现代光通信

刘晨

说现代光通信，我们不得不提光纤通信，不得不详细说说光的全反射原理。

如前几期所说，光纤通信是用激光作为信息的载体，并通过光导纤维来传递信息的通信系统，其原理很简单——光的全反射原理。光的全反射，是指光由光密介质（此介质的折射率大）射到光疏介质（此介质的折射率小）的界面时全部反射的现象。

那么，什么是折射率？它是光在真空中的传播速度与光在某介质中的传播速度之比。一般情况下，当光到达两个折射率不同的介质的交界面时，部分光折射，也就是说部分光“逃出”原先的介质，进入了另一种介质，而其余光会反射，也就是说其余光并没有“逃出”当前的介质。但是，当入射角大于一定角度时，光的折射现象就消失了，所有光在介质的交界处反射，导致光的全反射现象。

蓝光的全反射

在上图中，n1代表光密介质，n2代表光疏介质，红光以小角度射人介质，会折射和反射;蓝光以大角度射人介质，只反射。

1840年左右，科学家丹尼尔·科拉顿和雅克·巴比内几乎同一时间在法国巴黎提出可以根据光的折射现象来引导光。

1870年的一天，科学家约翰·丁达尔在演讲时做了一个简单的实验。他在装满水的木桶上钻了一个孔，然后用灯从木桶上面把水照亮，观众看到：水带着光从孔里流出来，水流弯曲，光也跟着弯曲，光居然被细细的水流“困住”了。

后来，人们造出一种透明度很高、像蛛丝一样细的玻璃纤维。光以合适的角度射人它后，就在里面弯弯曲曲地前进，这种玻璃纤维被称为光导纤维。

1950年左右，科学家纳林德·辛格·卡帕尼和同伴展示了带包层的光导纤维。其中心部分是纤芯——极细的且折射率稍大的玻璃;纤芯周围的是玻璃包层，包层的折射率略小于纤芯的折射率。

纳林德·辛格·卡帕尼

那么，光在光导纤维中是如何前进的呢？您请看下图：

光在光导纤维中前进

光以大角度从一端射入光导纤维后，产生了全反射现象，就这样反射来反射去，直至到达光导纤维的另一端。

现在的光导纤维

发现光可以在光导纤维中前进以后，科学家最初应用这一特性是在1920年左右。之后的一段时间，他们的主要研究方向是用光导纤维进行图像传输，比如研制医学窥镜、军用可弯曲潜望镜等。但最初的光导纤维存在一些缺点，比如光在传输图像时损失严重，难以让人满意。

1963年，科学家西泽润一提出使用光导纤维通信。此外，他还发明了激光二极管和渐变折射率光学纤维，对光纤通信起到了非常大的推进作用。

20世纪60年代，科学家高锟开始研究如何将光导纤维用为通信介质。他从理论上证明了用光导纤维作为介质实现光通信的可能，建议使用玻璃纤维制造光导纤维，并预言了制造通信用的超低耗光导纤维的可能性。他首次提出：当玻璃纤维的衰减值低于20dB/km时，用光导纤维通信即可成功。但是，当时人们只能制造出衰减值为1000dB/km的光导纤维。后来，高锟研究后指出，高纯度的石英玻璃是制造用于光通信的光导纤维的首选材料。

在现代光通信的发展史中，高锟扮演过很多重要的角色。为了改进光导纤维加工工艺，他与工程师、科学家、商人等积极探讨，不仅奔走于工程界，而且奔走于商业领域，去过著名的贝尔实验室，也去过许多玻璃加工厂……

高锟

1970年，一家公司率先生產出衰减值低于20dB/km的光导纤维，成品衰减值达到17dB/km。几年后，这家公司又生产出衰减值仅为4dB/km的光导纤维….

低损耗的光导纤维应用于通信，使人类的沟通方式发生了革命性改变，也深远影响了整个人类社会的发展。