光纤是怎么通信的

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上一篇文章提到了数据包经过路由器后，由路由器转发到互联网，分析了路由器的工作原理。对于那些还没有看过的人，请查看我的文章:

为什么手机连上WIFI后还能上网？路由器和交换机有什么区别？

那么数据包通过路由器转发进入互联网后去了哪里呢？

这是引入光纤的时候了。什么是光纤？

光纤是一种利用光来传输信息的技术。光纤的结构如下图所示。它由双层纤维透明材料(玻璃和塑料)制成，通过在内部纤芯中传导光信号来传输数字信息。

信号由多个频段的信号组成，比较复杂，但是光信号很简单，亮表示1，暗表示0。

然而，数字信号不能直接转换成光信号。我们需要先把数字信号转换成电信号，再把电信号转换成光信号。电信号很简单，高压代表1，低压代表0。

这种电信号输入LED、激光二极管等光源后，这些光源会根据信号电压的变化而发光，高压发光，低压发光暗。

该光信号在光纤中传导后，可以通过光纤到达接收端。该接收端设有一可感应光线的感光元件，该感光元件可根据光线的亮度产生不同的电压。

当光信号照射到其上时，亮时产生高电压，暗时产生低电压，从而将光信号转换成电信号。最后，电信号被转换成数字信息，然后我们接收数据。

这就是光纤的通信原理。

其中，光纤分为单模光纤和多模光纤。两者有什么区别？

单模光纤的芯更细，多模光纤的芯更粗，单模光纤更贵，传输距离更远。多模光纤比单模光纤便宜，但传输距离没有单模光纤远。

很多人可能会问，不是应该更厚更贵吗？实际上，光纤越细，技术要求越高。你认为把东西做得更小更难吗？越难越贵。

芯的直径对光的传输有很大的影响，而光纤通信的关键技术是能够传导光信号的光纤。

在透明材料中传导光听起来很简单，但实际上，传导光的方式非常复杂。不同材质的光纤透光率和折射率不同，纤芯直径等因素也会影响光的传输。

我们初中都学过光的折射和反射。光纤实际上是一个圆柱形的玻璃，光通过玻璃可以发生折射和反射，折射的部分会损失掉，而全反射的部分可以传输到光纤的另一端。

因为光源会向各个方向发射光，所以各种角度的光都会进入纤芯，但是入射角过大的光会在纤芯和包层的边界(纤芯的外边缘)发生折射，只有入射角小的光才会被包层全反射，从而在纤芯中前进。

但是，并不是所有全反射的光都能在光纤中传导，因为光也是一种波，会造成损耗。当光在纤芯和包层的边界被反射时，由于反射角的原因会发生相位变化。

当向反射面前进的光线遇到反射回来的光线时，如果这两种光线的相位不同，就会相互干涉，只有那些相位相同的光线才会在光纤中继续传导。

就像水的波纹一样，在波纹的中心会产生各种相位的波，不同相位的波会相互干涉。

如果周围没有障碍物，水面的波纹会一直以同心圆的形式向外扩散，但如果碰到两边的墙壁，波纹就会被反射回来。

此时，向墙壁传播的波和从墙壁反射的波将相互叠加，其中同相位的波相互增强，不同相位的波相互抵消。

在光纤中也是如此，只不过与水波不同，当光被纤芯和包层的边界反射时，它的相位会发生变化。

这种变化的量随着光在反射表面上的反射角而变化。在大多数角度，它会被不同相位引起的干扰抵消。

但在一定角度下，前进到反射面的光的相位与反射光的相位是一致的，只有在这些角度下反射的光才能继续向前透射。

进入光纤的光线有各种角度，但只有少数以特定角度入射以保持相位一致的光线会继续传导。

所以纤芯的直径对光的透射有很大的影响，因为直径决定了光的入射角。

根据纤芯直径，光纤可分为几种类型，一般包括较细的单模光纤(8 ~ 10μ m)和较粗的多模光纤(50微米或62.5微米)。

单模光纤的纤芯很细，只有小入射角的光才能进入。因此，在能保持相位一致的角度中，只有角度最小的光才能进入光纤。

反之，单模光纤的芯径设计成只允许同相位的最小角度光进入，也就是说，只有一束光在单模光纤上传导。

多模光纤的纤芯比较粗，入射角比较大的光也能进入。这样，在相位相同的角度中，不仅可以在光纤中传导最小的角度，还可以传导其他角度更大的角度，即可以在纤芯中同时传导多条光线。

换句话说，单模和多模实际上表明是否存在一个或多个相位相同的角度，这就决定了它们的特性也是不同的。

多模光纤可以传导多条光线，意味着可以通过更多的光线，对光源和光敏元件的性能要求更低，从而可以降低光源和光敏元件的价格。

相对来说，单模光纤在其芯内只能传导一种光，能通过的光更少。相应的，对光源和感光元件的性能要求更高，价格也更高，但信号失真会更小。

在多模光纤中，具有不同反射角的多条光线同时传导。反射角越大，光线被反射的次数就越多，传播的距离就越长。相对来说，反射角越小，光传播的距离越短。

光传播的距离会影响到达接收端的时间，即传播的距离越长，到达接收端的时间越长。因此，当多条射线在不同时间到达时，信号的宽度会被拉伸，从而导致失真。

所以光纤越长，失真越大，超过允许范围，通信就会出错。

而单模光纤则不会有这样的问题，因为纤芯中传输的光只有一种，不会因为传播距离的不同而产生时差，所以即使光纤很长，也不会产生严重的失真。

所以单模光纤的失真和损耗更小，可以比多模光纤传输的更远，所以多模光纤主要用于建筑物内部的连接，而单模光纤用于较远建筑物之间的连接。

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