導語：
光纖線路徹底改變了長途電話、有線電視和互聯網。
每當人們談論電話系統、有線電視系統或互聯網時，我們都會聽到光纖電纜這個詞。根據百度百科詞條介紹，光纖是光導纖維的簡寫，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作爲光傳導工具。光纖可以被描述爲通過光穿過細纖維來傳輸數據、聲音和圖像的科學。
光纖線路是細如人發的光學純玻璃束，可長距離傳輸數字信息。它們還用于醫學成像和機械工程檢查。本文，我們將向詳細展示這些微小的玻璃絲是如何傳輸光線。
什麽是光纖？
典型單模光纖的結構：1：纖芯，2：包層，3：緩沖層，4：護套。
光纖是長而細的非常純的玻璃絲，直徑約爲人類頭發的直徑。它們排列成束，稱爲光纜，用于長距離傳輸光信號。單根光纖通常包括以下部分：
纖芯- 光在光纖中傳播的薄中心。
包層- 圍繞纖芯的外部光學材料，將光反射回纖芯。
緩沖層- 直接塗在光纖上的保護性塑料塗層。
護套- 電纜的保護性外層，可保護光纖免受損壞和潮濕。
成百上千根這樣的光纖在光纜中排列成束，形成了光纜。
光纖有兩種類型：單模光纖和多模光纖
單模光纖具有較小的纖芯（直徑 9 微米）並傳輸紅外激光（波長 = 1,300 至 1,550 納米）。多模光纖具有較大的纖芯（直徑約 62.5 微米），傳輸來自發光二極管(LED) 的紅外光（波長 = 850 至 1,300 nm）。一些光纖可以由塑料制成。這些光纖具有大芯（約 1 毫米直徑），可與硅芯片一起使用。玻璃纖維與硅的配合效果不佳，而且適應成本很高。
光纖如何傳輸光？
光纖中的全內反射圖
假設我們用手電筒照射一條又長又直的走廊，那麽我們只需將光束直接指向走廊即可 -因爲光沿直線傳播，所以這沒有什麽疑問。但是如果走廊有拐彎怎麽辦？那麽我們可以在拐角處放置一面鏡子來反射拐角處的光束。如果走廊非常蜿蜒且有多個彎怎麽辦？那我們可以在牆壁上排列鏡子，並調整光束的角度，使其沿著走廊從一側反射到另一側。這正是光纖中發生的情況。
光纜中的光通過不斷從包層（鏡面牆壁）反射而穿過核心（走廊），這一原理稱爲全內反射。由于包層不吸收來自纖芯的任何光，因此光波可以傳播很遠的距離。
更官方的說法，光的全內反射是指當光線從較高折射率的介質進入到較低折射率的介質時，如果入射角大于某一臨界角θc（光線遠離法線）時，折射光線將會消失，所有的入射光線將被反射而不進入低折射率的介質。
如下圖，我們假設n1介質的折射率大于n2的折射率。當光線入射角爲θ1時，如圖中紅線所示光線會發生向n1中的反射，又會發生向n2中的折射。當光線入射角爲θ2時，向n2中折射的光纖會消失，所有光線被反射到n1介質中。
舉個最簡單的例子，如果我們在裝滿水的水桶上鑽個小孔，並且用燈從水桶上面照亮，我們就會發現，光纖會隨著水流”流“出來，水去哪裏，光就會去哪裏。
不過，當光纖傳輸距離較長時，光纖內的一些信號也會丟失。信號衰減的程度取決于玻璃的純度、光纖的彎曲數量或連接光纖部分的接頭數量以及傳輸光的波長。
光纖中繼系統爲了了解光纖如何在通信系統中使用的，我們先舉一個簡單的例子，艦隊中的兩艘海軍艦艇需要在保持無線電靜默或在波濤洶湧的海上相互通信。一艘船與另一艘船並排停泊。一艘船的船長向甲板上的水手發送一條消息。水手將消息翻譯成莫爾斯電碼，並使用信號燈將消息發送到另一艘船。另一艘船甲板上的水手看到莫爾斯電碼消息，將其解碼爲英語並將消息發送給船長。
