羅馬人一定特別 大約2000年前，他們對自己發明鉛管的那一天感到滿意。終于，他們 有一個簡單的方法將他們的水從一個地方帶到另一個地方。 想象一下，他們會用現代光纖電纜——“管道”來制造什么。 可以在七分之一的時間內將電話和電子郵件帶到世界各地 第二!

　　照片：光導管：光纖意味著通過使細塑料或玻璃從墻壁上反彈來將光束從墻壁上反復反彈，從而將光束發送到細條上。這是一個模擬圖像。請注意，在某些國家/地區，包括英國， 光纖拼寫為“光纖”。 如果您正在在線查找信息，則始終 值得搜索兩種拼寫。

　　什么是光纖?

　　我們習慣于信息以不同方式傳播的想法。 當我們對著座機說話時 電話, 電線電纜承載 我們的聲音傳到墻上的插座上，另一根電纜 將其帶到本地電話交換機。 手機 工作方式不同 方式：他們使用隱形發送和接收信息 收音機 波浪 - a 技術稱為無線，因為它不使用電纜。光纖 第三種方式。它發送在光束中編碼的信息 之 光 下 一 玻璃 或 塑膠 管。它最初是開發的 用于 1950 年代的內窺鏡，以幫助醫生看到人體內部，而無需 先把它切開。在 1960 年代，工程師找到了一種使用 以光速傳輸電話的相同技術 (通常是真空中的每秒 186，000 英里或 300，000 公里， 但在光纖電纜中減慢到此速度的三分之二左右)。

　　光學技術

　　光纖電纜由極細的股線組成 被稱為光纖的玻璃或塑料;一根電纜可以只有兩根 股或多達數百股。每股小于 十倍像人的頭發那么粗，可以承載大約25，000個電話， 因此，一整根光纖電纜可以輕松承載數百萬個呼叫。 “單模”光纖的當前記錄(如下所述)是 每秒 178 太比特(萬億位)，足以進行 1 億次 Zoom 會話 (根據纖維專家杰夫·赫克特(Jeff Hecht)的說法)!

　　光纖電纜在兩個地方之間傳輸信息 全光學(基于光)技術。假設您要發送 來自您的信息 計算機 自 街上朋友的房子 使用光纖。您可以將計算機連接到 激光哪 將來自計算機的電氣信息轉換為一系列 光脈沖。然后，您將激光從光纖電纜上發射。 沿著電纜行進后，光束將出現在 另一端。你的朋友需要一個 光電電池 (光檢測 組件)將光脈沖轉換回電信息 他或她的電腦可以理解。所以整個設備將是 就像一個非常整潔的高科技版本的電話，你可以 用兩個烤豆罐和一根繩子做成!

　　照片：一段 144 股光纖電纜。每根線都由光學純玻璃制成，比人的頭發還細。圖片由技術中士Brian Davidson提供，由 美國空軍.

　　光纖的工作原理

　　光沿著光纜傳播 反復從墻上彈起。每個微小的 光子 (光的粒子) 沿著管道彈跳，就像雪橇在冰上滑下一樣。現在你 可能會期待一束光， 在透明玻璃管中行進，只是為了從邊緣泄漏。但 如果光線以非常淺的角度(小于 42 度)照射到玻璃上，則 再次反射回來——仿佛玻璃真的是一個 鏡子.這 現象稱為 全內反射. 這是保持管道內光線的原因之一。

　　照片：光纖電纜足夠細，可以彎曲，在彎曲的路徑中也吸收內部的光信號。圖片由NASA格倫研究中心(NASA-GRC)和 互聯網檔案館.

　　保持管道光線的另一件事是 電纜，由兩個獨立的部分組成。主要部分 電纜(在中間)稱為 核心 這就是位 光線穿過。包裹在核心外部的是另一個 玻璃層稱為 熔 覆.包層的工作是保持 核心內的光信號。它可以做到這一點，因為它是由 不同類型的玻璃到核心。(更技術上，覆層 有一個較低的 折射率.)

