光纤如何工作

光纤（光学纤维）是像头发直径一样长而细的非常纯净的玻璃丝。它们被捆绑成束，称为光缆，用于长距离传输光信号。

如果您仔细观察单根光纤，您会发现它包含以下部分

数百或数千根光纤在光缆中捆绑在一起。

光纤分为两种类型

单模光纤的纤芯较小（直径约3.5 x 10^-4英寸或9微米），传输红外激光（波长=1,300至1,550纳米或nm）。多模光纤的纤芯较大（直径约2.5 x 10^-3英寸或62.5微米），传输发光二极管（LED）发出的红外光（波长=850至1,300纳米）。

一些光纤可以由塑料制成。这些光纤具有较大的纤芯（直径0.04英寸或1毫米），可与硅芯片一起使用。玻璃光纤与硅的兼容性不佳，且适配成本较高。

让我们看看光纤是如何工作的。

假设您想将手电筒光束射向一条长而直的走廊。只需将光束直接指向走廊即可——光线沿直线传播，所以这不是问题。如果走廊有一个弯道呢？您可以在弯道处放置一面镜子，将光束反射到拐角处。如果走廊非常蜿蜒，有多个弯道呢？您可能需要用镜子铺满墙壁，并调整光束角度，使其沿着走廊来回反弹。这正是光纤中发生的情况。

光纤电缆中的光线通过不断从包层（镜面内衬的墙壁）反射来穿过纤芯（走廊），这一原理称为全内反射。由于包层不吸收纤芯中的任何光线，光波可以传播很远的距离。

然而，当光线传播更远的距离时，光纤内的部分信号会丢失。信号衰减的程度取决于玻璃的纯度、光纤中的弯曲或连接光纤段的接头数量以及传输光的波长。

例如，对于多模光纤，850 nm = 3 dB/km；1,300 nm = 1 dB/km。对于单模光缆，1,310 nm = 0.5 dB/km；1,550 nm = 0.4 dB/km)。

为了理解光纤如何在通信系统中使用，让我们看一个二战电影或纪录片中的例子：一支舰队中的两艘海军舰艇需要在保持无线电静默或在波涛汹涌的海面上相互通信。一艘船靠近另一艘。其中一艘船的船长向甲板上的水手发送一条消息。水手将消息翻译成摩尔斯电码（点和划），并使用信号灯（带有百叶窗式快门的手电筒）将消息发送给另一艘船。另一艘船甲板上的水手看到摩尔斯电码消息，将其解码成英文，然后将消息发送给船长。

现在，想象一下当船只相隔数千英里，在海洋两岸时做同样的事情，并且您在这两艘船之间建立了一个光纤通信系统。光纤中继系统由以下部分组成：

发射器

发射器就像发信船甲板上的水手。它接收并指示光学设备按正确的顺序“打开”和“关闭”光线，从而生成光信号。

发射器在物理上靠近光纤，甚至可能有一个透镜来将光线聚焦到光纤中。激光器比LED具有更高的功率，但随温度变化更大且更昂贵。最常见的光信号波长是850纳米、1,300纳米和1,550纳米（红外线，光谱的非可见部分）。

光再生器

如上所述，当光线通过光纤传输时，会发生一些信号损耗，尤其是在海底电缆等长距离传输时。因此，需要沿着电缆拼接一个或多个光再生器来增强衰减的光信号。

光再生器由带有特殊涂层（掺杂）的光纤组成。掺杂部分通过激光进行“泵浦”。当衰减的信号进入掺杂涂层时，激光的能量使掺杂分子自身变为激光器。然后，掺杂分子会发射出具有与传入弱光信号相同特性的新的、更强的光信号。本质上，再生器是传入信号的激光放大器。

光接收器

光接收器就像接收船甲板上的水手。它接收传入的数字光信号，解码它们，并将电信号发送给其他用户的计算机、电视或电话（接收船的船长）。接收器使用光电管或光电二极管来检测光线。

