智能电网光纤需求（信息高速公路）

"你这个病我从来没有见过，我不知道怎么医"。

医生愣住了。

"我在倒四氯化硅的时候，嘭一下碰到我的眼睛，四氯化硅遇到水，会变成盐酸，我的眼睛痛得不得了，然后又有氯气，我闻到氯气又晕倒在地"。

"用蒸馏水冲洗眼睛,然后打吊针消炎就行"他告诉医生。

眼睛刚一消肿,还未痊愈,他又回到了实验室。

这是一生为光纤通信技术创新不停歇的"中国光纤之父"赵梓森，他在无设备、无技术、无人员的情况下，开始了中国的光纤攻关，在厕所旁拉出了第一根光纤，开启了我国光纤通信的新纪元。

左二为赵梓森

截止2019年6月，我国超过90%的宽带用户使用光纤接入，规模达3.96亿户，居全球首位。曾有媒体评论说，光纤通信是二战以来最有意义的"四大发明"之一，如果没有光纤通信，就不会有今天的互联网和通信网络。上网速度快了，越洋电话没那么贵了，5G技术进入大众生活了…这些都离不开光纤入户的普及。

光纤

光纤是光导纤维的简称，由玻璃或塑料制成，是携带数据、声音、图像信息的光信号传输的"通道"，光纤一般由纤芯、包层和涂覆层组成。

光纤的结构

光纤传输的原理

我们先来看一个趣味小实验，不妨在家试试（保持室内黑暗环境）：

准备材料：矿泉水瓶，手电筒、黑色遮光纸、水

实验过程：将矿泉水瓶用黑色遮光纸完全包裹，将瓶子装满水，将瓶盖拧紧后横置，用手电筒持续照射瓶子底部，再打开瓶盖使水外流。

你会发现，光随着水流而发生弯曲。光线本应沿直线传播，为什么会变得弯曲呢？这是因为用遮光纸覆盖后，光线在矿泉水瓶中传播不发生折射，只发生全反射，使其顺着水流传播。

根据全反射的原理，科学家们研制出了光纤。

了解光纤传输信息的原理，我们首先需要了解光的全反射：

入射光从较高折射率介质（也称为光密介质）射向较低折射率介质（也称为光疏介质）时，有如下入射情况：

当入射角θ0小于临界角θc时，光的折射和反射同时存在；

当入射角θ0逐渐增大至大于等于临界角θc时，折射光线将会消失（折射角等于90°），入射光线将全部被反射。

其中，θc可利用折射定律n1sinθc=n2sinθ2进行求解，当θ2=90°时，解得的θ1值即为临界角。

由此可得临界角的求解方程是：arcsin(n2/n1)

光纤传输过程中，入射光以一定的角度斜射进入光纤，在一系列锯齿状反弹中反射出纤芯和包层，遵循一个称为全反射的过程。

全反射的基本原理

光纤的发展

光在光纤中传输的基本前提是具有稳定的信号源：激光具有高亮度、方向性好、单色性好、相干性好的优良特性，是光纤传输的理想光源。

1916年，爱因斯坦（Albert.Einstein）指明受激辐射和自发辐射的关系，为激光的发展指明了道路。

自然界有很多物质都能受激发光，但只有少部分物质能够发出有用的激光，一般包括部分晶体、气体。1960年，美国人梅曼发明了红宝石激光器，以红宝石棒为工作物质，晶体基质为氧化铝（Al2O3）,晶体内掺有0.05%的（氧化铬）Cr2O3，以强光照射红宝石后可释放激光。

红宝石激光器

"光纤之父"高锟首次提出利用光信号传递信息，1964年提出用玻璃制作光纤，以此传递光信号，于1966年取得突破，发表了论文《光波介质表面波导》，指导如何制造光纤，掀起了研究光纤制造的热潮，并获得2009年诺贝尔物理学奖。

