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科技科普：小光纤大世界（一）、
前言
支撑现代社会生活最主要的两个要素就是能源与信息，它们涉及国家的安全战略与未来的发展空间。对信息的把控，目前西方国家无所不用其极。
在过去历史中，人们的信息传递很不及时。马拉松战役之后，竟然要通过士兵跑上几十公里来送信。在古代中国，修建了驿道，通过不断换人换马的方法，实现日行几百里的信息传递。我们的祖先还发明了万里长城和烽火台，以便用最快的速度来通报边境敌情。还有很多次，由于信息不畅，造成战役失败，比如滑铁卢战役，要是拿破仑有台手机，也许战斗结果就会完全不同。
因此，
实现迅捷的信息传递一直是人类追求的目标。
今天，我们生活在一个信息大爆炸的时代，随着电子技术、计算机技术和光通信技术的发展，我们获取信息、传递信息变得异常便捷。通过电脑、PAD、手机，我们可以随时随地工作、学习、交友、看视频，听音乐、看新闻，购物，点外卖等等。我们还可以将照片、语音和视频等数据传递到“云端”进行存储和处理，需要时再下载欣赏或使用。每天，我们产生海量的数据并在全球快速传播。
可是，你们有没有想过，这些信息是通过什么从一个地方传到地球的另一个地方的呢？
信息社会我们随时随地都在获取信息
01 信息从哪里来
小朋友们一般都知道，信息是通过网络来的。网络又分为两种，有线网络和无线网络。
通过天上的卫星，人们实现了远程通讯。可是全球通过卫星传递的信息量不到总信息量的1%。
地质学家在野外作业或者舰船在海上航行，一般都要配置卫星电话，平时可舍不得用，更不可能用来看视频。只有在关键时候，才用来和外界通讯。主要原因还是因为卫星通信的带宽还远远不够，通讯费也很贵。
那么剩余的99%的国际数据流量通过什么来传递？答案是“光纤！”。
1、2018年全球生产的光纤可以绕地球12000圈。
2、中国的光缆总长度可以绕地球1100圈。
3、全球大约有378条海底光缆，总长度超过120万公里。
只要看看这些数据，我们就能大体体会光纤在现代通信中的重要地位。可以毫不夸张的说，光纤是当今社会的信息神经。而且，随着5G通信时代的到来，加上云计算、大数据、物联网等技术发展，光纤通信的地位还会越来越重要。
02 什么是光纤
在生活中有可能见到过光纤，比如光纤手电筒、光纤服装、光纤音频线、光纤照明等。但是人们还是会对光纤有很多误解。
首先光纤不是“光线”，它是一种多层结构的导光材料，不是光本身。其次、它也不能被误读为“光钎”。
光纤通信的优点：速度快、带宽大、传输距离远、抗干扰、重量轻。
各种结构光纤
真正的光纤是什么样子的呢？
光纤就是可以导光的纤维
真正的通信光纤我们平时很难看到，它们通常被深埋在地下或是海底。宋老师在课堂给大家展示了一段光纤。大家发现光纤非常小，无色透明，直径和头发丝差不多。
通信光纤及光缆
03 光纤的传光原理
根据斯涅尔定律（Snell’s Law）我们可以知道，当光从光密介质入射到光疏介质时，存在一个特定的角度，当光的入射角大于这个角度时，所有的光会被全部反射回来。这就是全反射角。
全反射原理示意图
宋老师用激光笔和水槽演示了什么是光的全反射，小朋友们看得津津有味。
如果我们留心观察，在现实生活中也可以观察到全反射现象。比如从鱼缸下面或者从游泳池下面向上看，可以看到水面有清晰的倒影。以及音乐喷泉中灯光沿着水柱向任意方向传输。
全反射是一种无损耗的反射，如果排除材料引起的损耗，这样通过多次全反射，光就可以沿着波导一直传播下去了。
瑞士的克拉顿Daniel Colladon 利用水柱在1842年演示了“光管”。
人们惊奇地发现，正常情况下光沿着直线传递，可是光也可以沿着弯曲水流的方向传递。如果这个水流足够长，光就能够沿着弯曲的方向传递很远。当然，如果将水流换成细细的玻璃圆柱体，这样光也可以在这个细细长长的圆柱体里无数次全反射，从而进行远距离传输，这样就形成了光纤。
1926年, 贝尔德(J.L.Baird) 申请了采用玻璃纤维阵列应用于电视成像的英国专利。该专利是用数千玻璃纤维组成的导光束来传送图片。1953年，荷兰人荷尔(Van Heel)设计了有外包层的光纤。两三年后，柯蒂斯(L. Curtiss)制作了第一个带包层的光纤。1960年，Kapany 在他的论文里首次使用了“纤维光学”的词。
