光纤原来长这样，光纤的通信原理你知道吗？

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上一篇讲到数据包经过路由器后，由路由器进行转发进入互联网内部，并分析了路由器的工作原理，还没有看过的同学请查看我的文章：

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那么当数据包经过路由器转发，进入互联网内部后去了哪里呢？

这个时候就要介绍一下光纤了，什么是光纤？

光纤就是利用光来传输信息的一种技术，光纤的结构如下图所示，它是由一种双层结构的纤维状透明材质（玻璃和塑料）构成的，通过在里面的纤芯中传导光信号来传输数字信息。

信号是由多个频段的信号组成的，比较复杂，但光信号却非常简单，亮表示 1，暗表示 0。

但是数字信号并不能直接转换成光信号，需要先把数字信号转换成电信号，然后再把电信号转换成光信号。而电信号非常简单，用高电压表示1，用低电压表示0。

将这样的电信号输入LED、激光二极管等光源后，这些光源就会根据信号电压的变化发光， 高电压发光亮，低电压发光暗。

这样的光信号在光纤中传导之后，就可以通过光纤到达接收端。接收端有可以感应光线的光敏元件，光敏元件可以根据光的亮度产生不同的电压。

当光信号照射到上面时，光亮的时候就产生高电压，光暗的时候就产生低电压，这样就将光信号转换成了电信号。 最后再将电信号转换成数字信息，我们就接收到数据了。

这就是光纤的通信原理。

其中光纤还分为，单模光纤和多模光纤，他们有什么区别呢？

单模光纤的纤芯更细，多模光纤的纤芯比较粗，单模光纤更贵传输距离更远，多模光纤比单模光纤便宜但是传输距离没有单模光纤远。

很多人可能会问，不是应该越粗的越贵吗？其实不是的，越细的光纤制作的工艺要求就越高，你想想做越小的东西是不是越难，越难的东西当然也越贵了。

纤芯的直径对光的传导影响很大，光纤通信的关键技术就是能够传导光信号的光纤。

光在透明材质中传导似乎听起来很简单，但实际上光的传导方式是非常复杂的，不同材质的 光纤其透光率和折射率也不同，纤芯的直径等因素也会影响光的传导。

我们在初中都学过光的折射和反射，光纤其实就是一根圆柱形的玻璃，光可以穿过它产生折射和反射，折射部分会损耗掉，而全反射部分的光线就可以传输到光纤的另一端。

因为光源在所有方向上都会发光，因此会有各种角度的光线进入纤芯，但入射角度太大的光线会在纤芯和包层（纤芯外沿部分）的边界上折射出去，只有入射角较小的光线会被包层全反射，从而在纤芯中前进。

但是也不是所有的全反射光线都能在光纤中传导，因为光也是一种波，是波就会有损耗，当光线在纤芯和包层的边界上反射时， 会由于反射角产生相位变化。

当朝反射面前进的光线和被反射回来的光线交会时，如果两条光线的相位不一致，就会彼此发生干涉抵消，只有那些 相位一致的光线才会继续在光纤中传导。

光和水的波纹一样，波纹中心会产生各种相位的波，相位不同的波会相互干涉。

如果周围没有障碍物，水面上的波纹会一直呈同心圆状扩散出去，但如果遇到两侧的墙壁，波纹就会被反射回来。

这时，向墙壁前进的波和从墙壁反射回来的波就会相互叠加，其中相位相同的波相互加强，相位不同的波相互抵消。

光纤中的情况也是一样的，只不过和水波不同的是，光在被纤芯和包层的边界反射时，相位会发生变化。

这个变化的量随光在反射面的反射角度不同而不同，大多数角度下，都会因为相位不同而被干涉抵消。

不过， 有几个特定的角度下，向反射面前进的光和反射回来的光的相位是一致的， 只有以这些角度反射的光才能继续向前传导。

进入光纤的光线有各种角度，但其中，只有少数按照特定角度入射以保持相位一致的光线才 会继续传导。

所以说纤芯的直径对光的传导影响很大，因为直径的大小决定了光线的入射角度。

根据纤芯直径，光纤可以划分成几种类型，大体上包括较细的单模光纤（8～10 μm）和较粗的多模光纤 （50 μm 或 62.5 μm）。

单模光纤的纤芯很细，只有入射角很小的光线才能进入，因此在能够保持相位一致的角度中，只有角度最小的光线能进入光纤。

反过来可以说，单模光纤的纤芯直径就是按照只允许相位一致的最小角度的光进入而设计的，也就是说只有一条光线在单模光纤上传导。

多模光纤的纤芯比较粗，入射角比较大的光也可以进入，这样一来，在相位一致的角度中，不仅角度最小的可以在光纤中传导， 其他角度更大一些的也可以，也就是说，可以有多条光线在纤芯中同时传导。

换句话说，单模和多模实际上表示相位一致的角度有一个还是多个，这决定了它们的特性也有所不同。

多模光纤中可以传导多条光线，这意味着能通过的光线较多，对光源和光敏元件的性能要求也就较低，从而可以降低光源和光敏元件的价格。

相对地，单模光纤的纤芯中只能传导一条光线，能通过的光线较少，相应地对于光源和光敏元件的性能要求就较高，价格也较高，但信号的失真会比较小。

多模光纤中，多条反射角不同的光线同时传导，其中反射角越大的光线反射次数越多，走过的距离也就越长；相对地，反射角越小的光线走过的距离越短。

光通过的距离会影响其到达接收端的时间，也就是说，通过的距离越长，到达接收端的 时间越长。结果，多条光线到达的时间不同，信号的宽度就会被拉伸，这就造成了失真。

因此，光纤越长，失真越大，当超过允许范围时，通信就会出错。

相对地，单模光纤则不会出现这样的问题,因为在纤芯传导的光线只有一条，不会因为行进距离的差异产生时间差，所以即便光纤很长，也不会产生严重的失真。

因此单模光纤失真小损耗小，可以比多模光纤传输得更远，所以多模光纤主要用于一座建筑物里面的连接，单模光 则用于距离较远的建筑物之间的连接。

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