現在我們類比到光纖系統，就會發現，光纖中繼系統由以下部分組成：
發射器- 産生並編碼光信號
光纖- 遠距離傳導光信號
光再生器- 可能需要增強光信號（用于長距離）
光接收器- 接收並解碼光信號
發射機就像發送船甲板上的水手。它接收並引導光學器件以正確的順序“打開”和“關閉”燈光，從而生成光信號。
發射器在物理上靠近光纖，甚至可能有一個透鏡將光聚焦到光纖中。激光器的功率比 LED 更高，但隨溫度變化的變化更大，而且價格也更昂貴。最常見的光信號波長爲 850 nm、1,300 nm 和 1,550 nm（光譜中的紅外、不可見部分）。
光再生器：如上所述，當光通過光纖傳輸時，尤其是長距離傳輸（例如海底電纜）時，會發生一些信號損失。因此，沿電纜拼接一個或多個光再生器以增強退化的光信號。
光再生器由帶有特殊塗層（摻雜）的光纖組成。當衰減的信號進入摻雜塗層時，來自激光的能量使摻雜分子本身變成激光。然後，摻雜分子會發出新的、更強的光信號，其特征與傳入的微弱光信號相同。基本上，再生器是輸入信號的激光放大器。
光接收器：它就像接收船甲板上的水手。它接收傳入的數字光信號，對其進行解碼並將電信號發送到其他用戶的計算機、電視或電話（接收船長）。接收器使用光電管或光電二極管來檢測光。
光纖的優點爲什麽光纖系統會徹底改變電信行業？與傳統金屬線（銅線）相比，光纖：
比較便宜。光纖電纜比銅線更昂貴，但也需要更少的維護。從長遠來看，它可以爲您和您的互聯網提供商節省資金。
比較瘦。光纖可以拉制成比銅線更小的直徑。
具有較高的承載能力。由于光纖比銅線更細，因此與銅線相比，給定直徑的電纜中可以捆綁更多的光纖。這允許更多的電話線通過同一條電纜或更多的頻道通過電纜進入您的有線電視盒。
信號衰減較少。光纖中的信號損失小于銅線中的信號損失。
不受光信號幹擾。與銅線中的電信號不同，來自一根光纖的光信號不會幹擾同一電纜中其他光纖的光信號。這意味著電話通話或電視接收更加清晰。
功率較低。由于光纖中的信號衰減較少，因此可以使用較低功率的發射器來代替銅線所需的高壓電發射器。同樣，這可以節省您和您的提供商的資金。
有數字信號。光纖非常適合傳輸數字信息，這在計算機網絡中特別有用。
不易燃。由于光纖中沒有電力傳輸，因此不會産生熱量，從而降低了火災風險。
重量輕。光纜的重量小于同類銅線電纜（每 1,000 英尺或 305 米重 4 磅或 2 公斤，而每 1,000 英尺爲 39 磅或 18 公斤）。光纖電纜占用的地面空間也更少。
很靈活。由于光纖非常靈活並且可以傳輸和接收光，因此它們在許多靈活的數碼相機中用于以下目的：
醫學成像- 支氣管鏡、內窺鏡、腹腔鏡
機械成像-檢查管道和發動機（飛機、火箭、航天飛機、汽車）中的機械焊縫
管道- 檢查下水道管道
由于這些優點，您可以在許多行業中看到光纖，尤其是電信和計算機網絡。例如，如果你從北京通過固定電話撥打上海的電話並且信號從通信衛星反射回來，你經常會聽到線路上的回聲。但通過光纖電纜，你可以實現無回聲的直接連接。
後語：
盡管編者已經查閱了大量的相關資料，但由于自身水平的限制，難免有疏忽之處，在此歡迎各位讀者批評指正。
參考譯制：複克雷格·弗洛伊登裏奇博士& Chris Pollette “光纖如何工作”，2001 年 3 月 6 日。