　　藝術品：全內反射使光線從光纖電纜內部反射。

　　光纖電纜的類型

　　光纖將光信號沿其下傳輸，稱為 模式. 這聽起來很技術，但只是意味著不同的旅行方式： 模態只是光束沿著光纖向下的路徑。一種模式是 直接沿著光纖的中間向下。另一個是 以較淺的角度向下反彈光纖。其他模式涉及彈跳 從其他角度向下的光纖，或多或少陡峭。

　　藝術品：上圖：光在單模和多模光纖中以不同的方式傳播。下圖：典型的單模光纜內部(未按比例繪制)。薄芯被直徑大約十倍的包層包圍，塑料外涂層(約包層直徑的兩倍)，一些由堅韌材料制成的增強纖維，例如 凱夫拉爾?，外面有保護性外套。

　　最簡單的光纖類型稱為 單模. 它有一個非常薄的核心，大約 5-10 微米(百萬分之一 一米)的直徑。在單模光纖中，所有信號都傳輸 從中間直下，邊緣不反彈(黃線在 圖)。有線電視， 互聯網，電話信號一般采用單模傳輸 纖維，纏繞成一束。像這樣的電纜可以發送 超過 100 公里(60 英里)的信息。

　　另一種類型的光纖電纜 被稱為 多模.每根光纖在 多模電纜大約 10 次 在單模電纜中比一個大。 這意味著光束可以通過遵循 品種 不同的路徑(黃色、橙色、藍色和青色線條)— 換句話說，在 多種不同的模式。 多模電纜只能發送信息 在相對較短的距離內，并且(除其他外)用于 鏈接 計算機網絡 一起。

　　甚至更粗的纖維也用于稱為 胃鏡 (一種內窺鏡)， 哪些醫生戳破某人的喉嚨以檢測里面的疾病 他們的胃。胃鏡是一種粗光纖電纜，由 許多光纖。在胃鏡的頂端，有一個 目鏡和 燈。燈將其光線從電纜的一部分照射到 病人的胃。當光線到達胃部時，它會反射掉 胃壁成 鏡頭 在電纜底部。然后它回到另一部分 電纜插入醫生的目鏡。其他類型的內窺鏡的工作原理相同 方式，可用于檢查身體的不同部位。還有一個 該工具的工業版本，稱為纖維內窺鏡，可以使用 檢查諸如無法接近的機器之類的東西 飛機 發動機。

　　試試這個光纖實驗!

　　這個漂亮的小實驗是現代對一個著名的 愛爾蘭物理學家約翰·廷德爾于1870年進行的科學演示。

　　最好在 黑暗 浴室或 廚房在水槽或洗臉盆。你需要一個舊的透明塑料飲料瓶，最亮的手電筒(手電筒) 你可以找到，一些 鋁 箔紙和一些粘性膠帶。

　　拿起塑料瓶，將鋁箔緊緊包裹在兩側， 讓瓶子的頂部和底部不被覆蓋。如果需要， 用膠帶將箔紙固定到位。

　　將瓶子裝滿水。

　　打開手電筒并將其按在 瓶子，所以光線在水中閃耀。它最好工作，如果你 將手電筒緊緊地按在瓶子上。你需要盡可能多的光線 要盡可能進入瓶子，所以盡可能使用最亮的手電筒 找到。

　　站在水槽旁，傾斜瓶子，讓水開始倒入 外。保持手電筒緊緊地壓在瓶子上。如果房間 變暗了，你應該看到水的噴口照亮了 稍。注意水如何用光束攜帶光線 邊走邊彎!如果您在水龍頭中看不到太多光線，請嘗試使用更亮的手電筒。

　　照片：從下面看，你的水瓶應該是這樣的 用鋁箔包裹。鋁箔可防止光線從瓶子側面漏出。 不要蓋住瓶子的底部，否則光線將無法進入。 右邊的黑色物體是我的手電筒，就在我按下之前 它靠在瓶子上。你已經可以看到它的一些光線照射到底部 瓶。

