罗马人一定特别 大约2000年前，他们对自己发明铅管的那一天感到满意。终于，他们 有一个简单的方法将他们的水从一个地方带到另一个地方。 想象一下，他们会用现代光纤电缆——“管道”来制造什么。 可以在七分之一的时间内将电话和电子邮件带到世界各地 第二!

　　照片：光导管：光纤意味着通过使细塑料或玻璃从墙壁上反弹来将光束从墙壁上反复反弹，从而将光束发送到细条上。这是一个模拟图像。请注意，在某些国家/地区，包括英国， 光纤拼写为“光纤”。 如果您正在在线查找信息，则始终 值得搜索两种拼写。

　　什么是光纤?

　　我们习惯于信息以不同方式传播的想法。 当我们对着座机说话时 电话, 电线电缆承载 我们的声音传到墙上的插座上，另一根电缆 将其带到本地电话交换机。 手机 工作方式不同 方式：他们使用隐形发送和接收信息 收音机 波浪 - a 技术称为无线，因为它不使用电缆。光纤 第三种方式。它发送在光束中编码的信息 之 光 下 一 玻璃 或 塑胶 管。它最初是开发的 用于 1950 年代的内窥镜，以帮助医生看到人体内部，而无需 先把它切开。在 1960 年代，工程师找到了一种使用 以光速传输电话的相同技术 (通常是真空中的每秒 186，000 英里或 300，000 公里， 但在光纤电缆中减慢到此速度的三分之二左右)。

　　光学技术

　　光纤电缆由极细的股线组成 被称为光纤的玻璃或塑料;一根电缆可以只有两根 股或多达数百股。每股小于 十倍像人的头发那么粗，可以承载大约25，000个电话， 因此，一整根光纤电缆可以轻松承载数百万个呼叫。 “单模”光纤的当前记录(如下所述)是 每秒 178 太比特(万亿位)，足以进行 1 亿次 Zoom 会话 (根据纤维专家杰夫·赫克特(Jeff Hecht)的说法)!

　　光纤电缆在两个地方之间传输信息 全光学(基于光)技术。假设您要发送 来自您的信息 计算机 自 街上朋友的房子 使用光纤。您可以将计算机连接到 激光哪 将来自计算机的电气信息转换为一系列 光脉冲。然后，您将激光从光纤电缆上发射。 沿着电缆行进后，光束将出现在 另一端。你的朋友需要一个 光电电池 (光检测 组件)将光脉冲转换回电信息 他或她的电脑可以理解。所以整个设备将是 就像一个非常整洁的高科技版本的电话，你可以 用两个烤豆罐和一根绳子做成!

　　照片：一段 144 股光纤电缆。每根线都由光学纯玻璃制成，比人的头发还细。图片由技术中士Brian Davidson提供，由 美国空军.

　　光纤的工作原理

　　光沿着光缆传播 反复从墙上弹起。每个微小的 光子 (光的粒子) 沿着管道弹跳，就像雪橇在冰上滑下一样。现在你 可能会期待一束光， 在透明玻璃管中行进，只是为了从边缘泄漏。但 如果光线以非常浅的角度(小于 42 度)照射到玻璃上，则 再次反射回来——仿佛玻璃真的是一个 镜子.这 现象称为 全内反射. 这是保持管道内光线的原因之一。

　　照片：光纤电缆足够细，可以弯曲，在弯曲的路径中也吸收内部的光信号。图片由NASA格伦研究中心(NASA-GRC)和 互联网档案馆.

　　保持管道光线的另一件事是 电缆，由两个独立的部分组成。主要部分 电缆(在中间)称为 核心 这就是位 光线穿过。包裹在核心外部的是另一个 玻璃层称为 熔 覆.包层的工作是保持 核心内的光信号。它可以做到这一点，因为它是由 不同类型的玻璃到核心。(更技术上，覆层 有一个较低的 折射率.)

　　艺术品：全内反射使光线从光纤电缆内部反射。

　　光纤电缆的类型

　　光纤将光信号沿其下传输，称为 模式. 这听起来很技术，但只是意味着不同的旅行方式： 模态只是光束沿着光纤向下的路径。一种模式是 直接沿着光纤的中间向下。另一个是 以较浅的角度向下反弹光纤。其他模式涉及弹跳 从其他角度向下的光纤，或多或少陡峭。

　　艺术品：上图：光在单模和多模光纤中以不同的方式传播。下图：典型的单模光缆内部(未按比例绘制)。薄芯被直径大约十倍的包层包围，塑料外涂层(约包层直径的两倍)，一些由坚韧材料制成的增强纤维，例如 凯夫拉尔®，外面有保护性外套。

