光纤工作波段的简明科普

光纤通信，就是利用光作为信息载体，在纤芯中传输，进行通信。

然而，并不是所有的光，都适合光纤通信。光的波长不同，在光纤中的传输损耗就不同。

光纤的核心——纤芯（石英纤维）

为了尽可能减小损耗，保证传输效果，科研工作者一直在致力于寻找最合适的光。

上世纪70年代初，光纤通信开启实用化落地的进程。当时主要的研发对象，是多模光纤。

多模光纤的纤芯直径更大，容许不同模式的光在一根光纤上传输。

最早被使用的光，是波长为850nm的光，这个波段（band），也被直接称为850nm波段 。

后来，到了70年代末80年代初，单模光纤开始了大规模的应用。

经过测试，工程师们发现，1260nm~1360nm波长范围的光，由色散导致的信号失真最小，损耗最低。

所以，他们将这一波长范围采纳为早期的光通信波段，并命名为O-band （O波段）。O，是“Orignal（原始）”的意思。

此后的三四十过年，经过漫长的摸索和实践，专家们逐渐总结出一个“低损耗波长区域” ，也就是1260nm~1625nm区域。 这个波长区域范围的光，最适合在光纤中传输。

这个区域被进一步划分成了五个波段，分别是O波段，E波段，S波段，C波段和L波段。

随着技术的不断演进变化，专家们还验证了光纤传输损耗和光波波长之间的规律，如下图所示：

最常用的波段，被称为C波段 （1530nm~1565nm）。C，是“conventional（常规）”的意思。

C波段表现出的损耗最低，被广泛用于城域网、长途、超长途以及海底光缆系统。WDM波分复用系统中，也经常用到C波段。

C波段旁边的L波段 （1565nm~1625nm），是损耗第二低的波段，也是行业的主流选择之一。当C波段不足以满足带宽需求的时候，也会采用L波段作为补充。L，是“long-wavelength（长波长）”的意思。

S波段 （1460nm~1530nm），也就是“short-wavelength（短波长）”波段，光纤损耗比O波段要高一些。它经常被用于PON（无源光网络）系统的下行波长。

PON就是家庭光纤宽带的那套系统。 它的上行波长为1310nm，下行波长为1490nm。

最后再来看看E波段 。

这个波段有点特别，它是五个波段中最不常见的波段。E，是“extended（扩展）”的意思。

大家观察刚才那张波长和损耗关系图时，会发现，E波段有一个明显的不规则激凸。

那是因为1370-1410nm波段，氢氧根离子（OH-）吸收，所以损耗急剧加大。这也被称为水峰 。

早期的时候，因为工艺限制，光纤玻璃纤维中，经常残留有水（OH基）杂质，导致E波段的衰减最高，无法正常使用。

后来，玻璃制作过程中的脱水技术发明，E波段中最常用的光纤（ITU-T G.652.D）的衰减变得比O波段低。（这类光纤也被称为低水峰光纤或无水峰光纤。）

然而，由于在2000年之前安装的许多现有光纤光缆在E波段都显示出高衰减，因此，E波段在光通信中仍有一些使用方面的限制。

除了以上波段之外，其实还有一个波段会被用到，那就是U波段 （ultra-long-wavelength band，超长波段：1625-1675 nm）。U频段则主要用于网络监控。

汇总一下，如下表所示：

好了，以上就是光通信波段的简单介绍，都是很基础的内容，希望对大家有所帮助！

关于频率（波长）与穿透、绕射能力的关系，终于有人能说明白了

关于电磁波频率（波长）和信号覆盖能力之间的关系，很多人都存在疑问。

有人说，电磁波的频率越高，穿透力越弱，所以覆盖能力差。那么就有人问，X射线和γ射线频率高，不是用于医学摄片和金属设备探伤吗？

也有人问，频率越高，穿透能力越弱，为什么可见光的频率那么高，却可以穿透玻璃呢？

总而言之，众说纷纭，谁也说不清楚，到底频率和穿透能力之间是什么样的关系。

今天这篇文章，我们就详细解释一下这个问题。

首先，我们要澄清一些基本概念。

什么是电磁波？大家可能觉得，电磁波不就是光波和电波么，扭来扭去的那种正弦图形，就是电磁波。

电磁波

严格来说，电磁波是以波动形式传播的电磁场。相同方向且相互垂直的电场和磁场，在空间中传播的震荡粒子波，就是电磁波。

电磁波的传播，不依赖于介质，就算在真空中，也可以传播。

太阳光，就是电磁波的一种可见的辐射形态。无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线，都是电磁波。它们的主要区别，就是频率不同。

