童年科普：光能传数据？你知道你家的光纤是如何来通信的吗？

大家每天上网都离不开的光纤，为什么要用光纤？它又是如何工作的呢？

也许有人会说：我只用4G上网，不用光纤。其实不然，4G信号只是从基站到你的手机，基站到基站的连接全部是由光纤完成。你要是想从广州到北京给朋友发一条消息，先用4G发到广州的基站，然后通过光纤一路走到北京，再由北京的基站发送4G信号到对方的手机。即使你给广州的朋友发消息，也离不开光纤，因为4G的基站覆盖范围不大（大约1-3公里），你们很可能处于不同基站的覆盖下；而将来5G信号的基站覆盖范围可能只有100-300米，光纤的作用也愈发重要。

所以为什么要用光纤来连接基站与基站呢？无线通信多方便啊，光纤还要挖了地埋进去。这就要说到通信带宽的问题了，也就是常说的“网速”。

我们日常上网可能体会不到光纤的优越性，因为4G网已经相当快了。但4G速度快的代价是覆盖范围小，因为无线信号向四面八方扩散，显然会很快地衰减，不能输送到很远的地方，换句话说，虽然我们用的4G网速很快，但一个基站只要管一块小区域内为数不多的人，所以实际提供的带宽并不大。就好比你家里的路由器，自己用还挺快，但如果来了很多客人一起抢就会变卡；在人很密集的地区，手机信号也会很差。带宽一定的情况下，用户越少，分配到每个人的“网速”也就越大。所以4G网速快的前提是每个基站所要管的人不多。

而在背后支持全国299万个4G基站的，正是深埋地下的光纤。之前的超能课堂已经讲过，无线信号的频率较低，所能提供的带宽也较小，目前最好的4G网络带宽也不过100Mbps，5G可以达到1Gbps，网线则最大可以达到10Gbps。而由于光的频段极高（比如可见光的频率为380-790THz），理论上能提供几乎是无限大的带宽，所以一根直径为8微米的普通光纤，可以轻松达到10Tbps的带宽，这是4G的十万倍、5G带宽的一万倍！

目前的最好的光纤容量已经可以达到560Tbps，这意味着一根光纤可以实现135亿人同时通话，意味着如果你有一个8TB的超大移动硬盘，通过这根光纤只需要0.1秒的时间就可以将它全部写满（事实上硬盘的写入速度这时会拖后腿）。而这还不足以真正体现光纤的优越性！因为通讯中真正衡量通信质量的不是带宽，而是距离带宽积，因为带宽并不是恒定不变的，你所要传输的距离越远，带宽往往就会越低，所以4G、5G基站都要建的很多，它们不能传的很远。而光纤的带宽几乎不随着距离的增大而衰减，这是使得光纤具有现实意义的真正原因。

那么光纤究竟是如何像电线一样能把光传得很远而很少衰减呢？我们日常的经验，手电筒的光会很快散开，即使是目前准直性最好的激光，也只能保持几公里的距离，更别说把光纤弯来弯去还要能传输光了！

光纤传输的原理很简单：全反射

其实光纤的原理很简单，利用的就是我们生活中最简单的折射现象。筷子插进水中会变弯，是因为筷子反射的光线在进入空气时发生了折射，如下图，由S点发出的光线，在人眼看来就好像是在S’一样，这也是为什么看游泳池的水底好像总是很浅，跳下去才知道不是那么回事。

现在各位试想这样一个情况，如果从水中往空气射的这根光线和水面的夹角很小，会出现什么结果？

没错，按照折射的规律，当这根光线过于倾斜的时候，就没办法再折射出去了！这种现象就叫全反射，所有能量都被反射而不会从边界泄露（折射）出去。光纤就是这样一种结构以利用全反射来实现光的长距离传输。

水流模拟光纤实验历史上有一个很有名的实验，1870年英国物理学家丁达尔在做光的全反射原理演讲时，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮，结果使观众们大吃一惊，人们看到放光的水从水桶的小孔里流了出来。各位如果有兴趣，也可以自己做一个这样的水流模拟光纤实验。

光纤的结构因此是超简单，理论上有“水”和“空气”就可以了，在光纤结构中，“水”就是纤芯，“空气”就是包层。

光纤纤芯的折射率高，就像水一样，而包层的折射率低，就像空气一样，当光在其中传输的时候，满足一定的角度关系，就会发生全反射现象，光就能很好地约束在光纤中而不泄露了。光纤的结构因而也非常简单，纤芯就是纯度很高的石英玻璃，包层则是一些特殊工艺涂覆在纤芯上的化学材料，既可以满足折射率全反射的光学要求，还能起到保护纤芯的作用，否则比头发丝还细好多倍的玻璃纤芯很容易折断。最外层的保护套则跟普通网线差不多。

电缆通信的中继距离只有几千米，因为长距离的电缆不可避免地会有很大的电阻导致电信号衰减；最长的微波通信（收音机）是 50 千米左右；而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千米，正是因为光纤对光的限制保护作用，使得在很长的距离内光都很少衰减。

光通信的原理其实和所有其他通信是一样的，因为光本身是电磁波——比如在网线中我们传输的是电脉冲，而光通信就是把代表信息的电脉冲先注入到激光器中，通过电脉冲控制激光器的输出光，就把信息调制到了光（载波）上，经过光纤传输到目的地，再把光中的信息解调成电信号，就可以被我们的计算机识别了。

总结一下，因为用光作为信息的载体具有很高的频率，所以光纤可以提供极高的带宽；而光纤制备技术使得光能够在光纤这种媒介中传输极远的距离而很少衰减，所以光纤能够用于铺设光网络。这就是光纤成为骨干网的最重要的原因。当然光纤还有相当多的优点，随便列举一些：

1、抗电磁干扰能力强。对于通信系统而言，最主要的干扰是电磁干扰。电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设，因为电磁干扰会影响通信系统。光纤属绝缘体，不怕雷电和高压，电磁干扰不了频率比它们高得多的光信号。据专家测算，如果在美国本土中心上空 463千米处爆炸一颗原子弹，1 秒钟内即可使全美国所有的电缆通信系统失效。但光纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。

2、保密性强。只要在电缆附近 (甚至几公里以外) 设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。无线电波更是在大气中传播，甚至充斥全球，很容易被人窃听。光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波，要想获取光纤中的信息，就必须破坏光纤，这样就立刻被发现了。

3、体积小重量轻。电缆每米重11千克，而同等容量的光缆每米重90克，铺设起来方便。

4、原材料成本低。电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用50年左右；光纤主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地壳的化学成分中占了一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭。

光纤除了通信领域，还在其他很多领域都有重要应用。比如激光手术时，有时需要手术的部位在人体腔道内，这就要求激光能拐弯，就需要用到光纤了。