光纤通信的进步： 从单模光纤到多芯光纤

在这篇文章中，我们将讨论光纤通信的应用和功能，以及该领域当前和未来的发展。

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光纤是由塑料或玻璃制成的柔性长线（纤维），能够将光从一端传输到另一端。与普通电缆相比，光纤的数据传输速率更高，损耗更小，同时还具有抗电磁辐射等其他优点。光纤通信方法在 20 世纪 70 年代首次得到实际应用，并在信息时代的到来中发挥了重要作用，在高吞吐量、长距离和主干网络中基本取代了电力传输。

光纤通信是何时开发的？
亚历山大-格雷厄姆-贝尔（Alexander Graham Bell）和查尔斯-萨姆纳-泰恩特（Charles Sumner Tainter）发明了光电话，利用光进行语音通信。从这面镜子反射出来的光线被投射到接收器的抛物面镜子上，并聚焦到一个硒电池上；光的模式转换成电子信号，然后再转换成声音信号。

当时的传输距离约为 200 米，但由于大气传输的特性，传输会出现严重失真。要使这种技术成为可行的通信方法，还需要更强大的激光或光纤技术。

20 世纪 50 年代和 60 年代，轧制玻璃被开发为光纤介质；随着高锟和乔治-霍克汉姆发现玻璃中的污染物是造成损耗的主要原因，无损耗传输能力取得了巨大进步。

1977 年，美国通用电话和电子公司在加利福尼亚长滩首次实现了真正意义上的光纤通信，传输速率达到 6 Mbit/s。同年，在康宁玻璃公司、倍耐力公司和意大利通信研究中心 CSELT 的共同努力下，意大利都灵的市内通信速率达到了 140 Mbit/s。

什么是单模光纤和多芯光纤？
20 世纪 80 年代初，尽管人们发现单模光纤电缆总体上更胜一筹，但大多数光纤通信电缆都采用多模光纤色散。多模光纤比单模光纤大得多，约为 50-100 μm，而单模光纤只有 8-10 μm。这些直径较大的光纤能让更多的光线通过，从而在一定程度上简化了接收端的电子设备。

光在多模光纤中还可以双向传播，而单模光纤则是单向的。不过，多模光纤的可用长度和信息容量要短得多，因为它们受到模色散的影响。由于光在单模光纤中只能单向传播，或者更恰当地说，只有一种传播模式，因此光可以聚焦到一个衍射受限的光斑上，即理论上完美的光学系统可能达到的最大分辨率。这在科研和其他精密光学系统中有多种用途。

多芯光纤，顾名思义，就是在一根光纤中包含多个芯，实际上就是单模光纤，通过一根同样小巧的光纤大幅提高整体带宽容量。

通常情况下，多芯光纤中可能包含四到八根单模光纤，均匀分布在直径约 125 μm 的保护套中。多芯光纤通信被寄予厚望，但尚未在海底光纤通信线路中广泛应用。

多芯光纤面临的问题之一是如何与传输线末端的接收设备或光纤对准，因为与传统电子设备不同，它们需要做的不仅仅是简单的接触，还必须完全不透光，并以高精度对准。因此，处理直径如此细小的多根独立透光光纤会带来与分离有关的光学挑战。

多芯光纤还有其他应用吗？
多芯光纤也是一种有用的干涉仪，因为多芯光纤之间可能存在弱耦合和强耦合，这取决于它们的位置是否接近。干涉仪是一种利用光波的破坏性和建设性干涉进行测量的方法，在这种情况下，耦合的单模光纤在相互共振的情况下传输光。

因此，光纤中的弯曲和动态运动，包括振动、曲率、扭曲、矢量弯曲和流体流动，都可以根据单根多芯光纤中耦合单模光纤不断变化的相互作用来解释。

使用多芯光纤还可测量其他外部参数，如温度、气体浓度和环境折射率等。后几种光纤传感器使用集成传感单元，从光缆中收集光线，并检测光线通过空气时的强度、散射角、速度和其他参数的变化。

特定分子对某些波长光线的吸收比对其他波长光线的吸收更强，这取决于分子的组成以及与电子激发能量有关的因素，因此这些波长光线强度的变化可以表明所述分子的存在。温度测量通常基于折射率的变化；由于大气气体的密度随温度变化而变化，光线通过时的散射程度略有不同。
参考资料

Ortiz, A. M., & Sáez, R. L.. (2018). Multi-Core Optical Fibers: Theory, Applications and Opportunities. https://doi.org/10.5772/intechopen.72458

Yao, Y., Zhao, Z., & Tang, M. (2023). Advances in Multicore Fiber Interferometric Sensors. Sensors, 23(7), 3436. https://doi.org/10.3390/s23073436

Multi-Core Fiber:The highly anticipated, next-generation high-speed communication technology https://orbray.com/magazine_en/archives/2240

作者：Michael Greenwood