　　最简单的光纤类型称为 单模. 它有一个非常薄的核心，大约 5-10 微米(百万分之一 一米)的直径。在单模光纤中，所有信号都传输 从中间直下，边缘不反弹(黄线在 图)。有线电视， 互联网，电话信号一般采用单模传输 纤维，缠绕成一束。像这样的电缆可以发送 超过 100 公里(60 英里)的信息。

　　另一种类型的光纤电缆 被称为 多模.每根光纤在 多模电缆大约 10 次 在单模电缆中比一个大。 这意味着光束可以通过遵循 品种 不同的路径(黄色、橙色、蓝色和青色线条)— 换句话说，在 多种不同的模式。 多模电缆只能发送信息 在相对较短的距离内，并且(除其他外)用于 链接 计算机网络 一起。

　　甚至更粗的纤维也用于称为 胃镜 (一种内窥镜)， 哪些医生戳破某人的喉咙以检测里面的疾病 他们的胃。胃镜是一种粗光纤电缆，由 许多光纤。在胃镜的顶端，有一个 目镜和 灯。灯将其光线从电缆的一部分照射到 病人的胃。当光线到达胃部时，它会反射掉 胃壁成 镜头 在电缆底部。然后它回到另一部分 电缆插入医生的目镜。其他类型的内窥镜的工作原理相同 方式，可用于检查身体的不同部位。还有一个 该工具的工业版本，称为纤维内窥镜，可以使用 检查诸如无法接近的机器之类的东西 飞机 发动机。

　　试试这个光纤实验!

　　这个漂亮的小实验是现代对一个著名的 爱尔兰物理学家约翰·廷德尔于1870年进行的科学演示。

　　最好在 黑暗 浴室或 厨房在水槽或洗脸盆。你需要一个旧的透明塑料饮料瓶，最亮的手电筒(手电筒) 你可以找到，一些 铝 箔纸和一些粘性胶带。

　　拿起塑料瓶，将铝箔紧紧包裹在两侧， 让瓶子的顶部和底部不被覆盖。如果需要， 用胶带将箔纸固定到位。

　　将瓶子装满水。

　　打开手电筒并将其按在 瓶子，所以光线在水中闪耀。它最好工作，如果你 将手电筒紧紧地按在瓶子上。你需要尽可能多的光线 要尽可能进入瓶子，所以尽可能使用最亮的手电筒 找到。

　　站在水槽旁，倾斜瓶子，让水开始倒入 外。保持手电筒紧紧地压在瓶子上。如果房间 变暗了，你应该看到水的喷口照亮了 稍。注意水如何用光束携带光线 边走边弯!如果您在水龙头中看不到太多光线，请尝试使用更亮的手电筒。

　　照片：从下面看，你的水瓶应该是这样的 用铝箔包裹。铝箔可防止光线从瓶子侧面漏出。 不要盖住瓶子的底部，否则光线将无法进入。 右边的黑色物体是我的手电筒，就在我按下之前 它靠在瓶子上。你已经可以看到它的一些光线照射到底部 瓶。

　　光纤的用途

　　将光线射入管道似乎是一门整洁的科学 派对技巧，你可能认为不会有很多实际应用 类似的东西。但就像 电力 可以为许多人供电 机器类型，光束可以携带多种类型的 信息，因此它们可以在很多方面帮助我们。我们没有注意到只是 光纤电缆变得多么普遍，因为 它们携带的激光供电信号在我们脚下很远的地方闪烁，很深 在办公楼层和城市街道下。使用的技术 IT — 计算机网络、广播、医疗扫描和 军事装备(仅举四个例子)——这样做是看不见的。

　　照片：在光纤电缆上工作。图片由Nathanael Callon提供，由 美国空军.

　　计算机网络

　　光纤电缆现在是长距离传输信息的主要方式，因为 与旧式铜电缆相比，它们具有三大优势：

　　衰减更小：(信号丢失)信息在需要放大之前会传播大约 10 倍，这使得光纤网络的运行和维护更简单、更便宜。

　　无干扰：与铜缆不同，光纤之间没有“串扰”(电磁干扰)，因此它们以更好的信号质量更可靠地传输信息。

　　更高的带宽：正如我们已经看到的，光纤电缆可以比相同直径的铜电缆承载更多的数据。

　　你现在正在阅读这些文字，这要归功于 互联网.您可能偶然发现了带有搜索引擎的此页面 像谷歌一样，它运营着一个由巨型数据中心组成的全球网络。 通过大容量光纤电缆连接(现在正试图 向我们其他人推出快速光纤连接)。点击后 搜索引擎链接，您已从我的网站下载了此网页 服务器和我的话已经吹了大半路给你更多 光纤电缆。事实上，如果您使用的是快速光纤 宽带、光纤电缆几乎完成了所有的工作 你上网的时间。具有大多数高速 宽带 仅连接 信息旅程的最后一部分(所谓的“最后 英里“从街道上的光纤连接机柜到您的房子 或公寓)涉及老式电线。是光纤电缆， 不 铜 电线，现在带有“喜欢”和“推文” 我们的街道，穿过越来越多的农村地区，甚至 在连接大陆的海洋深处。如果你想象 互联网(和 万维网 骑在它上面)作为全球 蜘蛛网，将其固定在一起的股线是光纤电缆; 根据一些估计，光缆覆盖 超过99%的互联网总里程, 并携带 超过99%的国际通信流量.

