光密光疏是如何被發現的？光密光疏是如何在20世紀迅速發展起來的？

怎樣判斷光密光疏介質

圖片來源：L-com

作者 | CEChina

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進入21世紀以來，伴隨著網際網路的發展，人類逐漸進入了真正的資訊化時代。在這個資訊爆炸的時代裡，我們每天的生活都會產生、傳輸大量的資料和資訊，傳統的電纜通訊無論從頻寬、損耗和抗干擾能力都是無法承載這樣的負荷的。

”

幸而，人類發明了光纖，並隨之開啟了光通訊的時代，打破了時代的瓶頸和壁壘。所以，如果羅列20世紀最重要的發明，光纖必然會有一席之地。當然，科學之路永遠是崎嶇艱辛的，從發現其物理現象到真正的廣泛應用，光纖的發展亦輾轉了一百多年的時間。

早在1840年，瑞士科學家丹尼爾·科拉登和法國科學家雅克·巴比內特向人們展示了光可以順著彎曲的水流在其中傳播的現象。

三十年後，英國著名科學家丁達爾將其總結為光的全反射原理——光從光密介質射向光疏介質時，當入射角超過某一角度C（臨界角）時，光線不再發生介質間的折射，而是全部反射回去。這就是光纖的理論基礎。

隨後的幾十年中，人們嘗試把玻璃作為光導介質，將其拉成長長的玻璃纖維，並在其外層附上包層防止光洩露，形成了光纖的基本形態。科學家開展各種實驗用光纖傳遞影象、聲音。

然而這些實驗雖然不斷向前推進，也在醫學內窺鏡等領域開始應用，但始終都只能在短距離內進行。究其原因，光在當時的光纖中的衰減速度太快，這一度讓人類幾乎放棄了光纖通訊的研究。

1966年7月，出生於上海的英藉華裔物理學家高錕發表了一篇著名的論文，從理論上分析了用光纖作為傳輸媒介實現光通訊的可能性，並提出透過原材料的提純，光纖傳輸損耗將大大降低。這一里程碑式的發現，開啟了光通訊的大門，同時也讓高錕在2009年獲得了諾貝爾物理獎。

在高錕的理論影響下，各國傾注了大量人力物力的投入，也讓光纖技術得到了爆炸性的發展。60年代，光纖的傳輸損耗高達1000dB/km，而在高錕的論文釋出的四年後，這一資料狂降至20dB/km。到了80年代，人類更是把損耗控制在0。2dB/km以內，已經接近光纖的理論衰耗極限值。這標誌著長距離光纖通訊成為可能，時代的大門已經緩緩開啟。

巧的是，幾乎在同一時代，光源也取得了齊頭並進的巨大突破。1960年美國人梅曼發明了紅寶石鐳射器，產生了單色相干光，亮度高，方向性好，讓光的長距離傳輸有了可能性。1970年，美國貝爾實驗室研製出世界上第一隻在室溫下連續工作幾個小時的砷化鎵鋁半導體鐳射器。如今，鐳射器的使用壽命已在10萬小時以上。

解決了損耗和光源這兩個關鍵性技術，光纖走出了實驗室逐漸開始得到廣泛應用。相比傳統的金屬電纜，光纖重量更輕直徑更小，傳輸速率和頻寬更大，傳輸損耗和所需能量更少，同時還不受電磁和射頻干擾，保密性強，原材料資源還特別豐富。這些優點讓光纖幾乎碾壓性地擊敗了傳統電纜，成為了網際網路時代資訊傳輸的“主角”。

光纖的結構

站在時代舞臺的最中央，光纖也不再是當年那根“裸奔”的玻璃絲了。經過多年的改進和發展，科學家和工程師給它穿上了一層有一層的衣服，大大提升了其強度和效能。讓我們來看看現代光纖的基本結構吧！

光纖最內部的結構包括高折射率玻璃纖芯和低折射率包層，光在纖芯和包層之間發生全反射，保證光訊號一直在纖芯內部傳輸。

在包層之外通常還有塗覆層、芳綸（Kevlar）和外層保護套，這些都起到保護作用，防止訊號溢位增加線纜的強度和柔韌性，畢竟玻璃纖維是非常脆弱的。

光纖的規格和型別

作為一個聯通全世界的重要工具，人們自然需要給光纖建立全世界通用的統一標準和規格。

現在光纖規格一般使用“纖芯直徑/包層直徑”來標註，目前大多數的光纖包層直徑均為125微米。根據纖芯直徑的粗細，我們又把光纖分為多模光纖和單模光纖。多模光纖的纖芯直徑一般為62。5或者50微米，而單模光纖的直徑一般為9微米。

由於多模光纖和單模光纖纖芯直徑的不同，光在其中的傳播路徑形態也不同（如下圖所示），它們的效能和應用場景也有所不同。

多模光纖由於纖芯直徑大，支援多種光傳播模式，射線在光纖內同時傳播 。但是多個模的光訊號由於角度不同會有不同的路徑長度，易發生干涉造成色散現象，在數百米之後訊號質量會顯著下降。