高锟

1970年，康宁公司制造出世界上第一根光纤，衰减为20dB/km（每经过1km，光信号强度衰减为原来的1%），可利用光信号放大器放大后继续传输；1970年，贝尔研究所研制出能在室温下连续工作的半导体激光器，被认为是可以作为光纤通讯的光源。

由于光纤和激光器重大技术的突破，使光纤通讯成为可能，1970年被称为值得纪念的"光纤通讯元年"。

到2000年，我国光缆干线总长度达到120万公里，共建成一级干线23条，在全国形成了"八横八纵"的光缆骨干网实体结构，全国通信网的传输光纤化比例达到80%以上，光纤的研制和生产取得长足发展。

海底光缆

光纤传输的损耗

光在光纤中的损耗主要有吸收、散射、弯曲三类损耗。

吸收：光纤制作材料对光的吸收，包括二氧化硅和诸如金属铜、铁、锰等杂质对光的吸收，因此提高光纤的纯度可以大大降低光纤的吸收损耗。

散射：光纤中的散射主要包括三种，分别是由折射率不均引起的瑞利散射（Rayleigh Scattering）、由光学声子引起的拉曼散射（Raman Scattering）和由声学声子引起的布里渊散射（Brillouin Scattering）。光纤中同时存在因光纤结构不完善使光的传播发生变化的光散射，如光纤材料分布不均匀、光纤熔接段、光纤中存在气泡等。

弯曲：光在光纤中传输基于全反射的基本原理，当光纤发生弯曲时，全反射不能完全发生，使部分光射向包层中而造成光损失。

海底光缆

光纤的传感性能

光纤中普遍存在的散射现象可以造成光的损耗，它有可利用价值吗？

光纤除用于通信，还可以用来做传感，监测诸如温度和应变等物理信号。光纤受外界温度或压力变化的影响，出射光相对入射光会产生一定的衰减，可以利用这一特性检测外部环境变化。这一原理与技术已被广泛应用于诸如大型水利工程、大型桥梁边坡、石油石化隧道交通、高速铁路防火系统、大型建筑结构健康检测等基础设施安全检测方面。

光纤传感的应用

光纤中的散射现象可以用于传感监测，以布里渊散射为例，布里渊散射光的频移量与光纤的有效折射率和超声声速有关，而此两者均会受温度和压力的影响而产生变化，因此，检测光纤沿线的布里渊频移量变化，即可得到温度或应力在光纤上的分布情况。

布里渊散射光的频移与光纤的温度、应变有关

光纤传输的优点

在通讯领域，光纤的普及速度为什么如此之快？

相较于传统电传输，光纤传输具有以下优点：

①光在光导纤维的传输损耗比电在电线传输的损耗小得多；

②光纤质量轻、体积小，光缆铺设可直埋、可管道铺设或架空铺设，应用灵活；

③光纤制作材料主要为石英玻璃，石英广泛存在于自然界，其价格相对于金属成本较低；

④传输速度快光纤带宽大，普通光纤带宽大概可以达到1Tbit/s，实验室制作的波分复用光纤带宽可以达到160Tbit/s，你一定会有疑问，为什么我们家用只有100兆？是因为虽然光纤带宽理论上限大，但运营商有权限设置；

1s传输30TB数据，我国光纤研发获突破

⑤传感距离长，现在光纤可以达到0.2dB/km，即每经过1km光信号只衰减5%；

⑥由于玻璃不导电，光纤抵抗外部电磁干扰能力强，信号损耗最小化；

⑦光纤同时作为光传感介质，拥有数百万传感点，可实现光纤的分布式传感测量；

⑧光纤的保密性好，传统电传输通过静电屏蔽，屏蔽性能欠佳，光信号在加涂层后的光纤中传输的泄露几乎可以忽略不计。

为了引领5G时代网络的发展，拓宽"信息高速公路"的范围，光纤通信必须要实现超高速率、超大容量、超长距离的传输，并逐步向更加宽领域、深层次的方向发展。近年来我国的光通信团队逐步取得突破性进展，光纤研制和成果逐步实现知识产权自主化，中国的光纤生产和技术正逐步走向世界前列。

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