“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。

光通信之光纤光缆篇科普贴

光纤是5G发展背后的骨干力量。

光纤光缆行业属于传统通信制造业，经过长期发展已基本形成光纤预制棒-光纤-光缆-光网络产品的产业链。2018年以来光纤光缆产量下滑，但5G建设的推进将为光纤光缆带来新的市场需求。由于4G建设进入尾声，5G建设尚未大规模推进，2018年以来光纤光缆需求有所下降，当年全国光缆产量为3.17亿芯公里，较2017年下降7.24%，2019年1-10月同比降幅达17.90%。

2019年我国开启5G商用，中国移动、中国电信和中国联通用于5G建设的资本开支计划分别为240亿元、90亿元和60-80亿元。截至2019年10月底全国三大运营商已开通5G基站8.6万个，2019年年底将超过13万个，相关建设将于2020年达到高峰。

未来5G需要更密集的基站，预计5G基站的数量将是4G的4-5倍，因而5G对于光纤光缆的需求也将数倍于4G。 此外，根据国资委等部门印发的《深入推进网络提速降费加快培育经济发展新动能2018专项行动的实施意见》，国家将加快推进5G产业技术发展，推动形成全球统一5G标准，为5G发展提供政策支撑。随着5G建设高峰的到来，预计2020年光纤光缆需求将回暖。

光纤和5G之间的关系

我们知道3G和4G网络需要每隔数英里设置一座宏基站，而宏基站通常部署在高塔上或建筑物的屋顶。在宏基站网络中，由于信号受到阻挡，网络覆盖往往存在缺口，因此需要额外部署小型基站，来填补或增强对用户的覆盖。

5G网络需要使用更加紧密的无线电天线网络，才能实现大量连接、低延迟和高连接速度。尽管可能存在许多变数，但在某些情况下，可能需要每隔500英尺或更短的距离部署5G小型基站。通过在更小的面积内部署更多的基站，也就形成了一个更稠密、更快速、更连通的网络。那么，无线网络在变得越来越密集时会发生怎样的变化？简而言之，无线网络正在“玻璃纤维化”——其中加入了更多的光纤。由此形成的先进通信网络使光纤能够进一步深入到城市和社区之中，并延伸至街道设施和建筑立面。

4G光纤和5G光纤的区别：

先借用下面分析光纤企业财报的下滑原因的图：

​ 上图可知，4G的覆盖率已经超过98%，那么5G还需要光纤吗？

首先5G技术是一种空口技术，而5G的整体组网分为无线接入网、承载网、核心网。

5G的无线接入网就是大家比较熟悉的基站部分，而承载网则是把无线接入网的数据传输到核心网的中间传输部分，这一块还是主要以光纤传输为主，可能会有部分的微波传输做为辅助。

​ 可以说，如果没有中间的光纤承载的话，5G空口速度再快也是没有用的。而且，未来的5G组网CU/DU分离后，在整个5G组网中，前传(RRU/AAU到DU)、中传(DU到CU)、回传(CU到核心网)都需要光纤网络的支持。

在5G提升信号性能的同时，光纤宽带的性能也在不断提升，所以，光纤宽带将仍然是未来家用宽带的主流模式。

还有一个就是基站之间还是要用光纤来连接从而实现5G的通信功能。

5G时代，互联网的数据传输绝大部分都是建立在光纤骨干网上的。5G的无线，解决的仅仅是基站到用户端那一小段数据传输，基站到基站，基站到骨干网，还是依赖于光纤。而且如果采用的是SA组网，还要独立铺设光纤光缆，对于光纤的需求量还是蛮大的。

光纤的应用：

光纤的应用​

光纤收发用一体的模块，就是光模块，后续细分文章会单独讲解光模块。

光模块

光纤的光缆分为海底光缆和陆地光缆。

普通光缆是在陆地上使用的，在传输距离、外层保护以及施工上都不如海缆严苛。所以，会制造普通光纤的企业也很多。但普通光纤是无法适用于海底严苛环境的。而且，在海底光缆的制造过程中，为了长距离传输性能得到保证，需要光纤的拉丝工艺水准非常高。拉丝塔的建设就必不可少。所以，有能力做海底光缆的企业，都会在沿江沿海地区盖很高的拉丝塔建设厂房，然后生产出来的产品直接传输上铺设船。

具体细节很多，就不概述了，总之：

1、光缆不是电缆

2、海底光缆比普通光缆制造门槛高

3、深海（越洋）光缆比一般海底光缆门槛更高

海缆属于光电线缆中技术门槛很高的产品，由于生产工艺复杂、技术难度大、风险高，称为线缆制造皇冠上的明珠，长期以来被欧美和日本厂商垄断。目前，亨通、中天、通光在深海海缆制造方面已经实现突破、完成了5000米深海测试，而华为在海缆传输领域的光通信技术方面具有全球领先的技术水平，具备了跨洋海缆总承包交付能力和经验。

​海底光缆，尤其是随着一带一路发展的深海光缆铺设，会凸显两种稀缺。一种是制造、铺设深海光缆的核心企业溢价。另一种是深海光缆的投资运营企业溢价。

亨通光电海底光缆项目

亨通还收购华为海洋，所以亨通现在是国内和国际上海底光缆上中游能力都具备的厂商。

鹏博士海底光缆项目

光纤行业的企业财报对比：

从各光通信企业的2019年三季报财报来看：无论营收还是利润都缩水很多：

长飞光纤：

长飞光纤三季报

亨通光电：

亨通光电三季报

通鼎互联：

通鼎互联三季报

特发信息：

特发信息三季报

中天科技：

中天科技三季报​

光纤光缆企业2019年业绩下滑原因分析：

导致营收和利润缩水的最主要原因还是上半年光纤光缆集采价格出现滑铁卢和断崖式下降，但是集采数量跟去年比没太大变化。

3月12日，中国移动发布了2019年普通光缆产品集采中标公告，此次采购规模约331.20万皮长公里（折合1.05亿芯公里），但价格同比去年的60多元直接跌到了30多元，中标的厂商不仅利润会断崖式下降，甚至可能会亏钱接订单。

