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科技科普：小光纖大世界（一）、

來源：天生地海科普

發(fā)布時(shí)間：2019-12-05

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科技科普：小光纖大世界（一）、

前言

支撐現(xiàn)代社會生活最主要的兩個(gè)要素就是能源與信息，它們涉及國家的安全戰(zhàn)略與未來的發(fā)展空間。對信息的把控，目前西方國家無所不用其極。

在過去歷史中，人們的信息傳遞很不及時(shí)。馬拉松戰(zhàn)役之后，竟然要通過士兵跑上幾十公里來送信。在古代中國，修建了驛道，通過不斷換人換馬的方法，實(shí)現(xiàn)日行幾百里的信息傳遞。我們的祖先還發(fā)明了萬里長城和烽火臺，以便用最快的速度來通報(bào)邊境敵情。還有很多次，由于信息不暢，造成戰(zhàn)役失敗，比如滑鐵盧戰(zhàn)役，要是拿破侖有臺手機(jī)，也許戰(zhàn)斗結(jié)果就會完全不同。

因此，
實(shí)現(xiàn)迅捷的信息傳遞一直是人類追求的目標(biāo)。

今天，我們生活在一個(gè)信息大爆炸的時(shí)代，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和光通信技術(shù)的發(fā)展，我們獲取信息、傳遞信息變得異常便捷。通過電腦、PAD、手機(jī)，我們可以隨時(shí)隨地工作、學(xué)習(xí)、交友、看視頻，聽音樂、看新聞，購物，點(diǎn)外賣等等。我們還可以將照片、語音和視頻等數(shù)據(jù)傳遞到“云端”進(jìn)行存儲和處理，需要時(shí)再下載欣賞或使用。每天，我們產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)并在全球快速傳播。

可是，你們有沒有想過，這些信息是通過什么從一個(gè)地方傳到地球的另一個(gè)地方的呢？

信息社會我們隨時(shí)隨地都在獲取信息

01? 信息從哪里來

小朋友們一般都知道，信息是通過網(wǎng)絡(luò)來的。網(wǎng)絡(luò)又分為兩種，有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)。

通過天上的衛(wèi)星，人們實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程通訊。可是全球通過衛(wèi)星傳遞的信息量不到總信息量的1%。

地質(zhì)學(xué)家在野外作業(yè)或者艦船在海上航行，一般都要配置衛(wèi)星電話，平時(shí)可舍不得用，更不可能用來看視頻。只有在關(guān)鍵時(shí)候，才用來和外界通訊。主要原因還是因?yàn)樾l(wèi)星通信的帶寬還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，通訊費(fèi)也很貴。
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那么剩余的99%的國際數(shù)據(jù)流量通過什么來傳遞？答案是“光纖！”。
1、2018年全球生產(chǎn)的光纖可以繞地球12000圈。
2、中國的光纜總長度可以繞地球1100圈。
3、全球大約有378條海底光纜，總長度超過120萬公里。
只要看看這些數(shù)據(jù)，我們就能大體體會光纖在現(xiàn)代通信中的重要地位?？梢院敛豢鋸埖恼f，光纖是當(dāng)今社會的信息神經(jīng)。而且，隨著5G通信時(shí)代的到來，加上云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展，光纖通信的地位還會越來越重要。

02? 什么是光纖

在生活中有可能見到過光纖，比如光纖手電筒、光纖服裝、光纖音頻線、光纖照明等。但是人們還是會對光纖有很多誤解。
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首先光纖不是“光線”，它是一種多層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光材料，不是光本身。其次、它也不能被誤讀為“光釬”。

光纖通信的優(yōu)點(diǎn)：速度快、帶寬大、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾、重量輕。
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 各種結(jié)構(gòu)光纖

真正的光纖是什么樣子的呢？

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 光纖就是可以導(dǎo)光的纖維

真正的通信光纖我們平時(shí)很難看到，它們通常被深埋在地下或是海底。宋老師在課堂給大家展示了一段光纖。大家發(fā)現(xiàn)光纖非常小，無色透明，直徑和頭發(fā)絲差不多。
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?通信光纖及光纜