　　光纖的用途

　　將光線射入管道似乎是一門整潔的科學 派對技巧，你可能認為不會有很多實際應用 類似的東西。但就像 電力 可以為許多人供電 機器類型，光束可以攜帶多種類型的 信息，因此它們可以在很多方面幫助我們。我們沒有注意到只是 光纖電纜變得多么普遍，因為 它們攜帶的激光供電信號在我們腳下很遠的地方閃爍，很深 在辦公樓層和城市街道下。使用的技術 IT — 計算機網絡、廣播、醫療掃描和 軍事裝備(僅舉四個例子)——這樣做是看不見的。

　　照片：在光纖電纜上工作。圖片由Nathanael Callon提供，由 美國空軍.

　　計算機網絡

　　光纖電纜現在是長距離傳輸信息的主要方式，因為 與舊式銅電纜相比，它們具有三大優勢：

　　衰減更小：(信號丟失)信息在需要放大之前會傳播大約 10 倍，這使得光纖網絡的運行和維護更簡單、更便宜。

　　無干擾：與銅纜不同，光纖之間沒有“串擾”(電磁干擾)，因此它們以更好的信號質量更可靠地傳輸信息。

　　更高的帶寬：正如我們已經看到的，光纖電纜可以比相同直徑的銅電纜承載更多的數據。

　　你現在正在閱讀這些文字，這要歸功于 互聯網.您可能偶然發現了帶有搜索引擎的此頁面 像谷歌一樣，它運營著一個由巨型數據中心組成的全球網絡。 通過大容量光纖電纜連接(現在正試圖 向我們其他人推出快速光纖連接)。點擊后 搜索引擎鏈接，您已從我的網站下載了此網頁 服務器和我的話已經吹了大半路給你更多 光纖電纜。事實上，如果您使用的是快速光纖 寬帶、光纖電纜幾乎完成了所有的工作 你上網的時間。具有大多數高速 寬帶 僅連接 信息旅程的最后一部分(所謂的“最后 英里“從街道上的光纖連接機柜到您的房子 或公寓)涉及老式電線。是光纖電纜， 不 銅 電線，現在帶有“喜歡”和“推文” 我們的街道，穿過越來越多的農村地區，甚至 在連接大陸的海洋深處。如果你想象 互聯網(和 萬維網 騎在它上面)作為全球 蜘蛛網，將其固定在一起的股線是光纖電纜; 根據一些估計，光纜覆蓋 超過99%的互聯網總里程, 并攜帶 超過99%的國際通信流量.

　　人們訪問互聯網的速度越快， 他們可以而且將會在網上做更多的事情。的到來 寬帶互聯網使現象成為可能 云計算 (人們使用在線遠程存儲和處理他們的數據的地方 服務，而不是在自己的場所中使用家庭或商用 PC)。在 同樣，光纖寬帶的穩步推出(通常 比傳統的DSL寬帶快5-10倍，后者使用 普通 電話線) 將使它更加普遍 人們做這樣的事情 流 在線觀看電影而不是觀看 廣播電視或租借 DVD。光纖容量更大，速度更快 連接，我們將跟蹤和控制更多方面 我們的在線生活使用所謂的 物聯網.

　　但不僅僅是公共互聯網數據 沿著光纖線路流下。計算機曾經通過連接 通過電話線或(較短距離)銅線長距離 以太網 電纜，但光纜越來越受歡迎 將計算機聯網的方法，因為它們非常實惠，安全， 可靠，并且具有更高的容量。而不是鏈接其 通過公共互聯網的辦公室，完全有可能 公司建立自己的光纖網絡(如果它有能力的話) 或者(更有可能)在專用光纖網絡上購買空間。許多私人 計算機網絡運行在所謂的 暗光纖哪 聽起來有點險惡，但只是另一個未使用的容量 網絡(等待點亮的光纖)。

