光纖如何工作：是什么讓光留在光纖中？

如今，高速光纖連接徹底改變了我們的生活、工作和溝通方式。全球對帶寬和系統(tǒng)可靠性不斷增長的需求推動了超大規(guī)模技術的不斷采用，可擴展的全光纖網絡可在高峰需求時促進無縫數據流。在深入研究光纖原理之前，我們先簡要介紹一下從傳統(tǒng)銅基基礎設施過渡到現代光纖技術的優(yōu)勢。

與傳統(tǒng)銅纜的數據傳輸速度相比，光纖布線可提供更高的傳輸速度。當然，這還是光纖全部優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的銅布線不同，光纖以光而非電的形式傳輸數據，從而最大限度地減少緊湊布線管道和高密度網絡中的熱量問題。此外，單根光纖可以將信號傳輸超過100 公里以上，而銅纜中的信號衰減則發(fā)生在100米左右。

毫無疑問，光纖技術是未來高速、低延遲、超連接世界的支柱。為了解釋光纖的工作原理，并確定是什么使光留在光纖中，本文將簡要介紹光纖技術的基本特征，匯集了相關的因素、過程和支撐互補技術的科學原理，這些互補技術推動了光纖連接的未來前景。

光纜：結構和組成

光纖電纜由三個關鍵部件組成。一是載光核心，接下來是包層，最后是保護性外涂層（也稱為護套）。光纖電纜的每個組件（或圓柱形層）在數據作為光信號的有效傳播中都有特定的用途。理解折射、折射率和全內反射等術語有助于弄明白光纖中使用的材料的功能和用途。

光纜結構：

光信號穿過核心。核心由高度純化的二氧化硅 (SiO2) 和極少量的“摻雜劑”（例如鍺）組成，添加這些“摻雜劑”是為了調整折射率以獲得最佳的光傳輸。不同直徑的芯可用于不同的用途。例如，相對較窄的單模光纖直徑（通常約為 8-10 微米）將傳輸限制在單一、集中的路徑上，有助于保持長距離信號保真度?；蛘?，短距離（例如，在建筑物內或校園內）承載各種光信號的多模光纖需要 50+ 微米的直徑。

無論是單模還是多模，纖芯相對于包層較高的折射率是實現全內反射的一個因素。

包層圍繞核心。雙包層和三包層光纖服務于專門的高功率應用（例如工業(yè)激光系統(tǒng)）標準，而單包層光纖電纜則服務于電信和數據網絡等日常應用。包層的主要目的是將光限制在纖芯內。這是通過提供較低的折射率來實現全內反射來實現的。

外層不直接與穿過芯的光相互作用。相反，外層提供機械強度和物理保護，防止可能降低光纖內部材料折射率的環(huán)境因素。這些因素包括與天氣相關的進水和極端溫度，以及安裝和移動過程中的拉動、彎曲和扭曲。這樣，堅固的電纜護套有助于確保高效可靠的光傳輸。

為了更好地理解光如何在光纖中停留，我們必須開始將全內反射、臨界角和折射率的關鍵概念聯系起來。

什么是折射？

折射描述了光穿過不同密度的介質時方向的變化。例如，考慮用手電筒照射裝滿水的大玻璃碗。由于與照射到下方密度較大的水中的光相比，通過相對密度較小的空氣觀察到水線上方的光，因此光路的角度在進入點處似乎發(fā)生了變化。當光穿過不同密度的介質時，光的方向發(fā)生變化稱為折射（參見下面的斯涅爾定律）。

什么是折射率？

繼續(xù)用手電筒照進水中的例子，我們可能會問這樣的問題：“光總是以相同的角度折射嗎？”答案是否定的。光根據折射率以可計算的角度折射。通過了解例如水和空氣的折射率，可以將決定折射角的光學參數輸入到一個方程中，該方程顯示了室溫下預期折射的精確角度（在某些情況下，極端溫度會影響介質密度）必須考慮）。

折射率與纖芯和包層有何關系？

從密度較大的介質移動到密度較小的介質的光會偏離“法線”（即，在進入點垂直于兩種介質之間的界面的假想線）?；氐绞蛛娡驳睦樱覀兛赡軙紤]將手電筒浸入水中，這樣光線現在必須從密度較大的水中傳播到密度較小的空氣中，模擬光穿過核心并進入包層的情況。操縱手電筒的光束角超過“臨界角”會將光線反射到水中。同樣，穿過纖芯的光的角度必須超過臨界角，而包層必須提供比纖芯更低的折射率。

臨界角和全內反射

光以超過臨界角的角度從較致密的介質傳播到較不致密的介質時將經歷全內反射。這是光反射到密度較大的主要介質中并且不會進入密度較低的次要介質的地方。了解折射、折射率、臨界角和全內反射的原理使工程師能夠選擇纖芯和包層材料以獲得最佳光纖性能。

斯涅爾定律：了解折射

支持可靠的現代光纖傳輸的科學原理可以追溯到 1621 年，當時荷蘭天文學家和數學家Willebrord Snellius首次演示并推廣了折射定律的方程。然而，著名的歷史數學家此前曾提出過自己的折射理論，值得在此提及，其中包括大約生活在公元 100-170 年之間的古希臘托勒密，以及可能在 984 年證明了該方程的波斯科學家伊本·薩爾 (Ibn Sahl)。

斯涅爾定律：

解釋: 斯涅爾定律準確地確定了光在折射率已知的介質之間傳播時發(fā)生的折射角。以下是方程中所表示的數學成分的簡單細分：

n1—— 第一介質的折射率

n2—— 第二介質的折射率

θ1—— 入射角（即，光源角度與垂直于連接兩種介質交點處的平面繪制的假想線之間存在的可測量角度）

θ2—— 折射角（即，進入第二介質的折射光與垂直于在交點處連接兩種介質的平面繪制的假想線之間存在的可測量角度）

sin 是“ sine”的縮寫，是三角函數，用于將入射角和折射角與適當介質的各自折射率聯系起來。更簡單地說，sin 有助于計算一致的角度關系和波前行為，以及跨電信、成像系統(tǒng)和任何需要準確預測光行為的科學儀器的工程應用。

總結

由于光纖技術在高效傳輸大量數據方面具有高帶寬、無與倫比的速度和性能可靠性，因此被廣泛應用于許多常見應用中。例如，光纖連接支撐著高速互聯網、電話網絡、基于云的服務和移動通信。展望未來，對數據不斷增長的需求將推動我們如何將光纖解決方案融入互聯社會的更大創(chuàng)新和進步。

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