地下的光纤。之前的超能课堂已经讲过，无线信号的频率较低，所能提供的带宽也较小，目前最好的4G网络带宽也不过100Mbps，5G可以达到1Gbps，网线则最大可以达到10Gbps。而由于光的频段极高（比如可见光的频率为380-790THz），理论上能提供几乎是无限大的带宽，所以一根直径为8微米的普通光纤，可以轻松达到10Tbps的带宽，这是4G的十万倍、5G带宽的一万倍！

目前的最好的光纤容量已经可以达到560Tbps，这意味着一根光纤可以实现135亿人同时通话，意味着如果你有一个8TB的超大移动硬盘，通过这根光纤只需要0.1秒的时间就可以将它全部写满（事实上硬盘的写入速度这时会拖后腿）。而这还不足以真正体现光纤的优越性！因为通讯中真正衡量通信质量的不是带宽，而是距离带宽积，因为带宽并不是恒定不变的，你所要传输的距离越远，带宽往往就会越低，所以4G、5G基站都要建的很多，它们不能传的很远。而光纤的带宽几乎不随着距离的增大而衰减 ，这是使得光纤具有现实意义的真正原因。

那么光纤究竟是如何像电线一样能把光传得很远而很少衰减呢？我们日常的经验，手电筒的光会很快散开，即使是目前准直性最好的激光，也只能保持几公里的距离，更别说把光纤弯来弯去还要能传输光了！

光纤传输的原理很简单：全反射

其实光纤的原理很简单，利用的就是我们生活中最简单的折射现象 。筷子插进水中会变弯，是因为筷子反射的光线在进入空气时发生了折射，如下图，由S点发出的光线，在人眼看来就好像是在S’一样，这也是为什么看游泳池的水底好像总是很浅，跳下去才知道不是那么回事。

现在各位试想这样一个情况，如果从水中往空气射的这根光线和水面的夹角很小，会出现什么结果？

没错，按照折射的规律，当这根光线过于倾斜的时候，就没办法再折射出去了！这种现象就叫全反射 ，所有能量都被反射而不会从边界泄露（折射）出去。光纤就是这样一种结构以利用全反射来实现光的长距离传输。

水流模拟光纤实验历史上有一个很有名的实验，1870年英国物理学家丁达尔在做光的全反射原理演讲时，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮，结果使观众们大吃一惊，人们看到放光的水从水桶的小孔里流了出来。各位如果有兴趣，也可以自己做一个这样的水流模拟光纤实验。

导光的水流（来自丁达尔实验）

光纤的结构因此是超简单，理论上有“水”和“空气”就可以了，在光纤结构中，“水”就是纤芯，“空气”就是包层。

光纤纤芯的折射率高，就像水一样，而包层的折射率低，就像空气一样，当光在其中传输的时候，满足一定的角度关系，就会发生全反射现象，光就能很好地约束在光纤中而不泄露了。光纤的结构因而也非常简单，纤芯就是纯度很高的石英玻璃，包层则是一些特殊工艺涂覆在纤芯上的化学材料，既可以满足折射率全反射的光学要求，还能起到保护纤芯的作用，否则比头发丝还细好多倍的玻璃纤芯很容易折断。最外层的保护套则跟普通网线差不多。

电缆通信的中继距离只有几千米，因为长距离的电缆不可避免地会有很大的电阻导致电信号衰减；最长的微波通信（收音机）是 50 千米左右；而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千米，正是因为光纤对光的限制保护作用，使得在很长的距离内光都很少衰减。

光通信的原理其实和所有其他通信是一样的，因为光本身是电磁波——比如在网线中我们传输的是电脉冲，而光通信就是把代表信息的电脉冲先注入到激光器中，通过电脉冲控制激光器的输出光，就把信息调制到了光（载波）上，经过光纤传输到目的地，再把光中的信息解调成电信号，就可以被我们的计算机识别了。

光纤的优势还很多

总结一下，因为用光作为信息的载体具有很高的频率，所以光纤可以提供极高的带宽；而光纤制备技术使得光能够在光纤这种媒介中传输极远的距离而很少衰减，所以光纤能够用于铺设光网络。这就是光纤成为骨干网的最重要的原因。当然光纤还有相当多的优点，随便列举一些：

1、抗电磁干扰能力强。对于通信系统而言，最主要的干扰是电磁干扰。电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设，因为电磁干扰会影响通信系统。光纤属绝缘体，不怕雷电和高压，电磁干扰不了频率比它们高得多的光信号。据专家测算，如果在美国本土中心上空 463千米处爆炸一颗原子弹，1 秒钟内即可使全美国所有的电缆通信系统失效。但光纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。

2、保密性强。只要在电缆附近 (甚至几公里以外) 设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。无线电波更是在大气中传播，甚至充斥全球，很容易被人窃听。光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波，要想获取光纤中的信息，就必须破坏光纤，这样就立刻被发现了。

3、体积小重量轻。电缆每米重11千克，而同等容量的光缆每米重90克，铺设起来方便。

4、原材料成本低。电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用50年左右；光纤主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地壳的化学成分中占了一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭。

