我爱孩子 新闻 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?

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?

每个人每天没有光纤都上不了网。为什么要用光纤?它是如何工作的?

可能有人会说:我只用4G上网,不用光纤。其实4G信号只是从基站到你的手机,基站和基站的连接都是通过光纤完成的。如果你想给一个朋友发一条从广州到北京的消息,用4G发送到广州的基站,然后通过光纤一路走到北京,再由北京的基站给对方手机发送4G信号。即使给广州的朋友发消息,也离不开光纤,因为4G基站覆盖范围小(1-3公里左右),很可能被不同的基站覆盖;未来5G信号基站的覆盖范围可能只有100-300米,光纤的作用越来越重要。

光能传播很远,很少衰减

那么为什么要用光纤连接基站呢?无线通讯有多方便,光纤得挖着埋着。这是关于通信带宽的问题,也就是常说的“网速”。

我们可能在日常上网时没有意识到光纤的优势,因为4G网络已经相当快了。而4G速度快的代价是覆盖面积小,因为无线信号向四面八方扩散,明显衰减很快,无法传输到很远的地方。换句话说,虽然我们使用的4G速度很快,但是一个基站只需要在一个小区域内管理少量的人,所以提供的实际带宽并不大。就像你家的路由器,自己用挺快的,但是如果有很多客人来一起抢,就变成卡了;在人口密集的地区,手机信号会很差。在一定带宽下,用户越少,分配给每个人的“网速”就越大。所以4G网速快的前提是每个基站负责人不多。

是深埋地下的光纤支撑着全国299万个4G基站。前面的超级类提到过,无线信号频率低,能提供的带宽也小。目前4G网络的最佳带宽只有100Mbps,5G可以达到1Gbps,最大网线可以达到10Gbps。因为光的频带极高(比如可见光的频率为380-790赫兹),理论上可以提供几乎无限的带宽,所以一根直径8微米的普通光纤很容易达到10兆比特每秒的带宽,是4G的10万倍,5G的1万倍!

目前最好的光纤容量可以达到560Tbps,也就是说135亿人用一根光纤就可以同时通话,也就是说如果你有一个8TB大的移动硬盘,只需要0.1秒就可以通过这根光纤全部写入(其实这个时候硬盘的写入速度会变慢)。而这还不足以真正体现光纤的优越性!因为通信中真正衡量通信质量的不是带宽,而是距离-带宽的乘积。因为带宽不是常数,你要传输的越远,带宽就会越低。所以要建很多4G和5G基站,不能传输很远。而光纤的带宽几乎不随距离的增加而减小,这才是使光纤具有实际意义的真正原因。

那么,光纤究竟是如何以很小的衰减把光传到电线那么远的地方的呢?根据我们的日常经验,手电筒的光线会很快散开,即使是目前准直性最好的激光也只能保持几公里的距离,更不用说弯曲周围的光纤来传输光线的能力了!

光纤传输原理很简单:全反射

其实光纤的原理很简单,利用我们生活中最简单的折射现象。筷子插入水中会弯曲,因为筷子反射的光进入空时会发生折射。如下图所示,S点发出的光对人眼来说好像是在S’处,这也是为什么游泳池的底部好像总是很浅,直到你跳下来才是这样。

现在想象这样一个情况,如果水发出的光到空与水面的夹角很小,会发生什么情况?

是的,根据折射定律,【/s2/】这个光太倾斜的时候,是没有办法折射的!这种现象称为全反射,所有能量都被反射而不是从边界泄漏(折射)。光纤就是这样一种通过全反射实现光的长距离传输的结构。

水流模拟光纤实验史上有一个著名的实验。1870年,英国物理学家廷德尔在做关于光的全反射原理的讲座时,做了一个简单的实验:在装满水的桶上钻一个洞,然后用灯从桶的顶部把水点燃。结果观众大吃一惊,人们看到了从水桶的小洞里流出的轻水。有兴趣的话也可以自己做一个这样的水流模拟光纤实验。

光导水流(来自丁达尔实验)

所以光纤的结构超级简单,理论上“水”和“空气”就够了。在光纤结构中,“水”是纤芯,“空气体是包层。

光纤的纤芯折射率高,就像水,包层折射率低,就像空气体。当光在其中传播时,遇到一定的角度关系,就会发生全反射的现象,使光可以很好地约束在光纤中而不发生泄漏。因此,光纤的结构非常简单,纤芯是高纯度的应时玻璃,包层是通过一些特殊工艺涂覆在纤芯上的化学材料,既能满足折射率全反射的光学要求,又能起到保护纤芯的作用,否则比头发细很多倍的玻璃纤芯很容易断裂。最外面的保护套类似于普通网线。

电缆通信的中继距离只有几公里,因为长距离的电缆必然会有很大的电阻,导致电信号的衰减;最长的微波通信(无线电)约50公里;然而,光纤通信系统最长的中继距离已经达到300公里。正是因为光纤对光的限制和保护作用,光很少在远距离衰减。

其实光通信的原理和所有其他通信一样,因为光本身就是电磁波——比如网线里的我们传输电脉冲,而光通信是先把代表信息的电脉冲注入激光器,用电脉冲控制激光器的输出光,把信息调制到光(载波)上,通过光纤传输到目的地,把光里的信息解调成电信号,我们的计算机就能识别出来。

光纤有很多优点[/s2/]

综上所述,由于光作为信息的载体具有很高的频率,光纤可以提供极高的带宽;然而,光纤制备技术使光在光纤介质中长距离传播,衰减很小,因此光纤可以用来铺设光网络。这是光纤成为骨干网最重要的原因。当然,光纤有很多优点,仅举几个例子:

1.抗电磁干扰能力强。对于通信系统来说,最重要的干扰是电磁干扰。一般电话线、电缆不能与高压线平行架设,也不能敷设在电铁路附近,因为电磁干扰会影响通信系统。光纤是绝缘体,不怕闪电,不怕高压。电磁干扰不能干扰比它们频率高很多的光信号。据专家估计,如果一颗原子弹在美国本土中心463 km空的距离爆炸,美国所有的有线通讯系统都可以在一秒钟内瘫痪。然而,光纤通信线路仍然畅通无阻,基本不受影响。

2.保密性强。只要在电缆附近(甚至几公里外)设置一个特殊的接收装置,就可以获得在明线或电缆中传输的信息。无线电波在大气中传播,甚至泛滥全球,很容易被窃听。光在光纤中传输时,不会跑出光纤向外辐射电磁波。如果你想得到光纤里的信息,就必须破坏光纤,光纤马上就会被发现。

3.体积小,重量轻。电缆重11kg米,同样容量的光缆重90g米,敷设方便。

4.原材料成本低。主要线材:铜、铅等有色金属,预计仅使用50年左右;光纤的主要材料:普通石英砂(SiO2),占地壳化学成分的一半以上,可以说是取之不尽,用之不竭。

光纤在通信以外的许多其他领域都有重要的应用。比如激光手术,有时候需要手术的部位在人体体腔内,需要激光来转,所以需要光纤。

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