探秘光纤：点亮信息时代的“隐形翅膀”

作者段跃初

在当今这个信息爆炸的时代，互联网已经成为人们生活中不可或缺的一部分。无论是日常的通讯交流、娱乐休闲，还是商业运营、科研探索，都离不开高速、稳定的信息传输。而在这背后，有一项关键技术发挥着至关重要的作用——光纤通信。它就像一张无形的大网，将世界各地紧密地连接在一起，让信息能够在瞬间跨越千山万水。那么，究竟什么是光纤？它又是如何实现如此高效的信号传递的呢？接下来，就让我们一同走进光纤的奇妙世界，揭开它神秘的面纱。

一、光纤的前世今生

光纤，全称“光导纤维”，是一种介质光波导，通常由玻璃或者塑料制成。其诞生和发展，是人类科技进步史上的一段传奇。

光纤的故事可以追溯到19世纪。1841年，丹尼尔·克拉顿（Daniel Colladon）最早发现光可以通过弯曲的水流传导，这一发现为光纤技术的发展埋下了希望的种子。此后，科学家们不断探索，1926年，英国的J.C. Baird首次提出，可以基于光的全反射制备石英光纤，并申请了这一专利。1930年，德国的拉姆（H. Lamm）将石英光纤束用于消化内镜中光学图像的传输，光纤开始在实际应用中崭露头角。

到了20世纪50年代，光纤技术迎来了关键的发展阶段。1953年，荷兰科学家Abraham Van Heel将低折射率的塑料涂在玻璃芯上，得到了满足全反射条件的光纤，改进了涂层工艺。1954年，美国的B.I. Hirschowitz采用高温拉丝和套管方法，实现了具有高折射率内芯和低折射率包层并且不会漏光的光纤，为光纤的生产工艺奠定了基础。

1966年，华裔科学家高锟提出，光纤的衰减主要和光纤中的杂质有关，通过减少杂质以及改进工艺，可以极大地减小光纤的衰减，预言了超低损耗光纤的可能，为光纤通信奠定了理论基础，他也因此被誉为“光纤之父”。1970年，美国康宁公司的莫勒（Maurer）博士等人制备了第一个低损光纤（损耗小于20dB/km），不仅证实了高锟等人的设想，而且使得光纤通信成为了可能，这一年也被视为光纤通信元年。1972年，美国康宁公司将化学气相沉积方法用于光纤制作，光纤损耗进一步降至4dB/km，光纤进入使用实用化阶段。

在随后的现代化发展阶段，光纤通讯蓬勃发展。1975年，美国贝尔实验室开通世界上第一个光纤数字通信线路，早期主要为多模光纤，前期开发的是波长为850nm（又称为第一窗口），后面又开发了1300nm（第二窗口）。1983年，日本兴建了从北海道到冲绳岛的单模光缆干线，开启了普通单模光纤（1310nm）传输系统的商业化应用。1983 - 1985年，色散位移光纤（DSF）被研制并被商业化使用，打开了光纤通信的第三窗口（1550nm）。1986年，南安普顿大学研制出掺饵光纤放大器，它与波分复用技术和光孤子技术结合，使得光纤通信超大容量和超远距离的传输成为可能。此后，各种新型光纤不断涌现，如截止波长位移光纤（CSMF）、色散补偿光纤（DCF）、非零色散位移单模光纤（NZ - DSF）、全波光纤（AllWave fiber）等，它们的出现解决了光纤通信中的各种问题，推动了光纤通信技术的不断进步。

在中国，光纤的发展也取得了令人瞩目的成就。1976年，赵梓森在中国自主研制出第一根光纤，他也被誉为“中国光纤之父”。1979年9月，上海、北京等地建成了市内电话中继线路用的光缆通信系统试验段，标志着中国光纤的起步。1981年，中国第一条实用化的光纤通信线路在武汉开通，中国光纤发展迈入实用产业化阶段。1986 - 1990年，通过国家“七五”科技攻关，中国光纤通信技术取得了巨大转变和成就，缩短了中国光纤通信技术与国际间的差距。“八五”和“九五”计划期间（1991 - 2000），中国建设了两个“八纵八横”通信光缆，实现了通信干线网在全国范围内的基本覆盖。2009年4月初，国务院提出加速下一代互联网和宽带光纤接入建设，其中很重要的一部分就是“光进铜退”（FTTx），即光纤接入（FTTx - Fiber To The x），目的是最终推动光纤到户（FTTH - Fiber To The Home）。截至2022年6月，光纤用户占比由2012年的不到10%提升至2021年的94.3%，行政村通宽带实现全覆盖，贫困地区通信难问题得到历史性解决。

