中国人财务自由的9个阶段，你被扎心了几次？
你们有钱人欲望真多，是手机不好玩了吗？
还好，我至少实现了0级段位——网速自由。
所谓网速自由，是指上网时想刷视频刷视频，想发朋友圈发朋友圈，不用管网速的快慢（反正连上Wifi不走流量不扣费）。
然而，就这么点小小的自由，很快也要失去了。
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文/陶颖
自1858年世界上第一条横跨大西洋的电报电缆建成后的100余年时间里，笨重的铜线电缆一直都是通信领域的绝对主宰。其后，光纤——一种具有超长距离信息传输功能、比人头发还细的玻璃丝的出现，为我们开启了现代化通信的新时代。如今已有总长超过20亿千米的光纤纵横交错地分布在全球各个角落。
轻盈、灵活、成本低廉的光纤伴随着人们通信习惯的改变一路走来。1992年，全球互联网一天的数据使用流量约为100GB，到2014年，每60微秒就可达到这一规模。人们对数据流量需求的惊人增长正将现有光纤网络的传输能力逼向极限。要想摆脱困境，技术上的小打小闹已于事无补，或许一场新的光纤革命才是最终的解决之道。
光纤不能承受之重
20世纪70年代，由于可用于长距离传输光线的高品质玻璃实现了规模化生产，触发了光纤的第一次革命性巨变。当时对于远程通信来说，将光线始终俘获在光纤内，即使在拐角处弯折时也不会发生泄漏，具有相当大的难度。工程技术人员为此在光纤外面包裹上一层玻璃封套，以确保光线在触碰到这一玻璃包层时产生全反射，相比泄漏，反射造成的光线强度衰减相当有限。实践证明，这种带有玻璃包层的光纤在长距离输送海量数据上的表现要远远优于老式铜线。由于优势非常明显，光纤开启了自己的霸主时代。
人们一度认为，光纤的数据传输能力几乎可达到无极限。铺设光纤后，随着与之配套的信号发射器、接收器、放大器等的性能的改善，数据的传输速度还能进一步提高。
不过如今时代不同了，传统光纤的数据传输能力正在日益逼近其物理极限。业内人士普遍认为，按照现有的互联网数据流量增长速度，光纤网络的承载能力将在2020年达到峰值。互联网中的数据流量“大户”首推各类视频应用，约占当前整个网络数据流量的三分之二。今后随着视频点播需求的不断增长，以及人们对于高清视频的渴求，到2019年这一数字将进一步上升至80%。
要是将物联网等网络新兴事物的发展也考虑进来的话，形势将更为严峻。按照一些高科技公司的预测，到2020年接入物联网的智能设备数量将达到500亿台。与之相关的庞大数据流量需求，将进一步加剧网络信息传输的拥堵。
到那个时候，谁愿意出高价，出得起高价，可能就会拥有信息高速公路的优先通行权。说好的财务自由的第0级段位呢？咋也要出钱了呢？
堵车我忍了，堵网……有没有人管管呐？
道理我都懂，可是——
光纤内传输的光线并非一束简单的白光，而是由多达160种不同颜色的光组合而成，就像彩虹穿过棱镜后形成一道白光那样。为了承载更多的数据流量而增加光线的强度，会出现以下问题：由于不同颜色的光在光纤内的反射角度各不相同，因此强度越大彼此之间的干扰也会越大，从而导致传输信号的失真。
解决办法也不是没有，首先，可以在接收端对失真的信号进行修正，更好的方法是在传输途中设置共轭镜以改善信号失真。但是大多数情况下，信号的传输路径成千上万，如要确保每一路信号在传输途中都能恰好在准确的位置经过共轭镜以得到信号修正，意味着必须对整个传输网络进行大规模的系统化改造才行。
一种更为特别的方法是对光纤中传输的光线的形状进行重新设计。提到激光束，人们通常想到的就是激光器发射出笔直的光束，打在墙上会形成一个亮点。在英国格拉斯哥大学的研究人员看来，只要改变一下光束的形状就可以让这个小小的亮点容纳更多的数据信息。
他们设想，如果让激光器打出的光束穿过某种螺旋形装置，原本笔直的光束会变成螺旋形，接下来就可以像将多股细线搓成一根粗绳那样，将若干股扭曲的光束合为一股，其中每一股光束都具有独立承载传输数据的功能，最后在接收端对每股光束的信号逐一分离和破译。理论上来说，只要有尺寸合适的光纤，可以将无数股螺旋光线组合起来进行数据传输。不过，这种看上去非常高效的设想目前尚处于实验室阶段。
另外一种更加可行的方案，是从改变现有光纤的构造上寻找突破口。越来越多的研究人员发现，如果去掉光纤内的玻璃芯，会使其具有更好的数据传输性能。这种所谓的空心光纤内部基本上只有空气，可使光的传输速度提高45%。
不过，光线在空心光纤中传输时，如果触碰到光纤外包裹的玻璃包层不会再像传统玻璃芯光纤那样产生反射，这使得光线有向包层泄漏的风险。因此，必须对空心光纤的玻璃包层进行相关改造，而这涉及的工艺相当复杂，需要在玻璃包层的内表面进行繁复的蚀刻。
由于光在空心光纤内的传播介质主要为空气，这样一来对玻璃包层的品质要求就不再严苛。纯度不高的普通玻璃反而能更好地提升空心光纤的传输性能。因为纯度越高的高品质玻璃其表面越凹凸不平，实施蚀刻改造的难度越大。研究人员经实验发现，酒杯、窗户以及日常厨具中使用的普通玻璃都可以用来制作空心光纤的玻璃包层。相较于传统光纤，空心光纤的玻璃包层成本不到前者的百分之一，但同样具有长距离传输光信号的潜力。
不过，目前空心光纤的信号损耗比较严重，约为传统光纤的10倍，因此由其主导的网络通信大时代的来临尚有待时日。
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本文选自《科学画报》
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创刊于1933年
中国历史最悠久的综合性科普期刊