为什么光纤系统正在彻底改变电信业？与传统金属线（铜线）相比，光纤具有以下优点：

成本更低。光纤电缆比铜线贵，但它也需要的维护更少。从长远来看，它为您和您的互联网服务提供商节省了资金。

更细。光纤可以拉伸成比铜线更小的直径。

承载能力更高。由于光纤比铜线更细，相同直径的电缆中可以捆绑更多的光纤。这使得同一根电缆可以承载更多的电话线，或者更多的频道可以通过电缆进入您的有线电视机顶盒。

信号衰减更小。光纤中的信号损耗小于铜线。

无光信号干扰。与铜线中的电信号不同，一根光纤中的光信号不会干扰同一根电缆中其他光纤的信号。这意味着更清晰的电话通话或电视接收。

功耗更低。由于光纤中的信号衰减较小，可以使用低功率发射器，而无需铜线所需的高压电气发射器。这再次为您和您的服务提供商节省了资金。

传输数字信号。光纤非常适合传输数字信息，这在计算机网络中特别有用。

不可燃。由于光纤不通过电流，因此不会产生热量，从而降低了火灾风险。

重量轻。光缆的重量比同等长度的铜线电缆轻（每1,000英尺或305米重4磅或2公斤，而铜线电缆每1,000英尺重39磅或18公斤）。光纤电缆在地下占用的空间也更小。

柔韧性强。由于光纤非常柔韧且能够传输和接收光线，它们被用于许多柔性数码相机，用于以下目的：

由于这些优势，您会在许多行业中看到光纤的应用，最显著的是电信和计算机网络。例如，如果您从美国通过固定电话呼叫欧洲（反之亦然），并且信号通过通信卫星反射，您通常会听到线路上的回声。但通过跨大西洋光纤电缆，您可以获得无回声的直接连接。

现在我们知道了光纤系统的工作原理以及它们的用途，那么它们是如何制造的呢？光纤由极其纯净的光学玻璃制成。我们认为玻璃窗是透明的，但玻璃越厚，由于玻璃中的杂质，其透明度就越低。然而，光纤中的玻璃比窗玻璃的杂质少得多。

制造光纤需要以下步骤：

制作预制棒

预制棒的玻璃是通过一种称为改进化学气相沉积（MCVD）的工艺制成的。

在MCVD中，氧气通过四氯化硅（SiCl4）、四氯化锗（GeCl4）、三氯化磷（PoCl3）和/或其他化学品的溶液冒泡。精确的混合物决定了各种物理和光学性质（折射率、膨胀系数、熔点等）。然后，气态蒸汽被输送到一个特殊的车床中，进入合成石英或石英管（包层）的内部。随着车床的转动，一个火炬在管的外部上下移动。火炬的极端热量导致两件事发生：

车床持续转动以形成均匀的涂层和一致的预制棒。通过在气体输送系统（阀块、管道、密封件）中使用耐腐蚀塑料以及精确控制混合物的流量和成分来保持玻璃的纯度。预制棒的制造过程高度自动化，需要数小时。预制棒冷却后，会进行质量控制测试（折射率）。

从预制棒中拉丝

预制棒经过测试后，被装入拉丝塔。

预制棒被降入石墨炉（3,452至3,992华氏度或1,900至2,200摄氏度），尖端被熔化，直到熔融的一团通过重力落下。当它下落时，它会冷却并形成一条线。

操作员将光纤线穿过一系列涂层杯（缓冲涂层）和紫外线固化炉，然后缠绕到一个由牵引机控制的线轴上。牵引机构缓慢地将光纤从加热的预制棒中拉出，并通过使用激光测微计精确控制，以测量光纤直径并将信息反馈给牵引机构。

光纤以高达66英尺/秒（20米/秒）的速度从预制棒中拉出，成品缠绕在线轴上。单个线轴包含数英里或数公里的光纤并不罕见。

测试成品光纤

成品光纤经过以下测试：

一旦光纤通过质量控制，它们就会出售给电话公司、有线电视公司和网络提供商。大多数公司已将其旧的基于铜线的系统替换为新的基于光纤的系统，以提高速度、容量和清晰度。

当光线从具有一个折射率（m1）的介质进入另一个具有较低折射率（m2）的介质时，它会偏离与表面垂直的假想线（法线）而发生弯曲或折射。随着光束穿过m1的角度相对于法线变得更大，穿过m2的折射光会进一步偏离该线。

在某个特定角度（临界角）下，折射光不会进入m2，而是将沿着两个介质之间的表面传播（正弦[临界角] = n2/n1，其中n1和n2是折射率[n1大于n2]）。如果光束穿过m1的角度大于临界角，则折射光束将完全反射回m1（全内反射），即使m2可能是透明的！

在物理学中，临界角是相对于法线描述的。在光纤中，临界角是相对于沿着光纤中心运行的平行轴描述的。因此，光纤临界角 = (90度 - 物理临界角)。

在光纤中，光线通过不断从包层反射（m2，较低折射率）穿过纤芯（m1，高折射率），因为光的角度总是大于临界角。无论光纤本身弯曲到什么角度，即使是完整的圆形，光线都会从包层反射！