探索与发现

光纤通信技术的基本原理（见图1.10）和我们上面所制作的装置其实是很相似的，只不过在一切都数字化的今天，我们对激光亮度的调制也只有开和关两种状态（对应于1和0），这样的信号对噪声的抵御能力大大加强。另外，光纤的发明使得激光通信开始真正地进入应用阶段，这样光信号可以朝任意方向，以极低的损耗，高速传递大量的信息。“光纤之父”华人物理学家高锟先生也因此获得了2009年的诺贝尔物理学奖。

图1.10 光纤通信示意图

我有几个朋友是研究光纤通信的，我从他们那里要来了一段研究用的光纤，如图1.11所示，你也可以从网上买到一些带有光纤的玩具。商用的光纤一般都是用纯度极高的二氧化硅（玻璃的主要成分）做成，与普通易碎的玻璃不同，当二氧化硅在高温下融化并被拉成直径在10μm（0.01mm）左右的细丝时，它就变得非常柔韧，可以如图1.11那样弯折了。古人所谓百炼钢成绕指柔大概就是这种意境。

图1.11 光纤

光纤之所以能够引导光线传输，利用的是光在两种折射率不同的介质交界面上的全反射（现在科学家们正在研究其他结构的光纤，比如光子晶体光纤，其传导光的机制就和这个完全不同了，有兴趣的读者可以通过搜索了解详情）。图1.12（A）展示了一根光纤的两层结构。通过在二氧化硅中参入不同的其他微量成分，我们可以改变它的折射率，使得光纤的内芯具有较高的折射率（n1），而外层具有较低的折射率（n2）。我们知道光线从高折射率的介质进入低折射率的介质时能发生全反射（见图1.12（B））。当入射角θ满足关系：sinθ>n2/n1时，入射光都被完全反射了，所以光的能量在光纤里传递很远的距离而不会有大的损耗（光纤中，光能的损耗主要来自于二氧化硅中极少量的杂质对光的吸收和散射）。而传统的铜缆则不同，因为铜有电阻，它会吸收电信号的能量转化为热能；而且随着传递的信号频率增加，它的电阻越来越大，信号传出去没几十米就衰减得无法探测到了，所以不能用铜缆实现远距离高流量的传输。

图1.12 （A）光纤的两层结构；（B）全反射示意图

光纤技术仍然是当前科学研究的一个热门方向。如何进一步提高光纤的带宽（即传输数据的速度）是大家最关心的问题。虽然我觉得目前的网络已经足够快了，但是也许未来更快的光纤通信能够实现一些现在还无法想像的事情，等本书下一次出版时再聊吧！