隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等數(shù)字技術(shù)的加速創(chuàng)新，數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群腿萘慷继岢隽烁叩囊?。生活?chǎng)景中，家庭上網(wǎng)從早期的電話撥號(hào)上網(wǎng)、ADSL寬帶接入、到小區(qū)寬帶接入，再到如今的光纖到戶，經(jīng)歷了從有線到無線、從低速到高速的演變過程。
相較無線通信及較傳統(tǒng)的電纜通信來說，光纖通信具有通信容量大、傳輸損耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以稱之為信息時(shí)代的“底座”，在信息化時(shí)代的今天顯得尤為重要。
那么，信號(hào)在光纖中是怎樣傳輸?shù)哪?？家中接入的光纖比頭發(fā)絲都細(xì)，為什么能夠讓網(wǎng)速更快呢？這篇文章讓你一讀便懂！
Part.1
最早的光通信：烽火狼煙
其實(shí)，以光波作為信息載體的“光通信”，早在幾千年前就有了：我們的祖先通過烽火狼煙的方式借用光來傳播信息。但這種方式傳播的信息少，速度慢。漢時(shí)烽火由敦煌傳遞到長(zhǎng)安需要60個(gè)小時(shí)，非常不便。
時(shí)間來到現(xiàn)代，華裔科學(xué)家高錕開創(chuàng)性地提出了光導(dǎo)纖維應(yīng)用在通信上的基本原理，并描述了長(zhǎng)程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。他仔細(xì)地計(jì)算出如何通過光學(xué)玻璃纖維實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光傳輸，這一理論推動(dòng)了以光纖作為光波傳輸媒介的通信方式——光纖通信的誕生，并不斷發(fā)展成為當(dāng)今信息時(shí)代的“底座”。
圖1 “光纖之父”：高錕
（圖片來源：新浪新聞）
光纖通信之所以在信息時(shí)代具有如此重要的地位，是由其兩大核心決定的：光能夠在光纖里面?zhèn)鞑?，并且能夠承載大量信息。
Part.2
光的通道——光纖
在1841年，有兩位科學(xué)家做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)：在裝滿水的水桶上鉆一個(gè)孔，水流慢慢地從孔中流出，然后從小孔中將光射入水流，發(fā)現(xiàn)光線沿著水流的方向曲折傳輸，仿佛光被水流捕獲了。
這一現(xiàn)象背后的原理就是光的全內(nèi)反射。光從水中射向空氣，當(dāng)入射角大于某一角度時(shí)，折射光線消失，全部光線都反射回水中（如圖2中綠線所示）?；氐缴厦婵茖W(xué)家所做的實(shí)驗(yàn)，在彎曲的水流里，光仍沿直線傳播，只不過在水流的內(nèi)表面上發(fā)生了多次全反射，光線經(jīng)過多次全反射向前傳播。
圖2 光的全反射示意圖
（圖片來源：作者自制）
由此，人們想到了利用物質(zhì)傳導(dǎo)光，實(shí)現(xiàn)光的彎曲傳播。但在光的全內(nèi)反射原理被發(fā)現(xiàn)之初，由于光線的衰減速度很快，這一原理只能用于短距離傳播領(lǐng)域，比如牙科醫(yī)生用彎曲的玻璃棒來把燈光導(dǎo)入病人的口腔中為手術(shù)照明。但這種玻璃棒由于所含雜質(zhì)較多，對(duì)光線的吸收、散射等產(chǎn)生的損耗較大，很難用于長(zhǎng)距離傳輸。
圖3 光在亞克力棍內(nèi)的全反射
（圖片來源：維基百科）
Part.3
光纖為什么像絲織品一樣纖細(xì)？
光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，是由透明度極高的玻璃或塑料纖維和包裹它的材料組成的。纖的本義是絲織品，而光纖像絲織品一樣細(xì)的原因，就在于其能夠保證光在其中全內(nèi)反射并降低光傳播的損耗。
1.確保光線的全內(nèi)反射，減少傳播損耗；
光纖需要非常細(xì)，主要是為了確保光線能夠在光纖內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射。光纖的核心部分與外部包層之間的折射率差異，決定了光線的傳播路徑。當(dāng)光從光纖的核心進(jìn)入包層時(shí)，入射角必須大于某個(gè)臨界角（臨界角是由光的波長(zhǎng)、光纖材料的折射率等因素決定的）。只有當(dāng)光線滿足這個(gè)角度條件時(shí)，它才會(huì)發(fā)生全反射，并反射回核心部分，沿著光纖傳播。