單模光纖直徑更細，通常只傳輸一個模的光訊號，傳播路徑也更接近直線，從而大大降低了色散效應和訊號損耗，不僅資料頻寬更寬，傳輸距離更大大增加至數十公里。同時，單模光纖本身的價格也更低。

然而，多模光纖與單模光纖相比具有更強的”聚光”能力。較大尺寸的纖芯簡化了連線，並可採用比較便宜的發光二極體作為光源。單模光纖則必須使用昂貴的鐳射發生器作為光源，所以在多模光纖的有效工作距離中，依然有其應用範疇。

特別要注意的是，在搭建網路的過程中，這兩種模式的光纖與相應的光模組（收發器）必須匹配，不能混用，否則對網路的效能會有較大影響。

當然，多模光纖和單模光纖只是光纖的結構性分類，實際上這兩種光纖都有著不同效能的更豐富的型號，他們的頻寬和傳輸距離如下圖所示：

值得一提的是，在實際應用中單模光纖通常為亮黃色，OM1/OM2多模光纖通常為灰色和橙色，OM3/OM4多模光纖為藍色或紫紅色，而最新的OM5多模光纖則為淺綠色。

OM5多模光纖由最高質量的石英制成，支援850到953nm波長的超寬頻傳輸，也稱為WBMMF，其芯徑也是50um。它支援採用短波長SWDM複用技術（850nm、880nm、910nm和940nm）在一根光纖內來實現100G傳輸速率，大幅節省系統整體成本。

此外，在實際應用場景中，在更復雜的網路環境中常常需要多條訊號傳輸路徑，於是人們把不同數量的光纖組合在一起形成了不同的產品。比如，知名有線和無線連線產品生產商L-com的光纖產品就分為單芯光纖、雙芯光纖和多芯光纖，來應對不同的使用場景。

同時為了增加光纖的強度，光纖還被增加了各種保護層，製成光纖線纜。L-com產品線根據光纖數量和排列形式分為單芯光纜、雙芯緊套光纜、可分支光纜和層絞式光纜。

其中可分支光纜硬度最高，每一條光纖都有獨立的保護層，擁有極高的強度。而層絞式光纜更側重於緊湊的結構，每條光纖外層僅有900微米的緩衝層保護，但是線纜的柔性就非常好。

光介面

光纖開啟自己的時代也需要解決與“舊時代”無縫銜接的問題。我們的電子裝置內部都使用電訊號傳遞資訊，所以在光纖通訊時，需要先用光模組把電訊號形式的資訊轉化為光訊號，長距離傳輸後再轉換回電訊號，這就是光纖通訊系統的基本模式。

光纖與光模組或者光纖之間的連線需要物理介面，在早期不同的廠家開發了不同的介面，它們適用也因為各自的特性適用於不同的場景。L-com產品線中也提供了不同的聯結器介面，在選擇時要根據實際需要選擇合適的介面。

值得注意的是，當光訊號傳輸至一條光纖的末端，光訊號會在端面產生一定的反射造成訊號的損失，這一引數叫做回波損耗。對於本身對訊號要求較高的單模光纖來說，控制回波損耗十分重要。為了減少反射，控制回波損耗，光纖的端面被製作成特殊的形狀。下面三種端面的回波損耗方面PC > UPC > APC，L-com單模光纖標配PC和APC面，也提供UPC面的訂製規格。

光纖防護

儘管光纖通訊有著金屬線纜無法比擬的優點，但柔軟纖細的玻璃光纖也需要更堅實的保護。為了適應更多極端惡劣的場景，為了戶外、軍用、工業用途的特種光纖線纜及聯結器元件，防護等級可達到IP67防護級和IP68加固級。

此外，光纖的護套材料LSZH是一種低煙未鹵化的線纜護套材料，具有阻燃、低煙、低腐蝕等防火安全特性，適用於公共軌道交通系統、核電廠、煉油廠或其他針對有毒、腐蝕性氣體為人員裝置提供保護的應用領域。

光纖另一個需要注意的問題是切忌大角度彎折，一方面讓部分光纖在彎折出因達不到全反射的入射角而發聲訊號溢位損耗，同時微米級的玻璃纖維也經不起這樣“粗暴”的對待。但是在很多有限的空間內，接線端的彎折又很難避免。

L-com提供了一套解決方案，應用彎曲不敏感光纖跳線，配置可彎折柔性護套，在對訊號無損的情況下實現近90度的彎折。

好了，相信看了這篇文章，你對光纖有了比較全面的理解，也看到了光纖科技發展的迅猛。

它變得越來越多樣化，適應各種複雜的應用場景。相信隨著光纖的進一步最佳化升級，我們的世界在未來必將發生更加翻天覆地的變化！

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