　　互聯網被巧妙地設計成運送任何 用于任何用途的信息種類;它不僅限于攜帶 計算機數據。雖然電話線曾經承載著互聯網，但現在 光纖互聯網攜帶電話(和 Skype) 調用。 電話曾經被路由到錯綜復雜的拼湊中 城市之間的銅纜和微波鏈路，大多數長距離 呼叫現在通過光纖線路路由。從 1980 年代開始鋪設了大量的纖維;估計差異很大，但據信全球總數為數億公里(足以穿越美國約一百萬次)。在 2000 年代中期，據估計，其中多達 98% 是未使用的“暗光纖”;今天，盡管使用更多的光纖，但人們仍然普遍認為大多數網絡包含三分之一到一半的暗光纖。

　　照片：光纖網絡的建設成本很高(主要是因為挖掘街道的成本很高)。由于勞動力和建設成本比電纜本身貴得多，許多網絡運營商故意鋪設比他們目前需要的更多的電纜。圖片由Chris Willis提供 美國空軍.

　　廣播

　　早在20世紀初， 收音機 和 電視 廣播誕生于一個相對簡單的想法：它是 技術上很容易拍攝 電磁波 通過空氣 從單個發射機(在廣播電臺)到數千個 天線 在人們的家中。如今，雖然無線電仍然在空中發射，但我們同樣有可能得到我們的 通過光纖電纜的電視。

　　有線電視公司率先從 1950年代以后，最初使用 同軸電纜 (銅纜周圍纏繞著金屬屏蔽護套以防止串擾干擾)，僅攜帶少量模擬電視信號。隨著越來越多的人連接到電纜和網絡開始提供 頻道和節目的選擇更多，有線電視運營商發現他們 需要從同軸電纜切換到光纖，然后從 模擬到數字 廣播。幸運的是，科學家 已經在弄清楚這怎么可能;早在1966年， 高錕 (和他的同事喬治·霍克漢姆)做了數學計算，證明了單根光纖電纜是如何做到的。 為數百個電視頻道(或數百個)傳輸足夠的數據 千個電話)。這只是時間問題 有線電視界注意到了——高錕的“開創性成就”得到了應有的認可 當他被授予2009年諾貝爾物理學獎時。

　　除了提供更高的容量外，光學 光纖受干擾較小，因此提供更好的信號(圖片 和聲音)質量;它們需要較少的放大來增強信號，因此 他們長途跋涉;而且它們的成本更高 有效。未來，光纖寬帶很可能是怎樣的 我們大多數人看電視，也許是通過 系統如 IPTV(互聯網協議電視)，它使用 互聯網傳輸數據的標準方式(“分組交換”)到 按需提供電視節目和電影。雖然銅電話 線路仍然是進入許多人家庭的主要信息途徑， 未來，我們與世界的主要連接將是高帶寬光纖 電纜承載任何和各種信息。

　　藥

　　可以幫助醫生窺視的醫療設備 在我們的身體內部沒有將它們切開是第一個適當的 半個多世紀前光纖的應用。今天 胃鏡(這些東西被稱為)與 曾經，但光纖繼續催生重要的新形式 醫學掃描和診斷。

　　最新的發展之一被稱為 實驗室 一根纖維，并涉及插入細如發絲的光纖電纜， 內置傳感器，進入患者體內。這些種類的纖維是 規模與通信電纜中的規模相似，比通信電纜更薄 胃鏡中使用的相對笨重的光導。他們如何 工作?光線從燈或激光穿過它們，穿過零件 醫生想要研究的身體。當燈光呼嘯而過時 纖維，患者的身體在特定改變其性質 方式(非常輕微地改變光的強度或波長， 也許)。通過測量光的變化方式(使用技術 如 干涉), 連接到另一端的儀器 纖維可以測量患者身體的一些關鍵方面 正在工作，例如他們的體溫，血壓， 細胞酸堿度, 或血液中存在藥物。換句話說， 而不是簡單地使用光來觀察患者體內，這 光纖電纜的類型使用光來感測或測量它。

　　軍事

　　照片：戰場上的光纖。這種增強型光纖制導導彈(EFOG-M)的機頭安裝了一個紅外光纖攝像機，以便發射它的炮手可以看到它在行進時要去哪里。圖片由 美國陸軍.

