通訊系統/光纖系統

長途幹線是光纖應用中第一個得到普遍接受的應用。三種替代方法是同軸電纜（銅）、陸地微波和衛星。雖然微波塔可以用來跨越相對較小的水體，但跨越海洋需要電纜或衛星。

電報電纜最早部署於19世紀中期，第一條成功橫跨大西洋的電纜於1858年鋪設。100年來，銅製海底電纜一直是北美與歐洲之間通訊的主要手段。20世紀60年代，衛星開始佔據主導地位，但如今光纜佔據了主導地位。

與衛星技術相比，光纜具有一些顯著優勢

• 光纖系統可以修復，而地球同步衛星則無法修復

• 光纖系統具有稍長的預期使用壽命

• 光纖系統可以在服役期間進行升級

• 光纖部署的風險低於發射衛星

• 光纖傳播延遲明顯低於衛星

光纖部署（地面）

加拿大電信

目前橫跨加拿大的光纖系統長約4100英里，包括通往愛德華王子島和紐芬蘭的水下連線。該電纜在大多數地方埋在地下，至少埋在地下5英尺深。該電纜在岩石區域埋在地下2英尺深，但在湯普森河等主要河流上，埋在地下河床6英尺深。

8根光纖保留用於橫跨加拿大的流量，其他光纖用於參與運營公司的收費流量。

該電纜具有凱夫拉爾強度元件，周圍環繞著星形聚乙烯芯，可以支撐多達5根光纖管。每根光纖管可以包含多達6根光纖。該電纜有多層保護，但在容易發生雪崩的地區，它還被包裹在8英寸的鋼製管道中。

光學現象

波粒二象性

1678年，惠更斯證明反射和折射可以用波動理論來解釋。雖然沒有完全否定波動理論，但愛因斯坦在1905年提出，光可以被認為是一種稱為光子的微小能量包。這個想法雖然並非原創，但似乎解釋了後來在1921年發現的康普頓效應。

如今，光在傳播時通常被認為是電磁波。但是，當光透過發射或吸收與物質相互作用時，最好用光子來思考。光子具有能量，但沒有靜止質量。如果光子停止，它就不再以粒子的形式存在，而是轉化為其他形式的能量，例如熱能。

一種相當混合的思考光的方法是將它看作波包。也許有一天，會開發出更好的模型。

日常生活中感知到的光是無序的。也就是說，波包以混亂的、隨機的方式到達。另一方面，雷射產生的相干光具有同步或同相位的波包。

感知到的光的顏色是其波長的函式。波包中的特徵波長與其速度和頻率有關

$v=\lambda f$

其中

$v=$ 速度

$\lambda =$ 波長

$f=$ 頻率

經實驗確定，真空中光速約為299,793,000米/秒。光纖系統在約3 x 10⁸ GHz 的頻率下執行，最常見的傳輸頻段在0.8 - 0.9 μm和1.2 - 1.4 μm的波長處。量子理論可以確定光中能量的大小，它與頻率成正比，由下式給出

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

其中

$E=$ 以焦耳為單位的能量

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

$f=$ 頻率

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

$\lambda =$ 波長

每單位面積的輻射光譜能量以瓦特為單位。

如果我們在宏觀層面上觀察光，我們會發現波從其源頭球形輻射出來。這在非相干源中很容易觀察到，而在相干源中則不太明顯。在遠距離處，波前會展平為平面波。光線路徑顯示了波或光子傳播的方向。在點光源的情況下，這可能類似於

當光照射到物體上時，它可以被反射、折射或吸收。照射到兩種不同透明材料邊界的光線通常會分成反射光和折射光，通常吸收很少。

不同波長的光在真空中以相同的速度傳播，但在其他介質中則不然。這種速度變化會導致折射和色散。如果光線在介質中減速，則光線將被重新導向法線。當光線離開較慢的介質並進入較快的介質時，它會加速並被重新導向遠離法線。

按照慣例，反射和折射中涉及的角度是相對於接觸點處法線測量的。所有三個分量都在同一個平面內 [有一些例外]。在上圖中，入射平面是紙張。

位移和偏振

波中的能量位移可以是相對於傳播方向的縱向或橫向。縱波，如聲波和地震波，沿傳播方向位移。橫波，如無線電波和水波，沿傳播方向的垂直方向位移。

光以 TEM 波的形式傳播，其電場和磁場垂直於傳播方向。如果光的電場沒有偏向任何特定方向的特殊原因，則波的場將沿傳播方向的垂直方向的任何角度定向（偏振）。這就是陽光的情況。

許多同時波的組合效果是所有分量向量的總和。這被稱為疊加原理。該原理對所有形式的波，包括光，都適用。這提出了一個有趣的問題：由於自然光的偏振和相位是完全隨機的，為什麼所有波的電場分量不會簡單地平均為零，從而使光抵消掉？原因很簡單：它們確實平均了，但是，由於這種平均不是精確的，而是隨機的，因此統計規律成立。因此，當我們對 N 個隨機場求和，這些場在振盪，比如從負一到正一，我們預計總和大約是 N 的平方根，這可能遠小於 N，但不為零。並且，由於光的能量（強度）與電場的平方成正比，因此我們有總能量的平均值只是個體能量的 N 倍，這正是我們所期望的。