當(dāng)光纖的直徑較小（通常為幾微米到幾百微米），它能夠保證光線以更合適的角度進(jìn)入核心區(qū)域，從而容易滿足全內(nèi)反射的條件。光纖越細(xì)，光線進(jìn)入核心的角度范圍就越大，光線在光纖內(nèi)部傳播時(shí)更容易保持全反射，從而減少光的泄漏和損耗。如果光纖過粗，當(dāng)光以較小的角度進(jìn)入包層時(shí)，可能無法滿足全內(nèi)反射條件，從而使光線逃逸，導(dǎo)致信號(hào)衰減。
圖4 光纖光纜
（圖片來源：veer圖庫）
2. 優(yōu)化信號(hào)傳輸，讓光纖駛上“高速公路”
當(dāng)光纖做得足夠細(xì)，不僅能夠滿足全內(nèi)反射的需要，更能夠優(yōu)化信號(hào)傳輸。
光在光纖中傳輸時(shí)，會(huì)以不同的電磁場(chǎng)分布形式存在，這些不同的分布形式就稱為模式。在大容量的通信系統(tǒng)中，多數(shù)使用單模光纖，它通過精確控制其光纖的直徑和折射率分布等參數(shù)，使得只有一種特定模式的光能夠在光纖中傳播。這種光纖中心玻璃芯很細(xì)，一般在8至10微米之間，就像一條極細(xì)的“高速公路”，只可供一種模式的光信號(hào)“行駛”。
因?yàn)橐桓饫w中只有一種模式的光在傳播，因此不同頻率成分的光不會(huì)因?yàn)閭鬏斔俣炔煌a(chǎn)生明顯的展寬造成相互干擾，從而保證了光信號(hào)的質(zhì)量和傳輸距離；且光纖內(nèi)壁特別光滑，就像被打磨得無比平整的鏡子隧道一樣，能讓光在里面跑得又快又穩(wěn)，使得光信號(hào)在傳輸過程中能量損失較小，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離的傳輸，通常單模光纖可以在不經(jīng)過中繼放大的情況下傳輸幾十公里甚至上百公里。
除了光纖的直徑影響全內(nèi)反射外，光纖中存在的微小雜質(zhì)或結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)光發(fā)生散射或吸收光，從而產(chǎn)生損耗，因此科學(xué)家們采用高純度的硅材料（如石英）來制作光纖以降低損耗。
Part.4
光是如何承載信息的？
諸如烽火狼煙此類借用光傳遞信息的方式傳播信息少、速度慢。而在光纖通信中，通過對(duì)光進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，利用光的波長(zhǎng)、頻率、振幅和相位等特性對(duì)信息進(jìn)行編碼和解碼，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的大規(guī)模傳輸。
光信號(hào)本身并不攜帶信息，我們需要通過調(diào)制技術(shù)將信息嵌入到光波中，調(diào)制過程就是利用光的各種物理特性（如頻率、幅度、相位等）來編碼信息的過程。
以光強(qiáng)為例，光強(qiáng)度不同可以代表二進(jìn)制信號(hào)的0和1。通常，0代表沒有光信號(hào)（光強(qiáng)度為0），而1代表有光信號(hào)（光強(qiáng)度為某一特定值）。與此類似，信息的變化也可以通過光信號(hào)的頻率或相位變化來表示。現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)往往采用復(fù)合調(diào)制，即同時(shí)利用上述光的多種物理特性來增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎腿萘?，從而在同一頻帶上承載更多的信息。
當(dāng)光信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)，需要進(jìn)行“翻譯”，從而將光信號(hào)中攜帶的信息提取出來，這一過程稱為解調(diào)。解調(diào)過程與調(diào)制過程正好相反，接收設(shè)備通過檢測(cè)光信號(hào)的變化（強(qiáng)度、頻率、相位等）來恢復(fù)原始的電信號(hào)。
圖5 信息互聯(lián)的未來
（圖片來源：veer圖庫）
光纖通過調(diào)制技術(shù)將信息編碼到光信號(hào)中，使光能夠承載數(shù)據(jù)并通過光纖中的全內(nèi)反射傳輸，接收端通過解調(diào)提取信息。在信息時(shí)代的浪潮中，光纖通信如同一道無形的脈絡(luò)，默默地支撐著全球信息的流動(dòng)。在這個(gè)信息日益成為核心資源的時(shí)代，光纖通信不僅是現(xiàn)代通信的“底座”，更是連接人與人、國家與國家之間的信息橋梁，引領(lǐng)我們邁向更加智能、更加互聯(lián)的數(shù)字未來。
出品：科普中國
作者：李瑱（中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）
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