通信系统/光纤系统

长途干线是光纤应用中第一个得到普遍接受的应用。三种替代方法是同轴电缆（铜）、陆地微波和卫星。虽然微波塔可以用来跨越相对较小的水体，但跨越海洋需要电缆或卫星。

电报电缆最早部署于19世纪中期，第一条成功横跨大西洋的电缆于1858年铺设。100年来，铜制海底电缆一直是北美与欧洲之间通信的主要手段。20世纪60年代，卫星开始占据主导地位，但如今光缆占据了主导地位。

与卫星技术相比，光缆具有一些显著优势

• 光纤系统可以修复，而地球同步卫星则无法修复

• 光纤系统具有稍长的预期使用寿命

• 光纤系统可以在服役期间进行升级

• 光纤部署的风险低于发射卫星

• 光纤传播延迟明显低于卫星

光纤部署（地面）

加拿大电信

目前横跨加拿大的光纤系统长约4100英里，包括通往爱德华王子岛和纽芬兰的水下连接。该电缆在大多数地方埋在地下，至少埋在地下5英尺深。该电缆在岩石区域埋在地下2英尺深，但在汤普森河等主要河流上，埋在地下河床6英尺深。

8根光纤保留用于横跨加拿大的流量，其他光纤用于参与运营公司的收费流量。

该电缆具有凯夫拉尔强度元件，周围环绕着星形聚乙烯芯，可以支撑多达5根光纤管。每根光纤管可以包含多达6根光纤。该电缆有多层保护，但在容易发生雪崩的地区，它还被包裹在8英寸的钢制管道中。

光学现象

波粒二象性

1678年，惠更斯证明反射和折射可以用波动理论来解释。虽然没有完全否定波动理论，但爱因斯坦在1905年提出，光可以被认为是一种称为光子的微小能量包。这个想法虽然并非原创，但似乎解释了后来在1921年发现的康普顿效应。

如今，光在传播时通常被认为是电磁波。但是，当光通过发射或吸收与物质相互作用时，最好用光子来思考。光子具有能量，但没有静止质量。如果光子停止，它就不再以粒子的形式存在，而是转化为其他形式的能量，例如热能。

一种相当混合的思考光的方法是将它看作波包。也许有一天，会开发出更好的模型。

日常生活中感知到的光是无序的。也就是说，波包以混乱的、随机的方式到达。另一方面，激光产生的相干光具有同步或同相位的波包。

感知到的光的颜色是其波长的函数。波包中的特征波长与其速度和频率有关

$v=\lambda f$

其中

$v=$ 速度

$\lambda =$ 波长

$f=$ 频率

经实验确定，真空中光速约为299,793,000米/秒。光纤系统在约3 x 10⁸ GHz 的频率下运行，最常见的传输频段在0.8 - 0.9 μm和1.2 - 1.4 μm的波长处。量子理论可以确定光中能量的大小，它与频率成正比，由下式给出

$E=hf={\frac {hc}{\lambda }}$

其中

$E=$ 以焦耳为单位的能量

$h=6.625\times 10^{-34}{\frac {J}{\sec }}=$ 普朗克常数

$f=$ 频率

$c=3\times 10^{8}{\frac {m}{\sec }}=$ 光速

$\lambda =$ 波长

每单位面积的辐射光谱能量以瓦特为单位。

如果我们在宏观层面上观察光，我们会发现波从其源头球形辐射出来。这在非相干源中很容易观察到，而在相干源中则不太明显。在远距离处，波前会展平为平面波。光线路径显示了波或光子传播的方向。在点光源的情况下，这可能类似于

当光照射到物体上时，它可以被反射、折射或吸收。照射到两种不同透明材料边界的光线通常会分成反射光和折射光，通常吸收很少。

不同波长的光在真空中以相同的速度传播，但在其他介质中则不然。这种速度变化会导致折射和色散。如果光线在介质中减速，则光线将被重新导向法线。当光线离开较慢的介质并进入较快的介质时，它会加速并被重新导向远离法线。

按照惯例，反射和折射中涉及的角度是相对于接触点处法线测量的。所有三个分量都在同一个平面内 [有一些例外]。在上图中，入射平面是纸张。

位移和偏振

波中的能量位移可以是相对于传播方向的纵向或横向。纵波，如声波和地震波，沿传播方向位移。横波，如无线电波和水波，沿传播方向的垂直方向位移。

光以 TEM 波的形式传播，其电场和磁场垂直于传播方向。如果光的电场没有偏向任何特定方向的特殊原因，则波的场将沿传播方向的垂直方向的任何角度定向（偏振）。这就是阳光的情况。

许多同时波的组合效果是所有分量矢量的总和。这被称为叠加原理。该原理对所有形式的波，包括光，都适用。这提出了一个有趣的问题：由于自然光的偏振和相位是完全随机的，为什么所有波的电场分量不会简单地平均为零，从而使光抵消掉？原因很简单：它们确实平均了，但是，由于这种平均不是精确的，而是随机的，因此统计规律成立。因此，当我们对 N 个随机场求和，这些场在振荡，比如从负一到正一，我们预计总和大约是 N 的平方根，这可能远小于 N，但不为零。并且，由于光的能量（强度）与电场的平方成正比，因此我们有总能量的平均值只是个体能量的 N 倍，这正是我们所期望的。

