上次小編講了《“光”究竟是個什么樣?xùn)|西》之后，很多同學(xué)對“光”有了興趣，這次講講“光”的應(yīng)用之一，也就是大家每天上網(wǎng)都離不開的光纖，為什么要用光纖？它又是如何工作的呢？
也許有人會說：我只用4G上網(wǎng)，不用光纖。其實不然，4G信號只是從基站到你的手機，基站到基站的連接全部是由光纖完成。你要是想從廣州到北京給朋友發(fā)一條消息，先用4G發(fā)到廣州的基站，然后通過光纖一路走到北京，再由北京的基站發(fā)送4G信號到對方的手機。即使你給廣州的朋友發(fā)消息，也離不開光纖，因為4G的基站覆蓋范圍不大（大約1-3公里），你們很可能處于不同基站的覆蓋下；而將來5G信號的基站覆蓋范圍可能只有100-300米，光纖的作用也愈發(fā)重要。
光能傳得很遠，且還很少衰減
所以為什么要用光纖來連接基站與基站呢？無線通信多方便啊，光纖還要挖了地埋進去。這就要說到通信帶寬的問題了，也就是常說的“網(wǎng)速”。
我們?nèi)粘Ｉ暇W(wǎng)可能體會不到光纖的優(yōu)越性，因為4G網(wǎng)已經(jīng)相當(dāng)快了。但4G速度快的代價是覆蓋范圍小，因為無線信號向四面八方擴散，顯然會很快地衰減，不能輸送到很遠的地方，換句話說，雖然我們用的4G網(wǎng)速很快，但一個基站只要管一塊小區(qū)域內(nèi)為數(shù)不多的人，所以實際提供的帶寬并不大。就好比你家里的路由器，自己用還挺快，但如果來了很多客人一起搶就會變卡；在人很密集的地區(qū)，手機信號也會很差。帶寬一定的情況下，用戶越少，分配到每個人的“網(wǎng)速”也就越大。所以4G網(wǎng)速快的前提是每個基站所要管的人不多。
而在背后支持全國299萬個4G基站的，正是深埋地下的光纖。之前的超能課堂已經(jīng)講過，無線信號的頻率較低，所能提供的帶寬也較小，目前最好的4G網(wǎng)絡(luò)帶寬也不過100Mbps，5G可以達到1Gbps，網(wǎng)線則最大可以達到10Gbps。而由于光的頻段極高（比如可見光的頻率為380-790THz），理論上能提供幾乎是無限大的帶寬，所以一根直徑為8微米的普通光纖，可以輕松達到10Tbps的帶寬，這是4G的十萬倍、5G帶寬的一萬倍！
目前的最好的光纖容量已經(jīng)可以達到560Tbps，這意味著一根光纖可以實現(xiàn)135億人同時通話，意味著如果你有一個8TB的超大移動硬盤，通過這根光纖只需要0.1秒的時間就可以將它全部寫滿（事實上硬盤的寫入速度這時會拖后腿）。而這還不足以真正體現(xiàn)光纖的優(yōu)越性！因為通訊中真正衡量通信質(zhì)量的不是帶寬，而是距離帶寬積，因為帶寬并不是恒定不變的，你所要傳輸?shù)木嚯x越遠，帶寬往往就會越低，所以4G、5G基站都要建的很多，它們不能傳的很遠。而光纖的帶寬幾乎不隨著距離的增大而衰減，這是使得光纖具有現(xiàn)實意義的真正原因。
那么光纖究竟是如何像電線一樣能把光傳得很遠而很少衰減呢？我們?nèi)粘５慕?jīng)驗，手電筒的光會很快散開，即使是目前準(zhǔn)直性最好的激光，也只能保持幾公里的距離，更別說把光纖彎來彎去還要能傳輸光了！
光纖傳輸?shù)脑砗芎唵危喝瓷?/strong>
其實光纖的原理很簡單，利用的就是我們生活中最簡單的折射現(xiàn)象。筷子插進水中會變彎，是因為筷子反射的光線在進入空氣時發(fā)生了折射，如下圖，由S點發(fā)出的光線，在人眼看來就好像是在S’一樣，這也是為什么看游泳池的水底好像總是很淺，跳下去才知道不是那么回事。
現(xiàn)在各位試想這樣一個情況，如果從水中往空氣射的這根光線和水面的夾角很小，會出現(xiàn)什么結(jié)果？
沒錯，按照折射的規(guī)律，當(dāng)這根光線過于傾斜的時候，就沒辦法再折射出去了！這種現(xiàn)象就叫全反射，所有能量都被反射而不會從邊界泄露（折射）出去。光纖就是這樣一種結(jié)構(gòu)以利用全反射來實現(xiàn)光的長距離傳輸。
