現(xiàn)代光通信

劉晨

說現(xiàn)代光通信，我們不得不提光纖通信，不得不詳細(xì)說說光的全反射原理。

如前幾期所說，光纖通信是用激光作為信息的載體，并通過光導(dǎo)纖維來傳遞信息的通信系統(tǒng)，其原理很簡(jiǎn)單——光的全反射原理。光的全反射，是指光由光密介質(zhì)（此介質(zhì)的折射率大）射到光疏介質(zhì)（此介質(zhì)的折射率?。┑慕缑鏁r(shí)全部反射的現(xiàn)象。

那么，什么是折射率？它是光在真空中的傳播速度與光在某介質(zhì)中的傳播速度之比。一般情況下，當(dāng)光到達(dá)兩個(gè)折射率不同的介質(zhì)的交界面時(shí)，部分光折射，也就是說部分光“逃出”原先的介質(zhì)，進(jìn)入了另一種介質(zhì)，而其余光會(huì)反射，也就是說其余光并沒有“逃出”當(dāng)前的介質(zhì)。但是，當(dāng)入射角大于一定角度時(shí)，光的折射現(xiàn)象就消失了，所有光在介質(zhì)的交界處反射，導(dǎo)致光的全反射現(xiàn)象。

藍(lán)光的全反射

在上圖中，n1代表光密介質(zhì)，n2代表光疏介質(zhì)，紅光以小角度射人介質(zhì)，會(huì)折射和反射;藍(lán)光以大角度射人介質(zhì)，只反射。

1840年左右，科學(xué)家丹尼爾·科拉頓和雅克·巴比內(nèi)幾乎同一時(shí)間在法國(guó)巴黎提出可以根據(jù)光的折射現(xiàn)象來引導(dǎo)光。

1870年的一天，科學(xué)家約翰·丁達(dá)爾在演講時(shí)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)。他在裝滿水的木桶上鉆了一個(gè)孔，然后用燈從木桶上面把水照亮，觀眾看到：水帶著光從孔里流出來，水流彎曲，光也跟著彎曲，光居然被細(xì)細(xì)的水流“困住”了。

后來，人們?cè)斐鲆环N透明度很高、像蛛絲一樣細(xì)的玻璃纖維。光以合適的角度射人它后，就在里面彎彎曲曲地前進(jìn)，這種玻璃纖維被稱為光導(dǎo)纖維。

1950年左右，科學(xué)家納林德·辛格·卡帕尼和同伴展示了帶包層的光導(dǎo)纖維。其中心部分是纖芯——極細(xì)的且折射率稍大的玻璃;纖芯周圍的是玻璃包層，包層的折射率略小于纖芯的折射率。

納林德·辛格·卡帕尼

那么，光在光導(dǎo)纖維中是如何前進(jìn)的呢？您請(qǐng)看下圖：

光在光導(dǎo)纖維中前進(jìn)

光以大角度從一端射入光導(dǎo)纖維后，產(chǎn)生了全反射現(xiàn)象，就這樣反射來反射去，直至到達(dá)光導(dǎo)纖維的另一端。

現(xiàn)在的光導(dǎo)纖維

發(fā)現(xiàn)光可以在光導(dǎo)纖維中前進(jìn)以后，科學(xué)家最初應(yīng)用這一特性是在1920年左右。之后的一段時(shí)間，他們的主要研究方向是用光導(dǎo)纖維進(jìn)行圖像傳輸，比如研制醫(yī)學(xué)窺鏡、軍用可彎曲潛望鏡等。但最初的光導(dǎo)纖維存在一些缺點(diǎn)，比如光在傳輸圖像時(shí)損失嚴(yán)重，難以讓人滿意。

1963年，科學(xué)家西澤潤(rùn)一提出使用光導(dǎo)纖維通信。此外，他還發(fā)明了激光二極管和漸變折射率光學(xué)纖維，對(duì)光纖通信起到了非常大的推進(jìn)作用。

20世紀(jì)60年代，科學(xué)家高錕開始研究如何將光導(dǎo)纖維用為通信介質(zhì)。他從理論上證明了用光導(dǎo)纖維作為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)光通信的可能，建議使用玻璃纖維制造光導(dǎo)纖維，并預(yù)言了制造通信用的超低耗光導(dǎo)纖維的可能性。他首次提出：當(dāng)玻璃纖維的衰減值低于20dB/km時(shí)，用光導(dǎo)纖維通信即可成功。但是，當(dāng)時(shí)人們只能制造出衰減值為1000dB/km的光導(dǎo)纖維。后來，高錕研究后指出，高純度的石英玻璃是制造用于光通信的光導(dǎo)纖維的首選材料。

在現(xiàn)代光通信的發(fā)展史中，高錕扮演過很多重要的角色。為了改進(jìn)光導(dǎo)纖維加工工藝，他與工程師、科學(xué)家、商人等積極探討，不僅奔走于工程界，而且奔走于商業(yè)領(lǐng)域，去過著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室，也去過許多玻璃加工廠……

高錕

1970年，一家公司率先生產(chǎn)出衰減值低于20dB/km的光導(dǎo)纖維，成品衰減值達(dá)到17dB/km。幾年后，這家公司又生產(chǎn)出衰減值僅為4dB/km的光導(dǎo)纖維….

低損耗的光導(dǎo)纖維應(yīng)用于通信，使人類的溝通方式發(fā)生了革命性改變，也深遠(yuǎn)影響了整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展。