让互联网成为可能的光纤通信网

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2012年，一个研究小组创下了世界纪录，他们只花1秒钟就将1 Pbit数据从50公里长的电缆一端传到了另一端—— 1 Pbit数据相当于10,000小时的高清视频。这可不是普通电缆，而是增强型光纤，是连接我们星球、使互联网成为可能的隐形网络。
光纤是什么，它的工作原理是怎样的呢？ Sajan Saini探索了这项重要技术。

课程教授：Sajan Saini, 动画执导：Artrake Studio

在2012年，

由日本和丹麦研究人员组成的小组
创下了一项世界记录，

在一根50千米的电缆上

传输 1 Pbit 的数据用时只有1秒——

这相当于一万小时的高清视频。

这可不是普通电缆。

这是一种增强型光纤——

组成了连接我们的星球、

让互联网成为可能的隐形网络。

几十年来，

城市或国家间的长距离沟通

都由经铜线传导的

电信号承载。

这种方式慢而低效，

金属线限制了数据传输速率，
而且电线发热造成功率损耗。

但在20世纪晚期，

工程师掌握了一种更好的传输方式。

不再使用金属导线，

而是将玻璃精心融化后
拉成柔韧的纤维，

纤维可长至几百公里，
和人的头发一样细。

纤维不再传递电信号，

而是传递代表数字信号的光脉冲。

但光如何在玻璃纤维中传导
而不会穿出去呢？

秘密就在于光全内反射现象。

自艾萨克·牛顿时代以来，

眼镜制造商和科学家们已经知道，

光穿过空气和其他介质
如水或玻璃的交界时产生折射。

当一束穿过玻璃的光
以很陡的角度抵达玻璃表面时，

它会发生折射，
即弯折后进入空气中。

但如果光束角度很小时，

它会产生反射并留在玻璃中，

在琉璃中来回反弹。

在特定条件下，

透光的东西就能把光藏在其内，
不会让光穿透出来。

与电信号或无线信号相比，

光纤信号在长距离传输中
几乎没有损耗——

会散失一点能量，

且光纤不能大角度弯折，

否则光信号会外泄。

如今一根光纤可承载
不同波长的光信号，

不同波长传输不同的数据。

一段光缆包含几百根光纤。

大洋底纵横交错的百万公里光缆，

它们将各大洲连在一起——

光缆总长足以绕赤道差不多30圈。

有了光纤，

数据传输不再受距离的限制，

而互联网则发展为全球计算机。

我们的移动工作和娱乐

更加依赖位于世界各地
超大数据中心的

大量超负荷工作的计算机服务器,

这就是云计算，

而它引发了两个大问题：

热损耗和带宽要求。

多数网络传输
发生在各数据中心内部，

而这些服务器都是由传统电缆连接，

一半的运行功率
以热损耗方式浪费掉了。

与此同时，无线带宽需求稳步增长，

移动设备中使用的千兆赫兹信号

已达到其数据传输极限。

光纤为通信领域带来的革命，

助长了对云计算
和移动计算的过高预期，

但集成光学这项
相关技术应运而生。

光不仅可以在光纤中传导，

也可以在超薄硅中传导。

虽然光在超薄硅中的
传导性不及光纤，

但它们让工程师能够

将百公里光纤网络中的设备

集成到可插入服务器的
微小光子芯片中，

实现电信号和光信号互转。

有了光电转换芯片，

数据中心中就可以
将损耗大的电缆换成节能光纤。

光子芯片也打破了无线带宽限制。

研究人员正在努力

用太赫兹频率取代移动千兆赫信号，

将数据传输速度提高数千倍。

但它们是短距离无线信号：

容易被空气中的水分吸收，

或被高层建筑物阻挡。

通过分布在整个城市的

无线-光纤光子发射器微型芯片，

太赫兹信号可以进行远距离传输。

中间传输借助稳定的光纤来实现，

让超高速无线连接成为现实。

在人类历史上，

光带给我们热并照亮世界，

陪伴我们探索物理世界
并定居下来。

现在，我们给光插上了信息的翅膀，

让它沿着光纤超高速公路飞奔 ——

配备多种集成光子出口——

去构建一个更加广阔的虚拟世界。