1926年J.L.Baird
玻璃纤维阵列成像
1953年van Heel
外包层的光纤
04低损耗光纤的实现
光纤的基本结构已经产生，但是还没有产生真正的光纤，主要原因是当时的玻璃传输损耗高达1000dB/km（而当时的同轴电缆的损耗是5-10dB/km)。光在这样的光纤中传输很快就会被损耗殆尽，根本不能实现远距离通信。
1966年高锟（Charles K. Kao）和他的导师 George Hockham共同发表一篇光纤通信史上最为重要的论文《光频率介质纤维表面波导》，通过分析和实验指出，玻璃的损耗主要来源于杂质的吸收，如果将玻璃中的杂质浓度降低到1ppm（百万分之一）就可以将光纤的损耗降低到20dB/km。但是，高锟的这个预言当时并没有受到重视，当时几乎没人相信玻璃的损耗可以做到如此之低。
通过高锟领奖词我们可以看到，从预言到最后实现其中经历了很多挫折，终于在Corning公司的合作下于1970年制作出了第一根真正的光纤。从此开辟了突飞猛进的光纤通信时代。由于高锟在光纤及光纤通信领域的杰出贡献，推动了人类社会的巨大进步，2009年他获得了诺贝尔物理学奖。
有时候我会想，中国人错过了三次工业革命和现代科技的产生与快速发展，但是在通信领域却早早的做出了杰出贡献，今天中国的华为在通信领域也世界领先。这也许在冥冥之中预示着中国将在信息时代会走在世界的前列。
05 光纤放大器
随着制造工艺的不断发展，光纤损耗不断降低，最小损耗低至0.14dB/km。地球周长大约为4万公里，光纤的传输损耗已经非常低了，但是要全球传输还存在巨大困难。2万公里的传输损耗大约有2800dB，因此，必须要采用基于掺铒光纤放大器的中继器。
工作状态的掺铒光纤
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科技科普：小光纤大世界（一）、
在过去历史中，人们的信息传递很不及时。马拉松战役之后，竟然要通过士兵跑上几十公里来送信。在古代中国，修建了驿道，通过不断换人换马的方法，实现日行几百里的信息传递。我们的祖先还发明了万里长城和烽火台，以便用最快的速度来通报边境敌情。还有很多次，由于信息不畅，造成战役失败，比如滑铁卢战役，要是拿破仑有台手机，也许战斗结果就会完全不同。
因此，
实现迅捷的信息传递一直是人类追求的目标。
今天，我们生活在一个信息大爆炸的时代，随着电子技术、计算机技术和光通信技术的发展，我们获取信息、传递信息变得异常便捷。通过电脑、PAD、手机，我们可以随时随地工作、学习、交友、看视频，听音乐、看新闻，购物，点外卖等等。我们还可以将照片、语音和视频等数据传递到“云端”进行存储和处理，需要时再下载欣赏或使用。每天，我们产生海量的数据并在全球快速传播。
可是，你们有没有想过，这些信息是通过什么从一个地方传到地球的另一个地方的呢？
1、2018年全球生产的光纤可以绕地球12000圈。
2、中国的光缆总长度可以绕地球1100圈。
3、全球大约有378条海底光缆，总长度超过120万公里。
只要看看这些数据，我们就能大体体会光纤在现代通信中的重要地位。可以毫不夸张的说，光纤是当今社会的信息神经。而且，随着5G通信时代的到来，加上云计算、大数据、物联网等技术发展，光纤通信的地位还会越来越重要。
如果我们留心观察，在现实生活中也可以观察到全反射现象。比如从鱼缸下面或者从游泳池下面向上看，可以看到水面有清晰的倒影。以及音乐喷泉中灯光沿着水柱向任意方向传输。
全反射是一种无损耗的反射，如果排除材料引起的损耗，这样通过多次全反射，光就可以沿着波导一直传播下去了。
1926年, 贝尔德(J.L.Baird) 申请了采用玻璃纤维阵列应用于电视成像的英国专利。该专利是用数千玻璃纤维组成的导光束来传送图片。1953年，荷兰人荷尔(Van Heel)设计了有外包层的光纤。两三年后，柯蒂斯(L. Curtiss)制作了第一个带包层的光纤。1960年，Kapany 在他的论文里首次使用了“纤维光学”的词。
玻璃纤维阵列成像
外包层的光纤
听说，打赏我的人最后都找到了真爱。
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