　　人们访问互联网的速度越快， 他们可以而且将会在网上做更多的事情。的到来 宽带互联网使现象成为可能 云计算 (人们使用在线远程存储和处理他们的数据的地方 服务，而不是在自己的场所中使用家庭或商用 PC)。在 同样，光纤宽带的稳步推出(通常 比传统的DSL宽带快5-10倍，后者使用 普通 电话线) 将使它更加普遍 人们做这样的事情 流 在线观看电影而不是观看 广播电视或租借 DVD。光纤容量更大，速度更快 连接，我们将跟踪和控制更多方面 我们的在线生活使用所谓的 物联网.

　　但不仅仅是公共互联网数据 沿着光纤线路流下。计算机曾经通过连接 通过电话线或(较短距离)铜线长距离 以太网 电缆，但光缆越来越受欢迎 将计算机联网的方法，因为它们非常实惠，安全， 可靠，并且具有更高的容量。而不是链接其 通过公共互联网的办公室，完全有可能 公司建立自己的光纤网络(如果它有能力的话) 或者(更有可能)在专用光纤网络上购买空间。许多私人 计算机网络运行在所谓的 暗光纤哪 听起来有点险恶，但只是另一个未使用的容量 网络(等待点亮的光纤)。

　　互联网被巧妙地设计成运送任何 用于任何用途的信息种类;它不仅限于携带 计算机数据。虽然电话线曾经承载着互联网，但现在 光纤互联网携带电话(和 Skype) 调用。 电话曾经被路由到错综复杂的拼凑中 城市之间的铜缆和微波链路，大多数长距离 呼叫现在通过光纤线路路由。从 1980 年代开始铺设了大量的纤维;估计差异很大，但据信全球总数为数亿公里(足以穿越美国约一百万次)。在 2000 年代中期，据估计，其中多达 98% 是未使用的“暗光纤”;今天，尽管使用更多的光纤，但人们仍然普遍认为大多数网络包含三分之一到一半的暗光纤。

　　照片：光纤网络的建设成本很高(主要是因为挖掘街道的成本很高)。由于劳动力和建设成本比电缆本身贵得多，许多网络运营商故意铺设比他们目前需要的更多的电缆。图片由Chris Willis提供 美国空军.

　　广播

　　早在20世纪初， 收音机 和 电视 广播诞生于一个相对简单的想法：它是 技术上很容易拍摄 电磁波 通过空气 从单个发射机(在广播电台)到数千个 天线 在人们的家中。如今，虽然无线电仍然在空中发射，但我们同样有可能得到我们的 通过光纤电缆的电视。

　　有线电视公司率先从 1950年代以后，最初使用 同轴电缆 (铜缆周围缠绕着金属屏蔽护套以防止串扰干扰)，仅携带少量模拟电视信号。随着越来越多的人连接到电缆和网络开始提供 频道和节目的选择更多，有线电视运营商发现他们 需要从同轴电缆切换到光纤，然后从 模拟到数字 广播。幸运的是，科学家 已经在弄清楚这怎么可能;早在1966年， 高锟 (和他的同事乔治·霍克汉姆)做了数学计算，证明了单根光纤电缆是如何做到的。 为数百个电视频道(或数百个)传输足够的数据 千个电话)。这只是时间问题 有线电视界注意到了——高锟的“开创性成就”得到了应有的认可 当他被授予2009年诺贝尔物理学奖时。

　　除了提供更高的容量外，光学 光纤受干扰较小，因此提供更好的信号(图片 和声音)质量;它们需要较少的放大来增强信号，因此 他们长途跋涉;而且它们的成本更高 有效。未来，光纤宽带很可能是怎样的 我们大多数人看电视，也许是通过 系统如 IPTV(互联网协议电视)，它使用 互联网传输数据的标准方式(“分组交换”)到 按需提供电视节目和电影。虽然铜电话 线路仍然是进入许多人家庭的主要信息途径， 未来，我们与世界的主要连接将是高带宽光纤 电缆承载任何和各种信息。

　　药

　　可以帮助医生窥视的医疗设备 在我们的身体内部没有将它们切开是第一个适当的 半个多世纪前光纤的应用。今天 胃镜(这些东西被称为)与 曾经，但光纤继续催生重要的新形式 医学扫描和诊断。