二、光纤的神秘结构

光纤的一般结构从内到外依次是纤芯、包层、涂覆层和护套。

纤芯是光纤结构的核心部分，由高折射率材料制成，是光波的传输介质。它就像一条高速公路，让光信号能够在其中快速、稳定地传输。纤芯的材质通常是微量掺杂了锗（Ge）或磷（P）的二氧化硅、硅酸盐系玻璃、氟化物玻璃以及塑料等等。这些材料具有对光较高的折射率，能够有效地引导光信号的传播。

包层围绕在纤芯周围，其材料折射率比纤芯稍低一些。它与纤芯共同构成光波导，形成对传输光波的约束作用，对光波的传播起着决定性作用。包层的主要作用是束缚光波在纤芯内，减少散射损耗，增加光纤的机械强度，同时保护纤芯，避免其接触到沾染物质。包层的材质与纤芯类似，也是微量掺杂了锗（Ge）或磷（P）的二氧化硅、硅酸盐系玻璃、氟化物玻璃以及塑料等等。

涂覆层位于包层之外，一般为硅酮或丙烯酸盐。它的主要功能是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，增加光纤的柔韧性，同时隔离杂光。涂覆层就像给光纤穿上了一层防护服，让光纤在各种复杂的环境中都能保持良好的性能。

护套是光纤的最外层，一般为尼龙或其他有机材料。它的作用是增加光纤的机械强度，进一步保护光纤。在实际应用中，光纤常常需要铺设在各种不同的环境中，如地下、海底、架空等，护套能够有效地防止光纤受到外界的物理损伤，确保光纤的正常使用。

在特殊应用场合，有时会使用不加涂敷层与护套的裸体光纤，简称裸纤。裸纤可以减少光纤的重量和体积，提高光纤的灵敏度，但同时也需要更加小心地保护和使用。

三、光纤的信号传输魔法

光纤传输信号的过程基于光的全反射原理。当光在光纤中传播时，在纤芯 - 包层分界面处，如果光线的入射角超过全反射的临界角，纤芯内的光线将被全部反射回来，无法穿过界面，只能被束缚在纤芯内向前传播。这就好比光在纤芯内不断地进行“弹跳”，沿着光纤的路径一路向前传输，从而实现了长距离的光信号传输。

光纤传输信号的过程具体可以分为发送和接收两个阶段。

在发送端，首先要将需要传输的信息转换成电信号。比如，我们在手机上发送一段语音、一张图片或者一段视频，手机会将这些信息转换成相应的电信号。然后，通过调制器将电信号加载到激光器发出的激光束上。在这个过程中，光的强度、频率或相位等参数会随电信号的幅度或频率变化而变化，形成携带信息的光信号。激光因其高方向性、高相干性和高单色性，成为光纤通信的理想光源。这些携带信息的光信号通过光纤这一传输媒介，被发送到远方。

在接收端，当光信号到达时，检测器会将其接收并转换成电信号。检测器通常是半导体光电二极管或半导体雪崩光电二极管，它们能够将光信号转换为相应的电信号。接着，经过解调处理，将电信号还原成原始的信息。比如，手机接收到的电信号经过解调后，就可以还原成我们能够听到的语音、看到的图片或视频。

光纤传输信号具有诸多优点。首先，光纤的传输速度极快，几乎可以达到光速的2/3以上，这使得信息能够在瞬间传递到远方。其次，光纤的信号损耗极小，现在较好的光导纤维，其光传输损失每公里只有零点二分贝，也就是说传播一公里后只损耗4.5％，这大大提高了信息传输的可靠性和稳定性。此外，光纤还具有抗干扰能力强、安全性高、传输信息容量大、重量轻、体积小等优点，这些优点使得光纤在现代通信领域中得到了广泛的应用。

四、光纤的传输特性

传输模式

光线在纤芯中传播时，不同的入射角会形成不同的光路，这些光路数量会受光纤数值孔径的限制，把这些可以有效传播的光路称作模式。其中，沿着光纤中心轴传播的光路称为基模（用LP01表示），其他没有平行于光纤中心轴的模式称为高次模。当纤芯足够细，光只能沿着光纤中心轴传播，这种光纤称为单模光纤；当纤芯很大时，光纤中的光有多种模式，这类光纤称为多模光纤。

