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生活在一個沒有互聯網、電子郵件、流媒體服務或社交媒體的世界,用旋轉撥號電話或寫信的方式和遠方的人溝通,為了買各種東西,必須開車去商店……澳大利亞《對話》網站日前報道指出,這就是光纖沒有面世時,人們身處的世界。
光纖始于20世紀60年代的物理實驗,如今已成為互聯網的“骨架”。它讓現代通信與傳感成為可能,重塑信息在全球的流轉以及人與人之間的聯結。從革新全球通信網絡,到支撐云計算、人工智能、物聯網等新興范式,60年來,光纖領域的創新從未止步。
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簡單結構承載海量信息
光纖是極細的玻璃絲,用來約束并傳輸光線。光所承載的信息,正是人們日常交流、觀影、購物的依托。
為遠距離傳輸光信號,光纖必須如明鏡般澄澈。光沿纖維傳播之際,部分光線會因玻璃分子散射而損耗。在現代光纖中,此類損耗已微乎其微,光可穿行數百英里,依然清晰可辨。
光纖結構簡單,由三層同心圓柱結構組成:內層為高純度石英玻璃(或塑料)制成的纖芯,折射率最高,是光信號傳輸的主要通道;中層為包層,材質與纖芯相似但摻雜不同,折射率較低,利用折射率差異實現光的全內反射;外層為涂覆層,通常為環氧樹脂或丙烯酸酯,不參與光傳輸,主要起機械保護與防潮之效。
而提到光纖,就不得不提125微米這個數字。國際電信聯盟等權威機構明確規定,通信光纖直徑為125微米(誤差不超過1微米),以確保全球設備、連接器與熔接設備的兼容。125微米直徑,既易于拉絲工藝中穩定生產,又兼顧機械強度與柔韌,便于光信號在纖芯中全反射傳輸,且與標準連接器適配。
取代銅線升級全球通信
光纖于上世紀60年代始受矚目。當時,物理學家納林德·辛格·卡帕尼發表開創性文章,展示光若射入玻璃纖維一端,則會從另一端完整而出。道理雖簡單,卻為光通信奠定了基石,預示了一個數據傳輸超乎想象的未來。
1966年,工程師喬治·霍克漢姆與高錕開展實驗,以探索不同材料及導光結構的透明度。他們斷定,如果玻璃足夠純凈,光纖可以將光傳遞到數公里之外。
研制更透明光纖的競賽自此打響發令槍。1970年,康寧公司科學家以化學氣相沉積法,造出極透明的光纖。在此類光纖與更成熟的激光脈沖技術的加持下,長距離光學通信應運而生。
此后數十載,光纖由奇妙的實驗室實驗,蛻變為不可或缺的基礎設施。銅線曾是數據傳輸的“橋梁”,但光纖因更低衰減、更高帶寬、更低延遲的優勢,后來者居上,漸次取代銅線,尤以長途與海底電纜為甚。這一轉變使全球通信更高效,也更經濟。
近年來,塑料光纖引發廣泛關注。相較于玻璃纖維,塑料光纖制造成本更低,卻同樣勝任高速數據傳輸,尤適用于數據量龐大的地方,如AI訓練設施與大型數據中心。
自1970年至今,光纖透明度提升逾百倍,網絡得以聯通世界。因在光纖領域取得開創性成就,高錕榮膺2009年諾貝爾物理學獎。
信息紐帶聯結現代生活
光纖跨越長距離承載海量信息,主要用于電信領域的高速數據傳輸,是移動網絡的支柱,支撐5G技術與物聯網日益增長的需求,連接從家庭到城市的一切。自1970年代以來,全球已制造了數十億公里長的光纖用于通信。
除了在通信領域穩居主角外,光纖在傳感、醫療、制造和國防等諸多領域也至關重要。
據國際光學委員會網站報道,航空航天與國防行業正經歷一場真正的科技變革,軍方對安全、高速且堅固通信的需求與日俱增,對下一代光纖的需求也水漲船高。專家預測,市場規模將從2024年的60億美元躍至2034年的158億美元。光纖系統正以更優性能、更高效率和更嚴格的安全保障,改變雷達、衛星、無人系統乃至電子戰的格局。
在醫療領域,光纖可用作體內成像與激光治療的導管,將光線精準送達所需之處,顯著提升醫學影像與操作精度。內窺鏡通過柔性玻璃纖維將光線直送人體內,醫生可借內窺鏡等設備進行復雜診斷。通過單模與多模光纖,醫生更方便使用激光治療與微創技術。
光纖也可用作地質事件(如地震)的傳感器,以及橋梁、道路、建筑物的監測器。光纖還被用作激光器內的光源,這種光纖激光器在加工、制造、國防和安全等領域廣泛應用。
此外,在生活和娛樂領域,光纖支持高清視頻流媒體,全面提升人們的視聽體驗。在人工智能、云計算與沉浸式媒體領域,光纖不斷提升高速、低延遲數據傳輸的標準。
未來光纖將繼續成為推動技術進步的核心力量,其以纖細透明之姿,承載全球對話與聯結。光纖60年的成長經歷也告訴人們:材料科學與大膽理念相結合,足以重塑全球傳播格局。
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