03? 光纖的傳光原理

根據(jù)斯涅爾定律（Snell’s Law）我們可以知道，當(dāng)光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)，存在一個(gè)特定的角度，當(dāng)光的入射角大于這個(gè)角度時(shí)，所有的光會被全部反射回來。這就是全反射角。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?全反射原理示意圖

宋老師用激光筆和水槽演示了什么是光的全反射，小朋友們看得津津有味。
如果我們留心觀察，在現(xiàn)實(shí)生活中也可以觀察到全反射現(xiàn)象。比如從魚缸下面或者從游泳池下面向上看，可以看到水面有清晰的倒影。以及音樂噴泉中燈光沿著水柱向任意方向傳輸。

全反射是一種無損耗的反射，如果排除材料引起的損耗，這樣通過多次全反射，光就可以沿著波導(dǎo)一直傳播下去了。

瑞士的克拉頓Daniel Colladon 利用水柱在1842年演示了“光管”。

人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，正常情況下光沿著直線傳遞，可是光也可以沿著彎曲水流的方向傳遞。如果這個(gè)水流足夠長，光就能夠沿著彎曲的方向傳遞很遠(yuǎn)。當(dāng)然，如果將水流換成細(xì)細(xì)的玻璃圓柱體，這樣光也可以在這個(gè)細(xì)細(xì)長長的圓柱體里無數(shù)次全反射，從而進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，這樣就形成了光纖。
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1926年, 貝爾德(J.L.Baird) 申請了采用玻璃纖維陣列應(yīng)用于電視成像的英國專利。該專利是用數(shù)千玻璃纖維組成的導(dǎo)光束來傳送圖片。1953年，荷蘭人荷爾(Van Heel)設(shè)計(jì)了有外包層的光纖。兩三年后，柯蒂斯(L. Curtiss)制作了第一個(gè)帶包層的光纖。1960年，Kapany 在他的論文里首次使用了“纖維光學(xué)”的詞。

1926年J.L.Baird
玻璃纖維陣列成像

1953年van Heel
外包層的光纖

04低損耗光纖的實(shí)現(xiàn)

光纖的基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生，但是還沒有產(chǎn)生真正的光纖，主要原因是當(dāng)時(shí)的玻璃傳輸損耗高達(dá)1000dB/km（而當(dāng)時(shí)的同軸電纜的損耗是5-10dB/km)。光在這樣的光纖中傳輸很快就會被損耗殆盡，根本不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

1966年高錕（Charles K. Kao）和他的導(dǎo)師 George Hockham共同發(fā)表一篇光纖通信史上最為重要的論文《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》，通過分析和實(shí)驗(yàn)指出，玻璃的損耗主要來源于雜質(zhì)的吸收，如果將玻璃中的雜質(zhì)濃度降低到1ppm（百萬分之一）就可以將光纖的損耗降低到20dB/km。但是，高錕的這個(gè)預(yù)言當(dāng)時(shí)并沒有受到重視，當(dāng)時(shí)幾乎沒人相信玻璃的損耗可以做到如此之低。
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通過高錕領(lǐng)獎(jiǎng)詞我們可以看到，從預(yù)言到最后實(shí)現(xiàn)其中經(jīng)歷了很多挫折，終于在Corning公司的合作下于1970年制作出了第一根真正的光纖。從此開辟了突飛猛進(jìn)的光纖通信時(shí)代。由于高錕在光纖及光纖通信領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，推動(dòng)了人類社會的巨大進(jìn)步，2009年他獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
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有時(shí)候我會想，中國人錯(cuò)過了三次工業(yè)革命和現(xiàn)代科技的產(chǎn)生與快速發(fā)展，但是在通信領(lǐng)域卻早早的做出了杰出貢獻(xiàn)，今天中國的華為在通信領(lǐng)域也世界領(lǐng)先。這也許在冥冥之中預(yù)示著中國將在信息時(shí)代會走在世界的前列。
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05? 光纖放大器

隨著制造工藝的不斷發(fā)展，光纖損耗不斷降低，最小損耗低至0.14dB/km。地球周長大約為4萬公里，光纖的傳輸損耗已經(jīng)非常低了，但是要全球傳輸還存在巨大困難。2萬公里的傳輸損耗大約有2800dB，因此，必須要采用基于摻鉺光纖放大器的中繼器。