抵消或增强效应确实会发生，但要观察它，光必须是相干的。传统上，相干光是通过将来自某个遥远光源的光通过一个小孔而产生的。这有效地选择仅来自原始光源极小部分的光，从而使光更加均匀。如今，更容易使用激光，激光不仅非常相干，而且本质上是单色的。当相干波相交时，可以观察到明暗区域的干涉图样。

非偏振光可以通过吸收、散射和反射进行偏振。

反射

反射有两种类型：漫反射和镜面反射。

漫反射

这是最常见的反射形式。如果被照射的物体在结构上不是微观均匀的，那么光就会被其不均匀性（内部和表面）的多次反射或漫射散射到各个方向。大多数材料都是不均匀的：矿物通常是多晶的，有机物质通常是由细胞或纤维构成的，因此大多数物体发送到我们眼睛的光都是漫反射的。由于这种现象，我们可以看到其他物体。

阳光包含所有感知到的颜色，以使它们的组合值看起来无色。当阳光照射到物体上时，某些波长被吸收，而另一些被反射。感知到的颜色是所有反射波的矢量总和。

镜面反射

照射到光滑表面的光会以与它照射相同的角度反射回来，但会损失一些能量。人们不会看到反射表面，而是看到光源的图像。

反射光可能看起来来自反射表面前方或后方。如果图像看起来在表面后面，就像镜子一样，它被称为虚像。

如果图像被看到在放置在反射表面前面的屏幕上，它被称为实像。这种原理应用于反射望远镜。实像通常是由折射产生的，并在相机和投影仪中使用。

可变反射涂层

大约 4% 的照射到光滑空气-玻璃边界的光会被反射。可以通过应用非反射涂层来减少这种反射。摄影师和光纤设计人员对防眩光涂层感兴趣，因为反射会减少进入和离开玻璃的光量。

通过在薄的低折射率膜上沉积薄的高折射率膜，反射量可以增加到约 50%。这种原理用于制造分束器，这是一种在光学测量设备和彩色电视摄像机中非常有价值的设备。

外部反射

当光线被光学密度更高的介质反射时，会发生相位反转。当无线电波撞击金属表面时也会发生这种情况。电场分量被短路。由于入射场和反射场在入射点处抵消，因此反射波的幅度相等，但与入射波的相位相反。

入射角与反射量之间的关系非常复杂。在法线入射的情况下，反射面会以相同的强度反射所有分量。然而，在其他角度，物体更倾向于反射具有垂直于入射平面的电场分量的光。在极端情况下，即布儒斯特角，只有垂直分量被反射，并且会发生完全偏振。布儒斯特角由下式定义：

$\tan \left(\theta _{P}\right)={\frac {\eta _{1}}{\eta _{2}}}$

在布儒斯特角，反射光和折射光相互垂直。

当非相干光照射到玻璃上时，大约 15% 的垂直分量会被反射，而其他分量则不会。折射光包含剩余的 85% 的垂直分量以及所有其他方向。偏振反射可以通过将许多薄玻璃板堆叠在一起来增强。

内部反射

如果光线照射到光学密度较低的介质上，则反射波不会发生相位反转。当入射角大于临界角时，就会发生全反射。

然而，确实存在一种折射光束。它有时被称为受阻全反射或更常见的倏逝波。这种波不会消散能量，并且只延伸到较快介质中几个波长。它会根据以下关系呈指数衰减

$e^{\alpha x}$

其中

$\alpha =k_{0}{\sqrt {\eta _{1}^{2}\sin ^{2}\Theta _{i}-\eta _{2}^{2}}}$

$k_{0}=$ 自由空间传播因子

$\Theta _{i}=$ 入射角

$x=$ 进入速度更快的介质的距离

折射

折射光线会产生各种不同的效果，从彩虹到插入水中的棍子看起来弯曲。通过实验观察到，入射光线和折射光线的正弦之比是常数

${\frac {\sin \left(\theta _{0}\right)}{\sin \left(\theta _{1}\right)}}={\text{ constant}}$

这个常数实际上是光学波长的函数。因此，白光在折射时被分离成各种颜色成分。

如果起源介质是真空，则该比率称为折射率。在实践中，空气对黄光的折射率为 1.000293。因此，对于地面测量，空气被视为真空，折射率为 1。

斯涅耳定律

入射角和折射角之间的关系由斯涅耳定律给出

$\eta _{0}\sin \left(\theta _{0}\right)=\eta _{1}\sin \left(\theta _{1}\right)$

当光线穿过玻璃块时，它会被折射两次。如果块体具有平行表面，则光线将恢复其原始入射角，但会发生轻微位移。

材料的折射率是光在真空中速度与光在特定材料中速度的比率。

如果表面不平行，例如在棱镜中，白光会被分离成其各种光谱成分。

在某些情况下，这些简单的反射和折射规则无效。例如，反射假设光滑的边界，而斯涅耳折射定律假设各向同性材料。在各向异性材料中，光速随方向而变化。

斯涅耳定律预测了玻璃中的以下折射响应

反射强度取决于入射角和入射光的偏振。例如，在高入射角下，反射率可能非常高。在某个角度（布儒斯特角）下，反射光是完全偏振的。菲涅耳方程 量化地给出了反射光强度的函数关系，该函数关系是入射角、偏振（以及当然还有折射率）的函数。