模间色散

在多模光纤中，不同模式的传输速度和相位都有差异，经过一定距离的传输后会产生延时，导致光脉冲变宽，这种现象就是光纤的模式色散（或模间色散）。模间色散会影响信号的传输质量，限制多模光纤的传输距离和通信容量。

衰减（损耗）

光在光纤中传播时，会因为各种因素造成光损耗，一般可以用损耗系数α描述。损耗系数α由式子α = 10/L × lg（Pi/P0）定义，其中Pi表示入射到光纤中光的初始能量，P0表示通过长度为L的光纤时光所含的能量。衰减（损耗）的机理主要包括以下几个方面：

1. 材料的固有损耗：材料分子结构的振动导致的红外吸收、因电子跃迁导致的紫外吸收、小尺度粒子引起的瑞利散射。

2. 杂质吸收导致的损耗：光纤中的杂质造成的损耗分为两部分，羟基离子吸收引起的损耗，铁、铬、铜等金属离子引起的光吸收。

3. 结构原因导致的损耗：包括界面损耗（纤芯与包层的交界处不平整带来的损耗）、微弯损耗（光纤的侧面受压不均匀时，产生小幅度弯曲造成的损耗）、弯曲损失（光纤弯曲程度太大导致光线无法全反射造成的损耗）、连接损耗（连接部位，由于光纤尺寸不匹配导致光的漏出）。

色散

色散是光纤传输中一个重要的特性，它会影响信号的传输质量。色散类型主要包括：

1. 模式色散：多模光纤中，不同模式因传播速度和相位差异造成的色散。

2. 偏振色散：单模光纤中，由于双折射使两个正交偏振模产生时延差而出现的色散。

3. 波长色散：包括材料色散（由于光纤材料折射率随光波长（频率）而变引起的色散）和波导色散（光纤某一模式对不同波长群速度不同，传播常数不同而产生的色散）。一般的色散都是指波长色散。

测定色散的方法主要有相位法和微分相位差法（使用具有不同波长的多个光源对光纤进行测量，通过比较不同模式信号的相位差来测定色散值）、脉冲法（时域下，测量接收到的不同模式的脉冲信号差，利用这一数据建立波长 - 色散的近似计算）、干涉法（使用可干涉（宽带）光源，以及包含参照光路和测定光路的测量系统，通过干涉图条纹，分析不同波长的延迟时间）。为了抑制光纤中的色散，可以基于纤芯半径、纤芯 - 包层折反射率差值等参数对色散的影响规律，采取相应的措施。

五、光纤的未来展望

随着科技的不断进步，光纤通信技术也在持续发展和创新。未来，光纤将在更多领域发挥重要作用，为人类社会带来更多的便利和变革。

在通信领域，光纤将继续朝着更高速度、更大容量、更远距离的方向发展。日本国家信息与通信技术研究所（NICT）携手多家科研机构，在无需升级现有光纤网络的前提下，成功实现了惊人的402 Tb/s数据传输速率，这一里程碑式的突破再次刷新了全球纪录。我国光通信技术也取得了突破性进展，科研人员在国内首次实现1.06Pbit/s超大容量波分复用及空分复用的光传输系统实验，可以实现一根光纤上近300亿人同时通话，标志着我国在“超大容量、超长距离、超高速率”光通信系统研究领域迈向了新的台阶。未来，随着5G、6G等新一代通信技术的发展，光纤将作为基础传输网络，为其提供强大的支持，实现更加高速、稳定、可靠的通信服务。

在物联网领域，光纤将连接起数以亿计的设备，实现万物互联。智能家居、智能交通、智能医疗等领域将因为光纤的广泛应用而得到飞速发展，人们的生活将变得更加便捷、智能和舒适。

在能源领域，光纤可以用于能源监测和传输。例如，利用光纤传感器可以实时监测电力设备的运行状态，及时发现故障隐患，保障电力系统的安全稳定运行。此外，光纤还可以用于传输激光能量，为未来的激光能源应用提供可能。

在医疗领域，光纤已经在医疗成像、内窥镜等方面得到了广泛应用。未来，随着技术的不断进步，光纤将在生物医学检测、光动力治疗等领域发挥更大的作用，为人类的健康事业做出更大的贡献。

光纤作为现代通信技术的核心组成部分，已经深刻地改变了我们的生活。它的出现和发展，让信息能够在全球范围内快速、准确地传递，推动了人类社会的进步和发展。随着科技的不断创新，光纤的未来充满了无限的可能，它将继续点亮信息时代的前行之路，为人类创造更加美好的明天。