如今，高速光纖連接徹底改變了我們的生活、工作和溝通方式。全球?qū)捄拖到y(tǒng)可靠性不斷增長(zhǎng)的需求推動(dòng)了超大規(guī)模技術(shù)的不斷采用，可擴(kuò)展的全光纖網(wǎng)絡(luò)可在高峰需求時(shí)促進(jìn)無(wú)縫數(shù)據(jù)流。在深入研究光纖原理之前，我們先簡(jiǎn)要介紹一下從傳統(tǒng)銅基基礎(chǔ)設(shè)施過(guò)渡到現(xiàn)代光纖技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)銅纜的數(shù)據(jù)傳輸速度相比，光纖布線可提供更高的傳輸速度。當(dāng)然，這還是光纖全部?jī)?yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的銅布線不同，光纖以光而非電的形式傳輸數(shù)據(jù)，從而最大限度地減少緊湊布線管道和高密度網(wǎng)絡(luò)中的熱量問(wèn)題。此外，單根光纖可以將信號(hào)傳輸超過(guò)100 公里以上，而銅纜中的信號(hào)衰減則發(fā)生在100米左右。

毫無(wú)疑問(wèn)，光纖技術(shù)是未來(lái)高速、低延遲、超連接世界的支柱。為了解釋光纖的工作原理，并確定是什么使光留在光纖中，本文將簡(jiǎn)要介紹光纖技術(shù)的基本特征，匯集了相關(guān)的因素、過(guò)程和支撐互補(bǔ)技術(shù)的科學(xué)原理，這些互補(bǔ)技術(shù)推動(dòng)了光纖連接的未來(lái)前景。

光纜：結(jié)構(gòu)和組成

光纖電纜由三個(gè)關(guān)鍵部件組成。一是載光核心，接下來(lái)是包層，最后是保護(hù)性外涂層(也稱為護(hù)套)。光纖電纜的每個(gè)組件(或圓柱形層)在數(shù)據(jù)作為光信號(hào)的有效傳播中都有特定的用途。理解折射、折射率和全內(nèi)反射等術(shù)語(yǔ)有助于弄明白光纖中使用的材料的功能和用途。

光纜結(jié)構(gòu)：

核心

光信號(hào)穿過(guò)核心。核心由高度純化的二氧化硅 (SiO2) 和極少量的“摻雜劑”(例如鍺)組成，添加這些“摻雜劑”是為了調(diào)整折射率以獲得最佳的光傳輸。不同直徑的芯可用于不同的用途。例如，相對(duì)較窄的單模光纖直徑(通常約為 8-10 微米)將傳輸限制在單一、集中的路徑上，有助于保持長(zhǎng)距離信號(hào)保真度?；蛘?，短距離(例如，在建筑物內(nèi)或校園內(nèi))承載各種光信號(hào)的多模光纖需要 50+ 微米的直徑。

無(wú)論是單模還是多模，纖芯相對(duì)于包層較高的折射率是實(shí)現(xiàn)全內(nèi)反射的一個(gè)因素。

包層

包層圍繞核心。雙包層和三包層光纖服務(wù)于專門的高功率應(yīng)用(例如工業(yè)激光系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)，而單包層光纖電纜則服務(wù)于電信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等日常應(yīng)用。包層的主要目的是將光限制在纖芯內(nèi)。這是通過(guò)提供較低的折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)全內(nèi)反射來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

外層(或外套)

外層不直接與穿過(guò)芯的光相互作用。相反，外層提供機(jī)械強(qiáng)度和物理保護(hù)，防止可能降低光纖內(nèi)部材料折射率的環(huán)境因素。這些因素包括與天氣相關(guān)的進(jìn)水和極端溫度，以及安裝和移動(dòng)過(guò)程中的拉動(dòng)、彎曲和扭曲。這樣，堅(jiān)固的電纜護(hù)套有助于確保高效可靠的光傳輸。

為了更好地理解光如何在光纖中停留，我們必須開始將全內(nèi)反射、臨界角和折射率的關(guān)鍵概念聯(lián)系起來(lái)。

什么是折射?

折射描述了光穿過(guò)不同密度的介質(zhì)時(shí)方向的變化。例如，考慮用手電筒照射裝滿水的大玻璃碗。由于與照射到下方密度較大的水中的光相比，通過(guò)相對(duì)密度較小的空氣觀察到水線上方的光，因此光路的角度在進(jìn)入點(diǎn)處似乎發(fā)生了變化。當(dāng)光穿過(guò)不同密度的介質(zhì)時(shí)，光的方向發(fā)生變化稱為折射(參見下面的斯涅爾定律)。

什么是折射率?

