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科技科普：小光纖大世界（一）、
前言
支撐現代社會生活最主要的兩個要素就是能源與信息，它們涉及國家的安全戰略與未來的發展空間。對信息的把控，目前西方國家無所不用其極。
在過去曆史中，人們的信息傳遞很不及時。馬拉鬆戰役之後，竟然要通過士兵跑上幾十公裏來送信。在古代中國，修建了驛道，通過不斷換人換馬的方法，實現日行幾百裏的信息傳遞。我們的祖先還發明了萬裏長城和烽火台，以便用最快的速度來通報邊境敵情。還有很多次，由於信息不暢，造成戰役失敗，比如滑鐵盧戰役，要是拿破侖有台手機，也許戰鬥結果就會完全不同。
因此，
實現迅捷的信息傳遞一直是人類追求的目標。
今天，我們生活在一個信息大爆炸的時代，隨著電子技術、計算機技術和光通信技術的發展，我們獲取信息、傳遞信息變得異常便捷。通過電腦、PAD、手機，我們可以隨時隨地工作、學習、交友、看視頻，聽音樂、看新聞，購物，點外賣等等。我們還可以將照片、語音和視頻等數據傳遞到“雲端”進行存儲和處理，需要時再下載欣賞或使用。每天，我們產生海量的數據並在全球快速傳播。
可是，你們有沒有想過，這些信息是通過什麽從一個地方傳到地球的另一個地方的呢？
信息社會我們隨時隨地都在獲取信息
01 信息從哪裏來
小朋友們一般都知道，信息是通過網絡來的。網絡又分為兩種，有線網絡和無線網絡。
通過天上的衛星，人們實現了遠程通訊。可是全球通過衛星傳遞的信息量不到總信息量的1%。
地質學家在野外作業或者艦船在海上航行，一般都要配置衛星電話，平時可舍不得用，更不可能用來看視頻。隻有在關鍵時候，才用來和外界通訊。主要原因還是因為衛星通信的帶寬還遠遠不夠，通訊費也很貴。
那麽剩餘的99%的國際數據流量通過什麽來傳遞？答案是“光纖！”。
1、2018年全球生產的光纖可以繞地球12000圈。
2、中國的光纜總長度可以繞地球1100圈。
3、全球大約有378條海底光纜，總長度超過120萬公裏。
隻要看看這些數據，我們就能大體體會光纖在現代通信中的重要地位。可以毫不誇張的說，光纖是當今社會的信息神經。而且，隨著5G通信時代的到來，加上雲計算、大數據、物聯網等技術發展，光纖通信的地位還會越來越重要。
02 什麽是光纖
在生活中有可能見到過光纖，比如光纖手電筒、光纖服裝、光纖音頻線、光纖照明等。但是人們還是會對光纖有很多誤解。
首先光纖不是“光線”，它是一種多層結構的導光材料，不是光本身。其次、它也不能被誤讀為“光釺”。
光纖通信的優點：速度快、帶寬大、傳輸距離遠、抗幹擾、重量輕。
各種結構光纖
真正的光纖是什麽樣子的呢？
光纖就是可以導光的纖維
真正的通信光纖我們平時很難看到，它們通常被深埋在地下或是海底。宋老師在課堂給大家展示了一段光纖。大家發現光纖非常小，無色透明，直徑和頭發絲差不多。
通信光纖及光纜
03 光纖的傳光原理
根據斯涅爾定律（Snell’s Law）我們可以知道，當光從光密介質入射到光疏介質時，存在一個特定的角度，當光的入射角大於這個角度時，所有的光會被全部反射回來。這就是全反射角。
全反射原理示意圖
宋老師用激光筆和水槽演示了什麽是光的全反射，小朋友們看得津津有味。
如果我們留心觀察，在現實生活中也可以觀察到全反射現象。比如從魚缸下麵或者從遊泳池下麵向上看，可以看到水麵有清晰的倒影。以及音樂噴泉中燈光沿著水柱向任意方向傳輸。
全反射是一種無損耗的反射，如果排除材料引起的損耗，這樣通過多次全反射，光就可以沿著波導一直傳播下去了。 
瑞士的克拉頓Daniel Colladon 利用水柱在1842年演示了“光管”。
人們驚奇地發現，正常情況下光沿著直線傳遞，可是光也可以沿著彎曲水流的方向傳遞。如果這個水流足夠長，光就能夠沿著彎曲的方向傳遞很遠。當然，如果將水流換成細細的玻璃圓柱體，這樣光也可以在這個細細長長的圓柱體裏無數次全反射，從而進行遠距離傳輸，這樣就形成了光纖。
1926年, 貝爾德(J.L.Baird) 申請了采用玻璃纖維陣列應用於電視成像的英國專利。該專利是用數千玻璃纖維組成的導光束來傳送圖片。1953年，荷蘭人荷爾(Van Heel)設計了有外包層的光纖。兩三年後，柯蒂斯(L. Curtiss)製作了第一個帶包層的光纖。1960年，Kapany 在他的論文裏首次使用了“纖維光學”的詞。
