导语：
光纤线路彻底改变了长途电话、有线电视和互联网。
每当人们谈论电话系统、有线电视系统或互联网时，我们都会听到光纤电缆这个词。根据百度百科词条介绍，光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。光纤可以被描述为通过光穿过细纤维来传输数据、声音和图像的科学。
光纤线路是细如人发的光学纯玻璃束，可长距离传输数字信息。它们还用于医学成像和机械工程检查。本文，我们将向详细展示这些微小的玻璃丝是如何传输光线。
什么是光纤？
典型单模光纤的结构：1：纤芯，2：包层，3：缓冲层，4：护套。
光纤是长而细的非常纯的玻璃丝，直径约为人类头发的直径。它们排列成束，称为光缆，用于长距离传输光信号。单根光纤通常包括以下部分：
纤芯- 光在光纤中传播的薄中心。
包层- 围绕纤芯的外部光学材料，将光反射回纤芯。
缓冲层- 直接涂在光纤上的保护性塑料涂层。
护套- 电缆的保护性外层，可保护光纤免受损坏和潮湿。
成百上千根这样的光纤在光缆中排列成束，形成了光缆。
光纤有两种类型：单模光纤和多模光纤
单模光纤具有较小的纤芯（直径 9 微米）并传输红外激光（波长 = 1,300 至 1,550 纳米）。多模光纤具有较大的纤芯（直径约 62.5 微米），传输来自发光二极管(LED) 的红外光（波长 = 850 至 1,300 nm）。一些光纤可以由塑料制成。这些光纤具有大芯（约 1 毫米直径），可与硅芯片一起使用。玻璃纤维与硅的配合效果不佳，而且适应成本很高。
光纤如何传输光？
光纤中的全内反射图
假设我们用手电筒照射一条又长又直的走廊，那么我们只需将光束直接指向走廊即可 -因为光沿直线传播，所以这没有什么疑问。但是如果走廊有拐弯怎么办？那么我们可以在拐角处放置一面镜子来反射拐角处的光束。如果走廊非常蜿蜒且有多个弯怎么办？那我们可以在墙壁上排列镜子，并调整光束的角度，使其沿着走廊从一侧反射到另一侧。这正是光纤中发生的情况。
光缆中的光通过不断从包层（镜面墙壁）反射而穿过核心（走廊），这一原理称为全内反射。由于包层不吸收来自纤芯的任何光，因此光波可以传播很远的距离。
更官方的说法，光的全内反射是指当光线从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果入射角大于某一临界角θc（光线远离法线）时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质。
如下图，我们假设n1介质的折射率大于n2的折射率。当光线入射角为θ1时，如图中红线所示光线会发生向n1中的反射，又会发生向n2中的折射。当光线入射角为θ2时，向n2中折射的光纤会消失，所有光线被反射到n1介质中。
举个最简单的例子，如果我们在装满水的水桶上钻个小孔，并且用灯从水桶上面照亮，我们就会发现，光纤会随着水流”流“出来，水去哪里，光就会去哪里。
不过，当光纤传输距离较长时，光纤内的一些信号也会丢失。信号衰减的程度取决于玻璃的纯度、光纤的弯曲数量或连接光纤部分的接头数量以及传输光的波长。
光纤中继系统
为了了解光纤如何在通信系统中使用的，我们先举一个简单的例子，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上相互通信。一艘船与另一艘船并排停泊。一艘船的船长向甲板上的水手发送一条消息。水手将消息翻译成莫尔斯电码，并使用信号灯将消息发送到另一艘船。另一艘船甲板上的水手看到莫尔斯电码消息，将其解码为英语并将消息发送给船长。
现在我们类比到光纤系统，就会发现，光纤中继系统由以下部分组成：
发射器- 产生并编码光信号
光纤- 远距离传导光信号
光再生器- 可能需要增强光信号（用于长距离）
光接收器- 接收并解码光信号
发射机就像发送船甲板上的水手。它接收并引导光学器件以正确的顺序“打开”和“关闭”灯光，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将光聚焦到光纤中。激光器的功率比 LED 更高，但随温度变化的变化更大，而且价格也更昂贵。最常见的光信号波长为 850 nm、1,300 nm 和 1,550 nm（光谱中的红外、不可见部分）。
光再生器：如上所述，当光通过光纤传输时，尤其是长距离传输（例如海底电缆）时，会发生一些信号损失。因此，沿电缆拼接一个或多个光再生器以增强退化的光信号。
光再生器由带有特殊涂层（掺杂）的光纤组成。当衰减的信号进入掺杂涂层时，来自激光的能量使掺杂分子本身变成激光。然后，掺杂分子会发出新的、更强的光信号，其特征与传入的微弱光信号相同。基本上，再生器是输入信号的激光放大器。
光接收器：它就像接收船甲板上的水手。它接收传入的数字光信号，对其进行解码并将电信号发送到其他用户的计算机、电视或电话（接收船长）。接收器使用光电管或光电二极管来检测光。
光纤的优点
为什么光纤系统会彻底改变电信行业？与传统金属线（铜线）相比，光纤：
比较便宜。光纤电缆比铜线更昂贵，但也需要更少的维护。从长远来看，它可以为您和您的互联网提供商节省资金。
比较瘦。光纤可以拉制成比铜线更小的直径。
具有较高的承载能力。由于光纤比铜线更细，因此与铜线相比，给定直径的电缆中可以捆绑更多的光纤。这允许更多的电话线通过同一条电缆或更多的频道通过电缆进入您的有线电视盒。
信号衰减较少。光纤中的信号损失小于铜线中的信号损失。
不受光信号干扰。与铜线中的电信号不同，来自一根光纤的光信号不会干扰同一电缆中其他光纤的光信号。这意味着电话通话或电视接收更加清晰。
功率较低。由于光纤中的信号衰减较少，因此可以使用较低功率的发射器来代替铜线所需的高压电发射器。同样，这可以节省您和您的提供商的资金。
有数字信号。光纤非常适合传输数字信息，这在计算机网络中特别有用。
不易燃。由于光纤中没有电力传输，因此不会产生热量，从而降低了火灾风险。
重量轻。光缆的重量小于同类铜线电缆（每 1,000 英尺或 305 米重 4 磅或 2 公斤，而每 1,000 英尺为 39 磅或 18 公斤）。光纤电缆占用的地面空间也更少。
很灵活。由于光纤非常灵活并且可以传输和接收光，因此它们在许多灵活的数码相机中用于以下目的：
医学成像- 支气管镜、内窥镜、腹腔镜
机械成像-检查管道和发动机（飞机、火箭、航天飞机、汽车）中的机械焊缝
管道- 检查下水道管道
由于这些优点，您可以在许多行业中看到光纤，尤其是电信和计算机网络。例如，如果你从北京通过固定电话拨打上海的电话并且信号从通信卫星反射回来，你经常会听到线路上的回声。但通过光纤电缆，你可以实现无回声的直接连接。
后语：
尽管编者已经查阅了大量的相关资料，但由于自身水平的限制，难免有疏忽之处，在此欢迎各位读者批评指正。
参考译制：复克雷格·弗洛伊登里奇博士& Chris Pollette “光纤如何工作”，2001 年 3 月 6 日。
