六醉汉回家光信号在光纤的传播

六、醉汉回家——光信号在光纤的传播

首先，让我们来解剖一下光导纤维——光纤这个“救世主”，看看它的结构，再探讨光信号是如何在里面“跑”的。

光纤呈细长的圆筒状。最外面是一层不透光的“皮肤”。这层“皮肤”叫做涂覆层，用硅橡胶一类有韧性和结实的材料制作而成。正如人体的皮肤一样，它的功能是保护光纤内部脆弱的结构使其不受到外界的损害。它并不直接参与对光波的传输。涂覆层外面，往往还要再包上一层热塑材料，称为二次涂覆（图6-7）。

图6-7　光纤截面图

剥开不透光的“皮肤”，里面就是光纤的“肌肉”和“骨骼”了。“肌肉”叫做包层，最核心的“骨骼”叫做纤芯。两者都是用石英之类透明材料做成，光可以在里面传播。纤芯的折射率比包层要大。光信号正是在这最核心的“骨骼”里传播的。

如何保证光能沿着光纤传输呢？

想像一个酩酊大醉的酒鬼，昏头昏脑看不清方向。幸好，回家的路只有一条，而且两边都是高大的房屋和墙壁。这样，醉汉只需要尽力前进，不必严格平行于路的方向。当撞上一边的墙壁时，他便自然地朝另一边倒过去。这样曲曲折折地前进，总能到家。实际上光信号在光纤中传播，也与之类似。

设想光线从光纤的一端射进来，经过一段距离之后，到达光纤“骨骼”和“肌肉”的交界处。由于纤芯的折射率大于包层，因此，只要入射角足够大，光就会在两者的交界处发生全反射。也就是说，全部光都将反射回纤芯中。反射回来的光，很快又会在另一边的交界面发生全反射，如此，光波便在光纤的“骨骼”中曲折前行了。光信号是“酒鬼”，纤芯是道路，包层则是道路两旁的“墙壁”[图6-8(a)]。

那么，当光纤弯曲的时候，光信号在里面又如何传播呢？会不会发生什么可怕的事故呢？当光纤弯曲一个较小的角度，会造成光信号在“骨” “肉”界面的入射角减小。如果光纤弯曲得太厉害，使得入射角减小太多以致于小于了全反射所必须的角度，光信号就会在界面上发生折射，一部分光能量会损耗在“肌肉”——包层中。就像道路弯曲得太厉害一样，会让醉眼朦胧的酒鬼彻底迷失方向，一头扑进别人的房子里。但是，只要光纤弯曲得不是太厉害，传输的光信号依然会沿着光纤的“骨骼”不断全反射地前进[图6-8 (b)]。

图6-8

真正作为光纤通信的是直径为1.3厘米的光缆，它由32根细如发丝的光纤组成，可容50万对用户同时通话或同时传送5000个电视频道节目，不受电磁干扰，成本低，原料充足，可穿洋过海。全球兴建的信息高速公路，其中枢神经和骨干即是光缆，它允许话音、数据、图像、视频等多媒体信息双向快速传递，这对信息传输是很理想的了。