“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。

光纤通信传输原理详解

图2 光纤光缆（图片来源于网络）

所谓光纤，光导纤维的简称，是一种由玻璃或者其他材料制成的光波导。光能够在光纤中传输最基本的原理就是全反射。 众所周知，全反射是当光从光密介质（折射率相对较高）入射到光疏介质（折射率相对较低）时，光不再发射折射，全部反射到原介质中去。 光纤最基本且最重要的原理已经讲完了，要求纤芯折射率n1>n2，其次反射角θ大于全反射临界角，这样才能保证光能够在光纤中一直传输下去（注：这里讲的都是阶跃型折射率光纤，就是最普通的光纤）。

图3 光纤的基本结构

那么第一个问题来了， 是不是只要满足全反射这个条件的光都能在光纤中传导下去？答案：不是，还需要满足一个条件：相位匹配条件 。怎么又是相位，哎，没办法，只要涉及到光，涉及到干涉，必定出现相位匹配这个东西！上一期非线性光学中也提到过相位匹配，干涉条件里面也有一项要求是相位差恒定。好，接下来进入高能时间。

首先，光纤中的光传输要求满足全反射条件，即图4中θi角要大于全反射临界角，那么是否所有大于全反射临界角入射的光线都能传输，换句话说，入射角度是否和相位匹配条件有关？好，接下来我们分析图4。

图4 光纤传输相位匹配计算

图4中绿色和紫色的表示某一个角度的一系列平行光，蓝色虚线是等相面（与入射光垂直），我们要的相位匹配条件就是让这系列平行光满足同相位，也就是BC和EF光程差走过的相位差要是2π的倍数，根据公式2π/λ×光程差=相位差，我们得到了以下公式：

上式中为什么多减了2项，那是因为全反射的时候，并不是在界面处就直接反射，而是存在倏逝波，会有一定的深度，这是会引起一定的相位变化，这个相位变化大小与两种材料的折射率有关，是个固定值，所以需要把2次反射的相位差给减掉。然后再根据几何原理计算BC-EF用纤芯直径d和入射角θi表示，于是得到如下公式：

好，公式结束，如果你没看懂，这个不重要，重要的是我们得到了这个相位匹配条件跟什么有关系， 显然，如果光纤确定的情况下（直径d和折射率n），不同的m值，会对应不同的入射角θi，这就是我们所说的多模（式） ，而且这个入射角是离散的。

图5 光纤不同模式光斑分布图（图片来源于网络）

反推，如何实现单模光纤？根据上面公式，让光纤纤芯直径d在某一个范围内，使得m取值只能等于0，不能等于1，那么这根光纤就是单模光纤。 所以正常情况下，单模光纤的纤芯直径较小，在4~10 μm；多模光纤的纤芯直径较大，在50 μm以上 。

光纤特性

前面阐述了光纤的传输原理，接下来再介绍光纤最重要的2个特性。第一个：损耗，即衰减。为什么光纤通信最近几十年才发展起来，因为之前光在材料中损耗太严重，导致没太大的利用价值，直到高琨先生实现了光波损耗在20 dB/km以下的光通信要求。

好，第二个问题来了， 光在光纤中传输的损耗是由什么造成的？很简单，大部分人都能想的到，可以分为三类：吸收、散射以及弯曲。

吸收损耗，就是指材料对光的吸收。制造光纤的二氧化硅材料本身就吸收光，所以会造成一部分的损耗，其次杂质对光的吸收，例如一些有害的金属杂质铜、铁、铬、锰等，所以通过对光纤材料的提纯，可以大大减低光纤的吸收损耗。石英光纤中还有个重要的吸收源：氢氧根（OH-），我们知道水在红外波段有吸收峰，所以氢氧根对光纤的影响也非常大，而且不易被清除。例如，在1.39 μm波段，含量仅为万分之一的氢氧根吸收损耗能高达33 dB/km。