光纤除了通信领域，还在其他很多领域都有重要应用。比如激光手术时，有时需要手术的部位在人体腔道内，这就要求激光能拐弯，就需要用到光纤了。

光纤是如何传输信号的？

互联网这个词现在没人不知道，但是要问它是什么估计就说不清楚了，都知道它能上网干很多事情，还有利用互联网技术诞生了很多超级大公司，这就是我们对互联网的印象，互联网真的是像手机信号一样，看不见摸不着的吗？

其实互联网的传输除了我们知道的基站外，还有远距离传输的光缆，在洲际间连接的海底光缆，目前全球有多达380多条海底光缆，负责各大洲之间95%的语言和数据传输，我们在看国外一场足球比赛，电视节目，打越洋电话，还有用的网络都是通过海底光缆来传输的。

光缆是一种通讯电缆，由两个或者多个玻璃，塑料光纤芯及包裹层组成，光纤内部信号传输一般采用激光，它具有更高的速率，更大容量，长距离传输的特点。

单根光纤数据传输速率可达几Gbps，海底光缆的传输达到惊人的160TBps，在不使用信号放大器的情况下每次传输距离能达几十公里。（1G=1024M 1T=1024G）

光纤发展历史

古代没有互联网，没有光缆，要快速的传送信息就只有用飞鸽了。随着科学技术的飞速发展，人类已进入信息时代，随着信息量的增大增多，就要寻找一种新的传输方式，经过多年的研究，传输速度更快传输量更大，低损耗的光纤通讯诞生，从此人类跨入了光时代。

1870年英国物理学家发现光的全反射原理，为以后的光纤传输信号奠定了基础。

1880年发明了“光话机”是利用光束传输声波

1970年康宁公司研制出了衰减较小的石英玻璃光纤。

1980年第一条光缆开始商用

1988年连接英美的跨大西洋海底光缆铺设成功

1978年中国自行研制出通讯光纤

2005年超大容量的光纤通讯在上海到杭州开通

光纤工作原理

如果把互联网比作信息高速公路的话，光缆就好比是高速公路的基石，那么大容量的信息光缆是怎么高速远距离传输的嘞？

在发射端首先把要传输的信息（如话音）变成电信号，然后通过激光器发射到激光束上，光的强度会随电信号的频率一起变化，并通过光纤发射出去，在接收端，检测器受到光信号后把它变成电信号，经过处理后恢复原信息。

光纤内部用玻纤制成的光导纤维，可以把光信号传输到几千公里外，将几百上千根光导纤维组合在一起，制成像电缆一样的光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通讯容量。

光在不同物质中的传播速度是不一样的，所以从一种物质射到另一种物质时，两种物质的交界处会发生折射和反射，而且折射光的角度会随入射光的角度变化而变化，当入射光的角度达到或者超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。

光信号就是在光纤内经过一次次的折射传输到终点的，光信号在一次次折射后会分散或者衰减，就需要把光信号每50公里放大一次。

光纤的制造过程

首先将光纤预制棒的胚体，主要成分是高纯度二氧化硅，在1500度的温度里烧制成光纤预制棒。

经过20个小时后，高纯度的光棒烧制成功，将长3米直径20厘米光棒悬挂到拉丝炉内，可以在48小时内不间断拉丝7500公里，将一根退火管清理干净，以防止杂质和灰尘落到光纤上，光棒在2200摄氏度的高温下融化成软胚胎，经过1米长的退火管后，逐渐冷却成为直径0.1毫米的玻璃丝，收线机旋转带动光纤拉丝并完成光纤的收集。

光缆，光纤的区别

前面说了那么多，一会光纤一会光缆的，是不是看的有点懵，他们之间有啥区别呢？

光缆是由一定数量的光纤组成缆芯，外面包裹有护套和保护层，用于通讯，远距离大容量信息传输。

光纤是一种传输工具，就如同一根细细的塑料丝，很细的光纤会被封装在塑料套中，用作长距离的信息传递。所以光缆是包含光纤的。

最后再说一个电缆，电缆是由导电线芯，绝缘层，密封保护层组成，是以金属材料（大多为铜，铝）为导体，用与传输电力或者信息的导线，是由几根或者几组导线绞合而成，电缆多用于交通枢纽，变电站等地方，其实电线和电缆没有严格的界限，通常我们把直径小，电芯少的叫电线，直径大，电芯多，结构复杂的叫电缆。

这些年华为的手机业务发展迅猛，现在已经超越了苹果是全球第二大手机厂商，也许是因为华为在手机业务方面发展得太好了，已经掩盖住了公司主要业务：信息与通讯业务，在海底电缆工程领域，很多通讯技术都是由华为提供的，华为公司目前拥有几十个海底光缆项目，2015年到2020年华为铺设的海底光缆占全球1/4，惊叹！华为除了做手机，还有这么厉害的技术。

随着5G技术的发展，它用的是下一代蜂窝技术，采用微波传输，速度快覆盖面大，5G下载速度高达10Gbps比起当前的1000兆光纤更快，随着5G商用网络费用降低后，有人预言5G不但会淘汰WIFI还会淘汰传输速度更快的光纤，你觉得呢？

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