繼續(xù)用手電筒照進(jìn)水中的例子，我們可能會(huì)問(wèn)這樣的問(wèn)題：“光總是以相同的角度折射嗎?”答案是否定的。光根據(jù)折射率以可計(jì)算的角度折射。通過(guò)了解例如水和空氣的折射率，可以將決定折射角的光學(xué)參數(shù)輸入到一個(gè)方程中，該方程顯示了室溫下預(yù)期折射的精確角度(在某些情況下，極端溫度會(huì)影響介質(zhì)密度)必須考慮)。

折射率與纖芯和包層有何關(guān)系?

從密度較大的介質(zhì)移動(dòng)到密度較小的介質(zhì)的光會(huì)偏離“法線”(即，在進(jìn)入點(diǎn)垂直于兩種介質(zhì)之間的界面的假想線)?；氐绞蛛娡驳睦?，我們可能會(huì)考慮將手電筒浸入水中，這樣光線現(xiàn)在必須從密度較大的水中傳播到密度較小的空氣中，模擬光穿過(guò)核心并進(jìn)入包層的情況。操縱手電筒的光束角超過(guò)“臨界角”會(huì)將光線反射到水中。同樣，穿過(guò)纖芯的光的角度必須超過(guò)臨界角，而包層必須提供比纖芯更低的折射率。

臨界角和全內(nèi)反射

光以超過(guò)臨界角的角度從較致密的介質(zhì)傳播到較不致密的介質(zhì)時(shí)將經(jīng)歷全內(nèi)反射。這是光反射到密度較大的主要介質(zhì)中并且不會(huì)進(jìn)入密度較低的次要介質(zhì)的地方。了解折射、折射率、臨界角和全內(nèi)反射的原理使工程師能夠選擇纖芯和包層材料以獲得最佳光纖性能。

斯涅爾定律：了解折射

支持可靠的現(xiàn)代光纖傳輸?shù)目茖W(xué)原理可以追溯到 1621 年，當(dāng)時(shí)荷蘭天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家Willebrord Snellius首次演示并推廣了折射定律的方程。然而，著名的歷史數(shù)學(xué)家此前曾提出過(guò)自己的折射理論，值得在此提及，其中包括大約生活在公元 100-170 年之間的古希臘托勒密，以及可能在 984 年證明了該方程的波斯科學(xué)家伊本·薩爾 (Ibn Sahl) 。

斯涅爾定律：

解釋: 斯涅爾定律準(zhǔn)確地確定了光在折射率已知的介質(zhì)之間傳播時(shí)發(fā)生的折射角。以下是方程中所表示的數(shù)學(xué)成分的簡(jiǎn)單細(xì)分：

n1—— 第一介質(zhì)的折射率

n2—— 第二介質(zhì)的折射率

θ1—— 入射角(即，光源角度與垂直于連接兩種介質(zhì)交點(diǎn)處的平面繪制的假想線之間存在的可測(cè)量角度)

θ2—— 折射角(即，進(jìn)入第二介質(zhì)的折射光與垂直于在交點(diǎn)處連接兩種介質(zhì)的平面繪制的假想線之間存在的可測(cè)量角度)

sin 是“ sine”的縮寫，是三角函數(shù)，用于將入射角和折射角與適當(dāng)介質(zhì)的各自折射率聯(lián)系起來(lái)。更簡(jiǎn)單地說(shuō)，sin 有助于計(jì)算一致的角度關(guān)系和波前行為，以及跨電信、成像系統(tǒng)和任何需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)光行為的科學(xué)儀器的工程應(yīng)用。

由于光纖技術(shù)在高效傳輸大量數(shù)據(jù)方面具有高帶寬、無(wú)與倫比的速度和性能可靠性，因此被廣泛應(yīng)用于許多常見應(yīng)用中。例如，光纖連接支撐著高速互聯(lián)網(wǎng)、電話網(wǎng)絡(luò)、基于云的服務(wù)和移動(dòng)通信。展望未來(lái)，對(duì)數(shù)據(jù)不斷增長(zhǎng)的需求將推動(dòng)我們?nèi)绾螌⒐饫w解決方案融入互聯(lián)社會(huì)的更大創(chuàng)新和進(jìn)步。

審核編輯 黃宇