散射，在第8期：光的散射中详细介绍过，光纤中也会有散射，包括瑞利散射，强光下的非线性散射：拉曼散射、布里渊散射等。这是正常的材料散射，另外还有一种就是波段散射，即因为光纤结构的不完善引起的散射衰减，比如光纤熔接时候的散射、光纤本身材质不均匀、有气泡等。

第三种：弯曲。弯曲为什么会产生损耗？因为光在光纤中传输是基于全反射原理，如果弯曲过度会造成弯曲部分会因为不满足全反射角的条件导致一部分光透射到包层中去，从而造成一部分光的损失。

好，前面讲了光的损耗，接下来讲另外一个特性：色散。色散，顾名思义，颜色散开了，也就是不同波长（频率）的光传播速度不一致，导致跑得不一样快，脉冲就会展宽。

图6 材料色散图（图片来源于网络）

其实色散可以分为三种：材料色散、模式色散、波导色散。图5就是材料引起的色散；模式色散是指在不同模式情况下，光走过的路程长短是不一样的，因此到达终点的时间不一致，这也会引起色散；最后一种波导色散是指在同一个模式下，一部分光（与频率无关，所以不是材料色散）因为在纤芯和包层没发生全反射，而在包层和涂覆层之间反射全反射，所以导致这部分光通过了包层然后再回到纤芯中传播，所以与另一部分同频率的光只在纤芯中传播的传输距离不一致，从而导致了同频率光的色散。

光纤传感与通信

接下来，让我们从理论回到现实中吧。光纤最初的用途是用来通信的，所以现在我们来回答第三个问题：通常我们会说，人太帅拖网速，啊不，网速（10M，20M，50M等）有快有慢，那这网速到底指的是什么，由什么决定？

举个例子，10M的带宽，下载速度就是10Mbit/s，对应网速就是1.25MByte/s。所以如果要提高网速，其实就是要增加光纤的带宽。那带宽又是啥？很好理解，带宽就是频率带的宽度，也就是光在光纤中传输的时候，我们最基本的要求肯定是传输信号要正确的，不能误码，否则不就出错了嘛。但是由于色散特性的存在，不同频率的光跑得不一样快，所以在时域频带会展宽，这导致各码元之间会重叠，为了保证正确性，就需要加大码元之间的时间间隔，自然会降低容量。 所以，影响光纤带宽的因素是光纤的色散特性，光纤的色散愈小，光纤的带宽愈宽。

最后一个问题，光纤除了传输光信号，还能用来做啥？用来做传感，检测各种物理条件。小的时候，我经常在想，你把光缆全部埋在地底下或者海洋底下，如果某一点坏了，你怎么知道哪里坏了？

图7 光纤瑞利散射回波信号图

从图7可以看到，利用瑞利散射的特性，我们可以得到散射回来光信号的分布图，损耗是随着距离增大逐渐增加的，如果在某一处有跳变，说明这个地方损耗比较严重，应该是节点之类的。如果在某个节点彻底断了，没有回波信号，那么根据距离=速度*时间的原理，通过测得这个点回来信号的时间，就能大致计算出这个断点的位置。

另外，光纤所在的外部环境：压力或者温度都会对光纤的衰减产生一定的影响，所以就可以利用这一特性来检测外部环境条件。以分布式布里渊散射传感为例，众所周知，当在强光作用下光纤会产生非弹性散射，包括布里渊散射，而布里渊散射会受到压力和温度的影响。所以，我们根据布里渊频移的量，就能得到一个方程，关于压力和温度的二元一次方程。如果要解出这二个变量，我们还需要再来一个不相关的函数，否则谁知道压力和温度这二个量变化的贡献大小。恰好，瑞利散射强度也会随着压力和温度的变化而变化，而布里渊散射的强度刚好是瑞利散射强度的常数（理论证明是一个定值）倍，这样联立这2个方程组，我们就能解出压力和温度这2个未知数。

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