這種「玻璃絲」是通信神經，中國一年能造千萬公里

光纖只有不到一根頭髮絲粗細，卻能承載巨大的信息量。

出品 | 網易新聞

作者 | 鴻鵠，科技愛好者

　　有這樣一種「玻璃絲」，它比頭髮絲還細，卻是光通信的重要媒介，一根這樣的「玻璃絲」就可以傳輸幾千套電視節目或幾萬路電話。藉助它，人類進入了信息溝通與交流的高速通道（你現在能通過手機和電腦快速便利獲取這篇文章，就多虧了它），這便是光纖。

　　今天我們就來聊聊光纖的話題。

（一）以「沙子」為原料的玻璃絲，為何能承載巨大的信息量？

　　剛才我們提到，一根光纖就可以傳輸幾千套電視節目或幾萬路電話，它是怎麼做到的呢？

　　可能很多人都聽說過，玻璃纖維可以用於長距離通信的想法，是華人科學家高錕

博士首先提出的，光纖起到了引導攜帶信息的光信號以特定的路徑傳播的作用。

　　光纖通信中使用的光波是一種比無線電波頻率高得多的電磁波，其波段處在電磁波譜中的近紅外區，波長為0.8~2.0μm波段，相對應的頻率範圍為167~375THz（1THz =1012Hz）。不過，考慮到光波在光纖中的低損耗區域（低損耗窗口），目前光纖通信使用的波長有三個：0.85μm、1.31μm、1.55μm，使用的僅僅是其中很小的部分，還有大部分頻率未被使用。

　　光纖通信所用光波的頻率達到了THz，是非常高的，通常所說的光纖頻帶寬、通信容量大的秘密就隱藏在這高頻中。

　　根據著名的香農定理，通信信道的最大傳輸速率（信道容量）與信道帶寬之間存在明確關係，信道容量由帶寬及信噪比決定，增大帶寬、提高信噪比可以增大信道容量，所以，人們通常用「帶寬」去取代「速率」，光纖通信技術因為頻帶較寬（頻率範圍為167~375THz，頻帶寬超過200THz），所以通信容量比普通電纜高。

　　同時，光纖通信技術中還使用了密集波分復用技術，該技術將光纖的各個傳輸波段，按照一定的間隔分隔成很多較小的頻帶（波分），以每個頻帶的中心頻率為載波，用來承載不同碼速的光通路，一根光纖可以同時傳輸多個波長的光通路（復用），以此將傳輸容量再次擴大到原來的幾十倍。所以，一根光纖供兩地通話的話，可以同時支持3.1億組這樣的通話。

　　頻帶寬、通信容量大，只是光纖通信的優點之一，而光纖的生產材料，同樣也是其一大優勢。光纖的材質本質上是二氧化硅，在地球上的儲量豐富，生活中常見的沙子就是二氧化硅，所以光纖通信不用浪費稀有的金屬資源。

　　光纖材質的另一個特點就是質量輕，芯徑也比較細，這使得光纖通信系統的整體質量得到減少，而且光纖柔軟性很好，易於鋪設。同時，高純度的二氧化硅中，光信號的傳輸損耗非常低，可以長距離傳輸，大大減少了中繼站的數量，通信系統的安全穩定性以及運行效率都進一步提高。

　　此外，如今的光纖的纖芯外有對應的保護層能夠使光纖的絕緣性能、耐腐蝕性得到提升，同時還能使其避免受到電磁問題的影響，所以光纖能夠架空鋪設，即使與高壓電線平行鋪設也不會受到影響。

　　光纖通信的巨大優勢，加上人們及時開發出了適用於長波長的光源、激光器、發光管、光檢測器設備，以及光纖通信配套的數據機、光發射機、光接收器等設備，讓長距離的光纖通信迅速普及。

（二）一根高質量的光纖是如何造出來的？

　　生活中用到的光纜其實是由多根光纖放在一個大保護套內構成的，保護套內還會增設金屬加強芯以提高光纜的抗拉性，便於光纜的工程鋪設。

　　而其實，每根光纖也會有對應的一層保護套，保護套內是一層由環氧樹脂或硅膠塗敷而成的保護層，起到防止光纖內部被劃傷或被有害物質侵蝕的作用，同時也增強了光纖的機械性能。

