百折不挠的光纤

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作者：王雅丽编译　

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光纤给你的印象是什么？笔直？纤细？脆弱？娇嫩？一项可使光纤弯曲程度超过现有指标百倍的突破性技术nanoStructures将打破你对光纤的传统看法。

进入光传播时代以来，在尽享数字信号带来高数据处理能力的同时，我们不得不忍受光纤这种娇贵的传输介质。因为施工人员必须将光纤铺得平直舒坦，它才老老实实地为人们传输清晰的信号，所以造成了在建筑物里铺光纤难度大、成本高的难题。而今年11月的《时代》周刊将“计算机类最佳发明”头衔授予了康宁（Corning）公司，理由正是该公司研发了名为nanoStructures的技术,并基于这个技术发明了一种能让信号在角落处转弯、百折不挠的“变形光纤”，为突破光传播介质的瓶颈做出了贡献（见图1）。

“对于电信应用来说，这是一项左右大势的技术。我们对光纤中光的传播方式作出了一些重要调整，开发出来的光纤，其柔韧度不逊于铜缆，但又具备光纤在带宽上的全部优点。”康宁公司总裁兼首席运营官Peter F. Volanakis在一份声明中表示。

在开发nanoStructures的过程中，该公司与美国Verizon通信公司展开了合作，后者已确定将在其光纤到户（FTTH）网络中使用此项技术。由于安装简便，美国已有2500多万户家庭安装了这种可弯曲的光纤，nanoStructures将成为主流家用光纤技术的有力竞争者。

光纤弯曲损耗

传统光纤为何不能任意弯曲？这涉及一个光纤弯曲损耗的概念。光纤通信在传输过程中都会产生一定的损耗。而光纤在微小弯曲、挤压、拉伸受力情况下，光纤纤芯中的传输模式更将发生变化、引起损耗。于是，如何解决光纤的损耗问题成为各大通信公司共同关心的问题。

所谓光纤损耗，是指光信号在传输过程中，在每单位距离的光纤上衰减的程度。光纤损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近。光纤的损耗主要可分为固有损耗和附加损耗。固有损耗主要包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗；而附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。

光纤具有一定的易弯曲性。尽管可以弯曲，但当光纤弯曲到一定程度时，将引起光的传播途径的改变—一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，产生弯曲损耗。当光在弯曲部分中传输时，越靠近光纤外侧，传输速度就越大。当传输到某一位置时，其速度就会超过光速，传导模变成辐射模产生损耗。当弯曲半径大于5～10cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。

Verizon曾经的光纤噩梦

Verizon通信公司是美国电信运营商之一，主要业务是给用户提供系列有线服务。和其他大型电信运营商一样，Verizon对光纤情有独钟。

Verizon通信公司发现光纤不仅比普通的铜缆轻巧，而且结实耐用。光纤不需要大量装置来保证信号就可以进行长途通话，更重要的是光纤能够达到每秒25万亿位数据的传输速度，相当于4000万部电话同时通话，或是高清电视的450个频道同时运行。正是因为如此高的传输速度，Verizon才不惜花费230亿美元配置了12.9万公里长的光纤，直接连到180万用户家中，提供真正高速的因特网和电视服务。

后来Verizon在为客户安装光纤时，发现了光纤的一个重大弊端：光纤不能像铜缆那样随意弯曲。光纤中数据是沿直线传播的，光纤保持不弯曲，数据就不会出现问题；如果弯一点，数据就开始溢出；如果把光纤紧紧缠绕成一个圈，就会彻底失去信号；如果沿着书架稍微弯曲一下，传输就失败了。

不能弯曲的光纤使Verizon的光纤安装成为一场噩梦。在管道、通风道和转角较多的公寓房里，问题尤其突出。为把光纤接入一户地下室住宅，Verizon的安装人员竟然遇到了12个直角转弯。他们曾试想在墙上打洞，让光纤从一间房通到另一间房，但这样做既费时费力，又破坏了房子的外观与结构，客户们非常不满意。于是Verizon与康宁公司进行了密切的合作来解决在高层建筑和公寓大楼内进行光纤安装的难题。

解决光纤到户难题

当得知Verizon通信公司在光纤上遇到难题时，康宁公司的高管们迅速进入了可弯曲光纤的研发状态。像康宁公司的很多发明一样，可弯曲光纤的发现是运气和决心的结合，康宁的化学家Dana Bookbinder、化学工程师Pushkar Tandon和光学家Ming-Jun Li发现了让光在转弯时仍继续前行的方法，将纳米结构的精微护栏注入围绕光纤狭窄的核心的覆层，从而防止光信号的泄漏，就算把光纤绕在铅笔上也不会出现问题（见图2和图3）。

康宁公司将早期的发现告知了Verizon通信公司，后者欣喜不已。Verizon负责光纤到户网络服务的扩展高管Paul Lacouture表示，当他得知光纤打了个结还能继续传输信号时，觉得十分不可思议。目前Verizon正加紧与康宁公司的合作，准备将新一代的纳米结构光纤产品应用于他们的光纤服务中去，使用这一全新的光纤解决方案进行多住户单元安装的问题以满足客户的要求。

2007年9月30日～10月3日，在美国佛罗里达州奥兰多举行的光纤大会上，康宁公司推出了ClearCurv光纤弯曲解决方案。基于康宁革命性的nanoStructures光纤设计的ClearCurve解决方案，可弯曲光纤的强度不逊于铜缆，但又具备光纤在带宽上的全部优点。采用了康宁全新的nanoStructures设计后，光纤在被弯曲时能够保持其信号强度，性能超过标准单模光纤百倍，同时解决了长期困扰着电信运营商在高层建筑和公寓大楼内进行光纤到户（FTTH）网络安装的难题。

由于采用先进的弯曲光纤技术，这两种光缆在弯曲半径小到5mm时都不会出现太大损耗。康宁公司在大会上通过对一幢两层楼的公寓单元进行模拟安装来展示ClearCurve的卓越性能。电信运营商可以直观地了解ClearCurve是如何轻而易举地将光纤安装到复杂环境中去，而且还能提供真正的FTTH近乎无限的带宽性能。

新技术产品化

早在1970年，康宁就率先推出了低耗损光纤。当时的这种低耗损光纤主要依靠光芯传输光信号。但是，光纤在弯曲度很大的情况下会出现光信号的泄漏，造成信号的损失或光学强度的减弱，当光纤弯曲程度过大时甚至会损失所有信号。

2007年9月，康宁公司正式面向电信市场推出了两种基于nanoStructures 技术的新型下线光缆—ClearCurve Rugged下线光缆和ClearCurve 紧凑型下线光缆。其中，ClearCurve Rugged下线光缆的直径为4.8mm，主要用于光纤保护缺乏的地方。同时，该光缆具有自动保护机制防止光缆弯曲半径小于5mm。

图1 光纤可以当跳绳？