水流模擬光纖實驗歷史上有一個很有名的實驗，1870年英國物理學(xué)家丁達爾在做光的全反射原理演講時，他做了一個簡單的實驗：在裝滿水的木桶上鉆個孔，然后用燈從桶上邊把水照亮，結(jié)果使觀眾們大吃一驚，人們看到放光的水從水桶的小孔里流了出來。各位如果有興趣，也可以自己做一個這樣的水流模擬光纖實驗。
導(dǎo)光的水流（來自丁達爾實驗）
光纖的結(jié)構(gòu)因此是超簡單，理論上有“水”和“空氣”就可以了，在光纖結(jié)構(gòu)中，“水”就是纖芯，“空氣”就是包層。
光纖纖芯的折射率高，就像水一樣，而包層的折射率低，就像空氣一樣，當(dāng)光在其中傳輸?shù)臅r候，滿足一定的角度關(guān)系，就會發(fā)生全反射現(xiàn)象，光就能很好地約束在光纖中而不泄露了。光纖的結(jié)構(gòu)因而也非常簡單，纖芯就是純度很高的石英玻璃，包層則是一些特殊工藝涂覆在纖芯上的化學(xué)材料，既可以滿足折射率全反射的光學(xué)要求，還能起到保護纖芯的作用，否則比頭發(fā)絲還細(xì)好多倍的玻璃纖芯很容易折斷。最外層的保護套則跟普通網(wǎng)線差不多。
電纜通信的中繼距離只有幾千米，因為長距離的電纜不可避免地會有很大的電阻導(dǎo)致電信號衰減；最長的微波通信（收音機）是 50 千米左右；而光纖通信系統(tǒng)的最長中繼距離已達 300千米，正是因為光纖對光的限制保護作用，使得在很長的距離內(nèi)光都很少衰減。
光通信的原理其實和所有其他通信是一樣的，因為光本身是電磁波——比如在網(wǎng)線中我們傳輸?shù)氖请娒}沖，而光通信就是把代表信息的電脈沖先注入到激光器中，通過電脈沖控制激光器的輸出光，就把信息調(diào)制到了光（載波）上，經(jīng)過光纖傳輸?shù)侥康牡兀侔压庵械男畔⒔庹{(diào)成電信號，就可以被我們的計算機識別了。
光纖的優(yōu)勢還很多
總結(jié)一下，因為用光作為信息的載體具有很高的頻率，所以光纖可以提供極高的帶寬；而光纖制備技術(shù)使得光能夠在光纖這種媒介中傳輸極遠的距離而很少衰減，所以光纖能夠用于鋪設(shè)光網(wǎng)絡(luò)。這就是光纖成為骨干網(wǎng)的最重要的原因。當(dāng)然光纖還有相當(dāng)多的優(yōu)點，隨便列舉一些：
1、抗電磁干擾能力強。對于通信系統(tǒng)而言，最主要的干擾是電磁干擾。電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設(shè)的，也不能在電氣鐵化路附近鋪設(shè)，因為電磁干擾會影響通信系統(tǒng)。光纖屬絕緣體，不怕雷電和高壓，電磁干擾不了頻率比它們高得多的光信號。據(jù)專家測算，如果在美國本土中心上空 463千米處爆炸一顆原子彈，1 秒鐘內(nèi)即可使全美國所有的電纜通信系統(tǒng)失效。但光纖通信線路卻照樣暢通無阻，基本不受影響。
2、保密性強。只要在電纜附近 (甚至幾公里以外) 設(shè)置一個特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的信息。無線電波更是在大氣中傳播，甚至充斥全球，很容易被人竊聽。光在光纖中傳輸時不會跑出光纖和向外輻射電磁波，要想獲取光纖中的信息，就必須破壞光纖，這樣就立刻被發(fā)現(xiàn)了。
3、體積小重量輕。電纜每米重11千克，而同等容量的光纜每米重90克，鋪設(shè)起來方便。
4、原材料成本低。電線主材：銅、鉛等有色金屬，預(yù)計只夠使用50年左右；光纖主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地殼的化學(xué)成分中占了一半以上，可以說是取之不盡、用之不竭。
光纖除了通信領(lǐng)域，還在其他很多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。比如激光手術(shù)時，有時需要手術(shù)的部位在人體腔道內(nèi)，這就要求激光能拐彎，就需要用到光纖了。