1926年J.L.Baird
玻璃纖維陣列成像
1953年van Heel
外包層的光纖
04低損耗光纖的實現
光纖的基本結構已經產生，但是還沒有產生真正的光纖，主要原因是當時的玻璃傳輸損耗高達1000dB/km（而當時的同軸電纜的損耗是5-10dB/km)。光在這樣的光纖中傳輸很快就會被損耗殆盡，根本不能實現遠距離通信。
1966年高錕（Charles K. Kao）和他的導師 George Hockham共同發表一篇光纖通信史上最為重要的論文《光頻率介質纖維表麵波導》，通過分析和實驗指出，玻璃的損耗主要來源於雜質的吸收，如果將玻璃中的雜質濃度降低到1ppm（百萬分之一）就可以將光纖的損耗降低到20dB/km。但是，高錕的這個預言當時並沒有受到重視，當時幾乎沒人相信玻璃的損耗可以做到如此之低。
通過高錕領獎詞我們可以看到，從預言到最後實現其中經曆了很多挫折，終於在Corning公司的合作下於1970年製作出了第一根真正的光纖。從此開辟了突飛猛進的光纖通信時代。由於高錕在光纖及光纖通信領域的傑出貢獻，推動了人類社會的巨大進步，2009年他獲得了諾貝爾物理學獎。
有時候我會想，中國人錯過了三次工業革命和現代科技的產生與快速發展，但是在通信領域卻早早的做出了傑出貢獻，今天中國的華為在通信領域也世界領先。這也許在冥冥之中預示著中國將在信息時代會走在世界的前列。
05 光纖放大器
隨著製造工藝的不斷發展，光纖損耗不斷降低，最小損耗低至0.14dB/km。地球周長大約為4萬公裏，光纖的傳輸損耗已經非常低了，但是要全球傳輸還存在巨大困難。2萬公裏的傳輸損耗大約有2800dB，因此，必須要采用基於摻鉺光纖放大器的中繼器。
工作狀態的摻鉺光纖
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在過去曆史中，人們的信息傳遞很不及時。馬拉鬆戰役之後，竟然要通過士兵跑上幾十公裏來送信。在古代中國，修建了驛道，通過不斷換人換馬的方法，實現日行幾百裏的信息傳遞。我們的祖先還發明了萬裏長城和烽火台，以便用最快的速度來通報邊境敵情。還有很多次，由於信息不暢，造成戰役失敗，比如滑鐵盧戰役，要是拿破侖有台手機，也許戰鬥結果就會完全不同。
因此，
實現迅捷的信息傳遞一直是人類追求的目標。
今天，我們生活在一個信息大爆炸的時代，隨著電子技術、計算機技術和光通信技術的發展，我們獲取信息、傳遞信息變得異常便捷。通過電腦、PAD、手機，我們可以隨時隨地工作、學習、交友、看視頻，聽音樂、看新聞，購物，點外賣等等。我們還可以將照片、語音和視頻等數據傳遞到“雲端”進行存儲和處理，需要時再下載欣賞或使用。每天，我們產生海量的數據並在全球快速傳播。
可是，你們有沒有想過，這些信息是通過什麽從一個地方傳到地球的另一個地方的呢？
1、2018年全球生產的光纖可以繞地球12000圈。
2、中國的光纜總長度可以繞地球1100圈。
3、全球大約有378條海底光纜，總長度超過120萬公裏。
隻要看看這些數據，我們就能大體體會光纖在現代通信中的重要地位。可以毫不誇張的說，光纖是當今社會的信息神經。而且，隨著5G通信時代的到來，加上雲計算、大數據、物聯網等技術發展，光纖通信的地位還會越來越重要。
如果我們留心觀察，在現實生活中也可以觀察到全反射現象。比如從魚缸下麵或者從遊泳池下麵向上看，可以看到水麵有清晰的倒影。以及音樂噴泉中燈光沿著水柱向任意方向傳輸。
全反射是一種無損耗的反射，如果排除材料引起的損耗，這樣通過多次全反射，光就可以沿著波導一直傳播下去了。
1926年, 貝爾德(J.L.Baird) 申請了采用玻璃纖維陣列應用於電視成像的英國專利。該專利是用數千玻璃纖維組成的導光束來傳送圖片。1953年，荷蘭人荷爾(Van Heel)設計了有外包層的光纖。兩三年後，柯蒂斯(L. Curtiss)製作了第一個帶包層的光纖。1960年，Kapany 在他的論文裏首次使用了“纖維光學”的詞。
玻璃纖維陣列成像
外包層的光纖
聽說，打賞我的人最後都找到了真愛。
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