　　很容易想象互聯網用戶鏈接 由巨大的光纖電纜網連接在一起;它不太明顯 世界高科技軍事力量以同樣的方式聯系在一起。 光纖電纜價格低廉，薄，重量輕，容量大， 強大的抗攻擊能力，并且非常安全，因此它們提供了完美的 連接軍事基地和其他設施的方法，例如 導彈發射場和 雷達 跟蹤站。因為他們沒有 攜帶電信號，它們不發出電磁信號 敵人可以探測到的輻射，并且它們對輻射具有強大的抵抗力 電磁干擾(包括系統性的敵人“干擾” 攻擊)。另一個好處是纖維重量相對較輕 電纜與傳統電線相比，由笨重且昂貴 銅金屬。坦克 軍事 飛機和 直升機 擁有所有 一直在慢慢地從金屬電纜切換到光纖電纜。部分地 這是降低成本和減輕重量的問題(光纖電纜重近90 比同類“雙絞線”銅纜低百分比)。但 它還提高了可靠性;例如，與傳統電纜不同 在飛機上，必須小心地屏蔽(絕緣)以保護 它們可抵御雷擊，光纖完全免疫 到那種問題。

　　誰發明了光纖?

　　1840年代：瑞士物理學家 丹尼爾·科拉登 (1802-1893)發現他可以沿著水管發光。水帶著光 內部反思。

　　1870年：一位愛爾蘭物理學家 約翰·廷德爾 (1820-1893)在倫敦皇家學會進行了內部反思。他把光芒照進了 水壺。當他從水壺里倒出一些水時， 光線沿著水的路徑彎曲。這種“彎曲”的想法 光“正是光纖中發生的事情。雖然科拉登是 作為光纖的真正祖父，廷德爾經常贏得榮譽。

　　1930年代： 海因里希·拉姆 和 沃爾特·格拉赫二 德國學生，試圖用光管制作胃鏡—— 用于觀察某人胃內的儀器。

　　1950年代：在英國倫敦，印度物理學家 納林德·卡帕尼 (1926-2021)和英國物理學家 哈羅德·霍普金斯 (1918–1994) 設法將一張簡單的圖片發送到由數千根玻璃纖維制成的光管中。 在發表了許多科學論文后，卡帕尼贏得了 “光纖之父”。

　　1957年：密歇根大學的三位美國科學家， 勞倫斯·柯蒂斯, 羅勒·赫斯科維茨和 威爾伯·彼得斯，成功利用光纖技術制造出世界上第一臺胃鏡。

　　1960年代：中國出生的美國物理學家 高錕 (1933-2018)和他的同事喬治·霍克漢姆(George Hockham)意識到，不純玻璃對遠程光纖毫無用處。Kao建議，由非常純凈的玻璃制成的光纖電纜將能夠在更長的距離內傳輸電話信號，并被授予 2009年諾貝爾物理學獎 這一突破性的發現。

　　1960年代：研究人員在 康寧玻璃公司 制造了第一條能夠承載的光纖電纜 電話信號。

　　~1970年： 唐納德·凱克 康寧的同事找到了發送更遠的信號(損失更小)的方法，促使 開發第一條低損耗光纖。

　　1977年：第一條光纖電話電纜在長灘和加利福尼亞州阿蒂西亞之間鋪設。

　　1988年：第一條跨大西洋光纖電話電纜TAT8在美國，法國和英國之間鋪設。

　　2022年：根據 遠程地理，目前大約有436根海底光纖電纜 (在世界海洋下承載通信)，總共延伸 130萬公里(80萬英里)。 這比2019年的378根電纜有所增加，盡管覆蓋的總距離大致相同。