　　層層保護之內才是對光信號的傳播起決定性作用的纖芯與包層，其材料是二氧化硅。

　　纖芯和包層作為光纖的主體，其製作過程是光纖生產的核心，主要包括：預製棒製備、光纖拉絲和測試三個過程。雖然人為的按功能把一根裸光纖分為纖芯和包層兩部分，但是實際上光纖一經拉絲就直接形成了這兩個部分，二者是不可分離的，所以預製棒是光纜生產的最「源頭」項目，直接決定了光纖質量的好壞。

　　預製棒的製作工藝方法很多，以可以一步成型預製棒的化學氣相沉積法為例：首先在一根石英管內沉積內包層，以超純氧氣或氬氣作為載運氣體，將SiCl4和摻雜劑(CF2Cl2)導入管中，旋轉玻璃管，並用高溫氫氧火焰加熱石英管外壁，火焰以一定速度左右往複地移動，每移動一次，就會在管內壁上沉積一層透明的SiO2-SiF4玻璃薄膜，未反應原料、廢氣從管的另一端排出，如此往複在管內形成一定厚度的SiO2-SiF4玻璃層，便作為光纖預製棒的內包層。

　　沉積芯層過程也是類似，只是改用高折射率材料（GeCl4）作摻雜劑，氫氧火焰經過的地方，就會在內包層SiO2-SiF4玻璃內形成一層均勻透明的氧化物SiO2-GeO2玻璃。

　　芯層沉積完成後，以更高的火焰溫度，讓石英管與沉積的玻璃熔縮成一體的預製棒。

　　預製棒冷卻之後，經過必要的質量檢測，就可以放入光纖拉絲塔，進行拉絲。拉絲塔中的高溫使預製棒軟化，受重力作用在預製棒底部形成「液滴」，順拉絲塔往下，經由拉絲輪卷繞而拉成細長的光纖。

　　拉絲過程中還會為拉好的光纖塗敷一層前面提到的樹脂保護層，並及時固化樹脂，避免相互黏附。成型的光纖經抗拉強度、折射率、光纖結構、衰減、信息承載能力等必要測試以後就可以出廠了。

（三）中國的光纖產量有多大？一家企業的年產量就能繞地球近900圈

　　光纖作為光信號的傳輸介質，需要嚴格控制光信號在光纖中傳輸的功率衰減（損耗），以及光波長在到達輸出端的展寬（色散）。光纖的質量與預製棒有關，預製棒製備除了對工藝要求嚴格外，還需要保證原材料的純度，製備過程不僅需要一整套精密的生產設備和控制系統，同時整個製造過程須在凈化恆溫的環境中進行。而生產所需原料，比如重點氣體（氧氣、氬氣）的純度應為6個9（99.9999％）以上、四氯化硅（SiCl4）、四氯化鍺（GeCl4）等液態原料的純度則要更高。

　　中國的光纖生產從模仿開始，最早的條件並不能滿足上述的生產要求，採用土法上馬的研發過程，使得中國第一根具有實用價值的光纖在1979年才研製成功。

　　近年來，中國大力發展光纖產業綜合實力，目前已具相當規模，光纖光纜、光電器件、光端機及其他工程應用方面的配套儀錶器件都能自行生產，光纖預製棒等原材料早已擺脫進口限制，基本上滿足自給需求，一家光纖生產企業產出的光纖拉絲就高達3500萬公里以上，這長度相當於繞地球近900圈。

　　將預製棒拉絲成光纖決定了光纖的產量，而拉絲塔又是光纖預製棒拉絲的生產設備。

　　中國已經能制出全世界最大的200毫米直徑的預製棒，而預製棒做得越大，要求用到的拉絲塔的尺寸也就越高，而反過來講，超高的拉絲塔又能夠進一步降低光纖的生產成本。對於拉絲塔，中國已經有塔高達31米的拉絲塔的完全自主知識產權，遠超進口的18米拉絲塔。

　　除此之外，中國在拉絲工序的紫外固化環節所用到的紫外固化設備使用壽命、成本等方面也有極大優勢。

結語

　　小小的一根光纖，如今已經徹底地改變了人類的生活，也成就了如今高速的通信生活，而產能不斷提高、效益不斷凸顯的光纖產業更為中國大力發展通信產業提供了巨大幫助。未來的5G通信，需要更多的光纖組網，光通信信會更加大放異彩。

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編輯| 史文慧