隨著互聯網、大數據、云計算、人工智能等數字技術的加速創新，數據流量呈現指數級增長，對數據傳輸的速度和容量都提出了更高的要求。生活場景中，家庭上網從早期的電話撥號上網、ADSL寬帶接入、到小區寬帶接入，再到如今的光纖到戶，經歷了從有線到無線、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、抗電磁干擾能力強等優點，可以稱之為信息時代的“底座”，在信息化時代的今天顯得尤為重要。

那么，信號在光纖中是怎樣傳輸的呢？家中接入的光纖比頭發絲都細，為什么能夠讓網速更快呢？這篇文章讓你一讀便懂！

Part.1

最早的光通信：烽火狼煙

其實，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。漢時烽火由敦煌傳遞到長安需要60個小時，非常不便。

時間來到現代，華裔科學家高錕開創性地提出了光導纖維應用在通信上的基本原理，并描述了長程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結構和材料特性。他仔細地計算出如何通過光學玻璃纖維實現遠距離光傳輸，這一理論推動了以光纖作為光波傳輸媒介的通信方式——光纖通信的誕生，并不斷發展成為當今信息時代的“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：光能夠在光纖里面傳播，并且能夠承載大量信息。

Part.2

光的通道——光纖

在1841年，有兩位科學家做了一個簡單的實驗：在裝滿水的水桶上鉆一個孔，水流慢慢地從孔中流出，然后從小孔中將光射入水流，發現光線沿著水流的方向曲折傳輸，仿佛光被水流捕獲了。

這一現象背后的原理就是光的全內反射。光從水中射向空氣，當入射角大于某一角度時，折射光線消失，全部光線都反射回水中（如圖2中綠線所示）。回到上面科學家所做的實驗，在彎曲的水流里，光仍沿直線傳播，只不過在水流的內表面上發生了多次全反射，光線經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傳導光，實現光的彎曲傳播。但在光的全內反射原理被發現之初，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域，比如牙科醫生用彎曲的玻璃棒來把燈光導入病人的口腔中為手術照明。但這種玻璃棒由于所含雜質較多，對光線的吸收、散射等產生的損耗較大，很難用于長距離傳輸。

圖3 光在亞克力棍內的全反射

（圖片來源：維基百科）

Part.3

光纖為什么像絲織品一樣纖細？

光纖是光導纖維的簡稱，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的原因，就在于其能夠保證光在其中全內反射并降低光傳播的損耗。

1.確保光線的全內反射，減少傳播損耗；

光纖需要非常細，主要是為了確保光線能夠在光纖內發生全內反射。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。當光從光纖的核心進入包層時，入射角必須大于某個臨界角（臨界角是由光的波長、光纖材料的折射率等因素決定的）。只有當光線滿足這個角度條件時，它才會發生全反射，并反射回核心部分，沿著光纖傳播。

當光纖的直徑較小（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入核心區域，從而容易滿足全內反射的條件。光纖越細，光線進入核心的角度范圍就越大，光線在光纖內部傳播時更容易保持全反射，從而減少光的泄漏和損耗。如果光纖過粗，當光以較小的角度進入包層時，可能無法滿足全內反射條件，從而使光線逃逸，導致信號衰減。

圖4 光纖光纜

（圖片來源：veer圖庫）

2. 優化信號傳輸，讓光纖駛上“高速公路”

當光纖做得足夠細，不僅能夠滿足全內反射的需要，更能夠優化信號傳輸。

光在光纖中傳輸時，會以不同的電磁場分布形式存在，這些不同的分布形式就稱為模式。在大容量的通信系統中，多數使用單模光纖，它通過精確控制其光纖的直徑和折射率分布等參數，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，一般在8至10微米之間，就像一條極細的“高速公路”，只可供一種模式的光信號“行駛”。

因為一根光纖中只有一種模式的光在傳播，因此不同頻率成分的光不會因為傳輸速度不同而產生明顯的展寬造成相互干擾，從而保證了光信號的質量和傳輸距離；且光纖內壁特別光滑，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，使得光信號在傳輸過程中能量損失較小，能夠實現長距離的傳輸，通常單模光纖可以在不經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反射外，光纖中存在的微小雜質或結構會對光發生散射或吸收光，從而產生損耗，因此科學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，通過對光進行調制和解調，利用光的波長、頻率、振幅和相位等特性對信息進行編碼和解碼，能夠實現信息的大規模傳輸。

光信號本身并不攜帶信息，我們需要通過調制技術將信息嵌入到光波中，調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。

以光強為例，光強度不同可以代表二進制信號的0和1。通常，0代表沒有光信號（光強度為0），而1代表有光信號（光強度為某一特定值）。與此類似，信息的變化也可以通過光信號的頻率或相位變化來表示。現代光纖通信系統往往采用復合調制，即同時利用上述光的多種物理特性來增加數據傳輸的效率和容量，從而在同一頻帶上承載更多的信息。

當光信號到達接收端時，需要進行“翻譯”，從而將光信號中攜帶的信息提取出來，這一過程稱為解調。解調過程與調制過程正好相反，接收設備通過檢測光信號的變化（強度、頻率、相位等）來恢復原始的電信號。

圖5 信息互聯的未來

（圖片來源：veer圖庫）

光纖通過調制技術將信息編碼到光信號中，使光能夠承載數據并通過光纖中的全內反射傳輸，接收端通過解調提取信息。在信息時代的浪潮中，光纖通信如同一道無形的脈絡，默默地支撐著全球信息的流動。在這個信息日益成為核心資源的時代，光纖通信不僅是現代通信的“底座”，更是連接人與人、國家與國家之間的信息橋梁，引領我們邁向更加智能、更加互聯的數字未來。

出品：科普中國

作者：李瑱（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）

監制：中國科普博覽

本文僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場

本文首發于中國科普博覽（kepubolan）

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