抵消或增強效應確實會發生，但要觀察它，光必須是相干的。傳統上，相干光是透過將來自某個遙遠光源的光透過一個小孔而產生的。這有效地選擇僅來自原始光源極小部分的光，從而使光更加均勻。如今，更容易使用雷射，雷射不僅非常相干，而且本質上是單色的。當相干波相交時，可以觀察到明暗區域的干涉圖樣。

非偏振光可以透過吸收、散射和反射進行偏振。

反射

反射有兩種型別：漫反射和鏡面反射。

漫反射

這是最常見的反射形式。如果被照射的物體在結構上不是微觀均勻的，那麼光就會被其不均勻性（內部和表面）的多次反射或漫射散射到各個方向。大多數材料都是不均勻的：礦物通常是多晶的，有機物質通常是由細胞或纖維構成的，因此大多數物體傳送到我們眼睛的光都是漫反射的。由於這種現象，我們可以看到其他物體。

陽光包含所有感知到的顏色，以使它們的組合值看起來無色。當陽光照射到物體上時，某些波長被吸收，而另一些被反射。感知到的顏色是所有反射波的向量總和。

鏡面反射

照射到光滑表面的光會以與它照射相同的角度反射回來，但會損失一些能量。人們不會看到反射表面，而是看到光源的影像。

反射光可能看起來來自反射表面前方或後方。如果影像看起來在表面後面，就像鏡子一樣，它被稱為虛像。

如果影像被看到在放置在反射表面前面的螢幕上，它被稱為實像。這種原理應用於反射望遠鏡。實像通常是由折射產生的，並在相機和投影儀中使用。

可變反射塗層

大約 4% 的照射到光滑空氣-玻璃邊界的光會被反射。可以透過應用非反射塗層來減少這種反射。攝影師和光纖設計人員對防眩光塗層感興趣，因為反射會減少進入和離開玻璃的光量。

透過在薄的低折射率膜上沉積薄的高折射率膜，反射量可以增加到約 50%。這種原理用於製造分束器，這是一種在光學測量裝置和彩色電視攝像機中非常有價值的裝置。

外部反射

當光線被光學密度更高的介質反射時，會發生相位反轉。當無線電波撞擊金屬表面時也會發生這種情況。電場分量被短路。由於入射場和反射場在入射點處抵消，因此反射波的幅度相等，但與入射波的相位相反。

入射角與反射量之間的關係非常複雜。在法線入射的情況下，反射面會以相同的強度反射所有分量。然而，在其他角度，物體更傾向於反射具有垂直於入射平面的電場分量的光。在極端情況下，即布儒斯特角，只有垂直分量被反射，並且會發生完全偏振。布儒斯特角由下式定義：

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

在布儒斯特角，反射光和折射光相互垂直。

當非相干光照射到玻璃上時，大約 15% 的垂直分量會被反射，而其他分量則不會。折射光包含剩餘的 85% 的垂直分量以及所有其他方向。偏振反射可以透過將許多薄玻璃板堆疊在一起來增強。

內部反射

如果光線照射到光學密度較低的介質上，則反射波不會發生相位反轉。當入射角大於臨界角時，就會發生全反射。

然而，確實存在一種折射光束。它有時被稱為受阻全反射或更常見的倏逝波。這種波不會消散能量，並且只延伸到較快介質中幾個波長。它會根據以下關係呈指數衰減

$e^{\alpha x}$

其中

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

$k_{0}=$ 自由空間傳播因子

$\Theta _{i}=$ 入射角

$x=$ 進入速度更快的介質的距離

折射

折射光線會產生各種不同的效果，從彩虹到插入水中的棍子看起來彎曲。透過實驗觀察到，入射光線和折射光線的正弦之比是常數

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

這個常數實際上是光學波長的函式。因此，白光在折射時被分離成各種顏色成分。

如果起源介質是真空，則該比率稱為折射率。在實踐中，空氣對黃光的折射率為 1.000293。因此，對於地面測量，空氣被視為真空，折射率為 1。

斯涅耳定律

入射角和折射角之間的關係由斯涅耳定律給出

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

當光線穿過玻璃塊時，它會被折射兩次。如果塊體具有平行表面，則光線將恢復其原始入射角，但會發生輕微位移。

材料的折射率是光在真空中速度與光在特定材料中速度的比率。

如果表面不平行，例如在稜鏡中，白光會被分離成其各種光譜成分。

在某些情況下，這些簡單的反射和折射規則無效。例如，反射假設光滑的邊界，而斯涅耳折射定律假設各向同性材料。在各向異性材料中，光速隨方向而變化。

斯涅耳定律預測了玻璃中的以下折射響應

反射強度取決於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。在某個角度（布儒斯特角）下，反射光是完全偏振的。菲涅耳方程 量化地給出了反射光強度的函式關係，該函式關係是入射角、偏振（以及當然還有折射率）的函式。