大家切记，水波、声波不是电磁波，而是机械波。它们是需要实体介质的，一个点上下运动，带动下一个点运动，形成了波。

机械波

所以，请不要把电磁波想象成真的有那么一个正弦曲线在空间中扭动！

电磁波的类别和用处很多，为了避免发散，我们先仅限于讨论移动通信中的电磁波传播。

也就是说，我们重点讨论：电磁波信号由天线发出之后，究竟如何才能传播更远的距离？

电磁波的传播，有以下几种机制：直射、反射和衍射（绕射）。

A点到B点，如果没有障碍物，那么就是直射。它们之间只有空气。

现实中的环境不会那么简单，周围总会有一些障碍物，于是，会有一些反射。它们之间，还是空气为主。

信号会发生叠加，产生快衰弱（瑞利衰落）

如果有障碍物，那么问题出现了，信号该怎么过去呢？

除了借助环境物体进行反射之外，就只剩两个选择，一个是衍射（绕射），一个是直接穿透过去！

关于衍射，如果你的物理知识还没还给老师的话，应该记得“小孔成像”吧？

衍射，指的是波（如光波）遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。也就是说，电磁波具备“绕开”障碍物的能力。波长越长（大于障碍物尺寸），波动性越明显，越容易发生衍射现象。

再来看穿透。穿透这个比较麻烦。它包括了3个过程。

第一步，是障碍物表面。

电磁波从空气到障碍物（也就是导体），需要用外面的电场和磁场感应出介质里面的电场和磁场。

基于经典电磁波理论，电磁波在不同介质的传播速度，取决于介质（障碍物）的介电特性和介磁特性。如果介质是理想导体，导电性能特别好，那么，电场在该理想导体内部永远为0，就不能产生电场。

所以，如果障碍物是理想导体，所有的电磁波都会反射回去。

对于非理想导体（大部分介质），电磁波在表面上分成折射和反射的两部分。两部分的比例跟波速、入射角有关，而波速又跟频率有关。所以，经过介质表面时，电磁波信号就已经衰减掉一部分了。

好了，接下来是第二步，电磁波折射的一部分终于进入介质内部。

介质分为均匀介质和不均匀介质。我们先说均匀介质。

大部分介质不是理想导体或良导体，而是绝缘体或者有不同电阻率值的导体。

电磁波在绝缘体中的传播较为顺畅。像玻璃，就是一种非常典型的绝缘体。光线在玻璃中传播时，吸收率很低，所以玻璃看着就很透明。

很多晶体，例如食盐晶体、冰糖晶体，还有纯净的水结成的冰，都和玻璃类似。

最典型的就是光纤。光在光纤中，可以传输几十公里。

光纤的纤芯

电磁波在有不同电阻率的导体中传播，可以使用麦克斯韦方程式进行计算。具体怎么算，我就不解释了。

我们可以简单来理解：

电磁波是电场和磁场的传播，波峰和波谷是电场的两个极值。

当电磁波频率越高，则波长越短，波峰和波谷离得越近，介质某一点附近电场的差异就越大，相应电流就越大，所以损耗在介质里的能量就越多。

所以，相同前提条件下，在有电阻率的导体中，频率越高的电磁波，衰减得就越快。

比较典型的例子就是深海中的潜艇。潜艇都是使用长波或超长波与岸上基地进行通信的。因为无线信号的频率很低，在水中的衰减会更小。

对于不均匀介质，这个问题就更复杂了。

电磁波在不均匀介质中传播，等于是在不同介质之间反复地发生折射、反射、衍射。传播的路径更加复杂，最终射出的方向也非常复杂。过长的路径，也会带来更大的衰减（损耗）。

典型的例子是墙面，不管是钢筋混凝土墙面，还是砖砌墙面，都是不均匀介质，电磁波传播过程中，就有不同程度的衰减。

第三步，从介质到空气，又是一波折射和反射。

综上所述，大家应该明白，为什么频率越高的电磁波，穿透障碍物的能力越弱了吧？

我们家里使用的Wi-Fi，现在都有2.4GHz频段和5GHz频段。大家用过的话，应该都知道，5GHz信号的穿墙能力明显弱于2.4GHz信号。

还有我们昨天文章所说的毫米波，也是一样的道理。相同条件下，毫米波信号穿透障碍物的衰减，明显会大于Sub-6GHz的信号。

值得一提的是，不均匀介质的信号衰减程度，和介质颗粒度也有关系。如果这个颗粒打得很碎，颗粒很小，那么，对于低频电磁波来说，由于波长远大于颗粒尺寸，整体上电磁波的衰减会更小一些。

那么很多人会问，为什么高能射线例如X射线频率那么高，穿透力却很强呢？

这里面的原因很复杂。简单来说，对于这些频率极高的电磁波，经典的电动力学不能完全成立。

这是什么鬼理由？

这么说吧，X射线除了频率高之外，还有一个特性，那就是能量极强。

X射线照在介质上时，仅一小部分被介质的原子“挡住”，大部分经由原子之间的缝隙“穿过”，从而表现出很强的穿透能力。

那么，为什么像铅块这样的重金属可以有效阻挡X射线呢？因为铅块的原子序数较高，密度大，原子结构更紧密，不容易“穿透”。

好啦，文章写到这里，就要结束了。关于电磁波的波长频率与穿透能力的关系，大家都搞明白了吗？

参考文献：

1、https://www.zhihu.com/question/51073615/answer/124484551 知乎，灵剑

2、https://www.zhihu.com/question/330291086/answer/725442889 知乎，一头大考拉

3、《X射线穿透能力为什么这么强？》，无损检测站

来源： 鲜枣课堂

编辑：Quanta Yuan

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