　　最新的发展之一被称为 实验室 一根纤维，并涉及插入细如发丝的光纤电缆， 内置传感器，进入患者体内。这些种类的纤维是 规模与通信电缆中的规模相似，比通信电缆更薄 胃镜中使用的相对笨重的光导。他们如何 工作?光线从灯或激光穿过它们，穿过零件 医生想要研究的身体。当灯光呼啸而过时 纤维，患者的身体在特定改变其性质 方式(非常轻微地改变光的强度或波长， 也许)。通过测量光的变化方式(使用技术 如 干涉), 连接到另一端的仪器 纤维可以测量患者身体的一些关键方面 正在工作，例如他们的体温，血压， 细胞酸碱度, 或血液中存在药物。换句话说， 而不是简单地使用光来观察患者体内，这 光纤电缆的类型使用光来感测或测量它。

　　军事

　　照片：战场上的光纤。这种增强型光纤制导导弹(EFOG-M)的机头安装了一个红外光纤摄像机，以便发射它的炮手可以看到它在行进时要去哪里。图片由 美国陆军.

　　很容易想象互联网用户链接 由巨大的光纤电缆网连接在一起;它不太明显 世界高科技军事力量以同样的方式联系在一起。 光纤电缆价格低廉，薄，重量轻，容量大， 强大的抗攻击能力，并且非常安全，因此它们提供了完美的 连接军事基地和其他设施的方法，例如 导弹发射场和 雷达 跟踪站。因为他们没有 携带电信号，它们不发出电磁信号 敌人可以探测到的辐射，并且它们对辐射具有强大的抵抗力 电磁干扰(包括系统性的敌人“干扰” 攻击)。另一个好处是纤维重量相对较轻 电缆与传统电线相比，由笨重且昂贵 铜金属。坦克 军事 飞机和 直升机 拥有所有 一直在慢慢地从金属电缆切换到光纤电缆。部分地 这是降低成本和减轻重量的问题(光纤电缆重近90 比同类“双绞线”铜缆低百分比)。但 它还提高了可靠性;例如，与传统电缆不同 在飞机上，必须小心地屏蔽(绝缘)以保护 它们可抵御雷击，光纤完全免疫 到那种问题。

　　谁发明了光纤?

　　1840年代：瑞士物理学家 丹尼尔·科拉登 (1802-1893)发现他可以沿着水管发光。水带着光 内部反思。

　　1870年：一位爱尔兰物理学家 约翰·廷德尔 (1820-1893)在伦敦皇家学会进行了内部反思。他把光芒照进了 水壶。当他从水壶里倒出一些水时， 光线沿着水的路径弯曲。这种“弯曲”的想法 光“正是光纤中发生的事情。虽然科拉登是 作为光纤的真正祖父，廷德尔经常赢得荣誉。

　　1930年代： 海因里希·拉姆 和 沃尔特·格拉赫二 德国学生，试图用光管制作胃镜—— 用于观察某人胃内的仪器。

　　1950年代：在英国伦敦，印度物理学家 纳林德·卡帕尼 (1926-2021)和英国物理学家 哈罗德·霍普金斯 (1918–1994) 设法将一张简单的图片发送到由数千根玻璃纤维制成的光管中。 在发表了许多科学论文后，卡帕尼赢得了 “光纤之父”。

　　1957年：密歇根大学的三位美国科学家， 劳伦斯·柯蒂斯, 罗勒·赫斯科维茨和 威尔伯·彼得斯，成功利用光纤技术制造出世界上第一台胃镜。

　　1960年代：中国出生的美国物理学家 高锟 (1933-2018)和他的同事乔治·霍克汉姆(George Hockham)意识到，不纯玻璃对远程光纤毫无用处。Kao建议，由非常纯净的玻璃制成的光纤电缆将能够在更长的距离内传输电话信号，并被授予 2009年诺贝尔物理学奖 这一突破性的发现。

　　1960年代：研究人员在 康宁玻璃公司 制造了第一条能够承载的光纤电缆 电话信号。

　　~1970年： 唐纳德·凯克 康宁的同事找到了发送更远的信号(损失更小)的方法，促使 开发第一条低损耗光纤。

　　1977年：第一条光纤电话电缆在长滩和加利福尼亚州阿蒂西亚之间铺设。

　　1988年：第一条跨大西洋光纤电话电缆TAT8在美国，法国和英国之间铺设。

　　2022年：根据 远程地理，目前大约有436根海底光纤电缆 (在世界海洋下承载通信)，总共延伸 130万公里(80万英里)。 这比2019年的378根电缆有所增加，尽管覆盖的总距离大致相同。