随后4月24日，中国电信启动2019年度室内光缆及引入光缆集采项目，集采量基本与上年持平。但是从公布的中标候选人来看，价格也差不多下降了一半。

这主要有两方面原因造成：

一方面，2018年年底我国光纤宽带接入网和4G移动通信基站的建设基本完成，行政村光纤和4G网络覆盖率超98％，光纤光缆需求量逐渐趋向饱和。

4G光纤覆盖率

另一方面，5G商用初期建网并不深入，运营商对光纤光缆需求也不强烈，导致光纤光缆出现供大于求和光纤光缆价格下滑的现象。 事实上，中国移动2018年只进行了一次普通光缆集采，总量达1.1亿芯公里，这时供过于求的局面就已经出现了。随着5G的建设期的到来，5G对于光纤光缆的需求也将数倍于4G。

光纤光缆企业目前的布局：

面对压力，光通信企业纷纷转型，围绕5G开展“军备竞赛”，同时布局新兴业务进行多元化发展。5G已成为全球科技竞争制高点，一场覆盖全球的5G竞赛已经展开。为了抓住机遇，光通信企业也提前布局，例如：

长飞光纤 的5G全联接战略，其涵盖全场景、优品质、高效率三个方面，能提供覆盖从骨干网到接入网的全系列光纤产品，形成5G端到端的全场景联接方案；还开发了G.654.E新型光纤、高密度小型化光缆、全干式光缆等多种针对5G铺设场景的产品。

亨通光电 这几年在通信产业上的布局均是围绕5G开拓，有围绕5G通信的高密度、大容量光纤连接器、有源光模块产品及IDC系统集成方案；合作开发的一体化边缘数据中心项目顺利通过验收。

通鼎互联 收购UTS，主攻通信设备，而UTS拥有行业领先的4G和5G承载网设备解决方案的优势，有望助攻通鼎互联在5G大赛中取得一席之地。

中天科技 也根据5G架构延伸产品覆盖面，与中国铁塔成立联合实验室，重点在5G室分覆盖、新能源等领域展开深入合作。

在布局5G同时，光通信企业也在布局新兴业务寻找更多的发展机会。 例如：

长飞光纤 在围绕5G发展时，面向电力的光纤应用、数据中心、工业互联网等发展相关多元化业务；

亨通光电 正积极布局战略新兴业务，加快拓展海洋通信与电力市场；

通鼎互联 在做强传统光纤光缆产业的同时，新增了宽带接入、软件定义网络、网络信息安全、大数据等四大细分领域，以加速转型步伐；

中天科技 重点是光纤行业，其次是线缆行业。产业链也是非常齐全的，是南通最大的企业，年销售超过500多个亿也一直从事智能制造，这里面包含一些核心元素，比如说中天互联科技有限公司包括以下四家公司：一、建设运营工业互联网。二、中天智能装备有限公司，三、中天科技华宇智者能够科技有限公司，四、中天软件技术有限公司。具体也不详细概述。

2019光纤光缆企业大事件：

今年4月举行的2019年信息社会世界峰会（WSIS）上，中国联通携手亨通光电提交的基于量子加密干线的数据加密防泄漏防篡改网络系统 在建立使用ICT的信息和安全性类别中荣获最高奖项 ，这也是我国在2019年WSIS 18个类别中唯一获得最高奖项的项目。 据了解，该项目已拥有多项应用案例，包括京雄量子加密视频会议系统、苏州金融量子加密专线、苏州量子加密政务网等，双方计划未来将进一步扩展量子通信节点数量 ，打造京津冀及长江三角洲量子加密通信环网，并实现南北的全线贯通。

2019年6月，亨通光电正式启动发行股份及支付现金收购华为海洋51%股份事项，业内颇为震动，终于在12月13日该项目顺利通过中国证监会上市公司并购重组审核委员会审核。

华为海洋是全球第四大海底电缆工程商，主要从事全球海缆通信网络的建设。对于亨通来说，收购华为海洋，也将改变国内甚至全球海缆格局。

今年9月6日，通鼎互联宣布以现金4922万美元（约合3.29亿元人民币）收购美国纳斯达克上市公司UTS26.05%股份的交易已完成交割。今年9月6日，通鼎互联宣布以现金4922万美元（约合3.29亿元人民币）收购美国纳斯达克上市公司UTS26.05%股份的交易已完成交割。

本次交易将使得通鼎互联的通信产品解决方案更加全面。同时，未来在5G领域，UTS将有助于通鼎互联加码面向5G设备领域的产品布局，把握5G网络建设的市场机遇。另外，通过UTS的海外市场地位，通鼎互联也可以将其在国内具有竞争力的成熟通信产品线导入国际市场，提升国际市场竞争力。

2020年光纤光缆行业的产能：

2020光纤企业产能​

在5G建设高峰到来的背景下，虽行业产能继续扩张，但由于需求提升且光缆集采价格已接近供应商成本价，2020年集采价格继续下降的可能性不大。

光纤未来的可能方向：

光纤+AI​

未来，各项服务将生成海量数据，而5G需要借助光纤来传输这些数据。尽管全球各地的运营商都将有自己的部署方法，但是它们都不约而同地将光纤作为首选介质。

#光纤# #光缆#

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