[科普中国]-纤维光学通信

简介

纤维光学通信是以光波作为信息载体，以光学纤维（光纤）作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看，构成纤维光学通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光学纤维除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光学纤维常按用途进行分类，可分为通信用光学纤维和传感用光学纤维。传输介质光纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。

纤维光学通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式，被称之为“有线”光通信。当今，光学纤维以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小，而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中主要传输方式。

历史及发展1966年英籍华人高锟(Charles Kao)发表论文提出用石英制作玻璃丝(光学纤维)，其损耗可达20dB/km，可实现大容量的光纤通信。当时，世界上只有少数人相信，如英国的标准电信实验室(STL)、美国的Corning玻璃公司，Bell实验室等领导。2009年高锟因发明光学纤维获得诺贝尔奖。1970年，Corning公司研制出损失低达20dB/km，长约30 m的石英光学纤维，据说花费了3000千万美元。1976年Bell实验室在华盛顿亚特兰大建立了一条实验线路，传输速率仅45Mb/s，只能传输数百路电话，而用中同轴电缆可传输1800路电话。因为当时尚无通信用的激光器，而是用发光二极管(LED)做纤维光学通信的光源，所以速率很低。1984年左右，通信用的半导体激光器研制成功，纤维光学通信的速率达到144Mb/s，可传输1920路电话。1992年一根光学纤维传输速率达到2.5Gb/s，相当3万余路电话。1996年，各种波长的激光器研制成功，可实现多波长多通道的纤维光学通信，即所谓“波分复用”(WDM)技术，也就是在1根光纤内，传输多个不同波长的光信号。于是纤维光学通信的传输容量倍增。在2000年，利用WDM技术，一根光纤传输速率达到640Gb/s。有人对高锟1976年发明了光学纤维，而2010年才获得诺贝尔奖有很大的疑问。事实上，从以上光学纤维发展史可以看出，尽管光学纤维的容量很大，没有高速度的激光器和微电子仍不能发挥光纤超大容量的作用。电子器件的速率才达到吉比特/秒量级，各种波长的高速激光器的出现使光学纤维传输达到太比特/秒量级(1Tb/s=1000 Gb/s)，人们才认识到“光学纤维的发明引发了通信技术的一场革命”。

纤维光学通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤．采用纤维光学通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信．中国光纤通信已进入实用阶段．

纤维光学通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为20世纪90年代的技术。进入21世纪后，由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量（超高速和超长距离）光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。

纤维光学通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。

通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波的上限，因为光是一种频率极高的电磁波 ，因此用光作为载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就追求的目标，也是通信发展的必然方向。

纤维光学通信与以往的电气通信相比，主要区别在于有很多优点：它传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用。1

原理纤维光学通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光学纤维发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息．

随着信息技术传输速度日益更新，光纤技术已得到广泛的重视和应用。在多微机电梯系统中，光纤的应用充分满足了大量的数据通信正确、可靠、高速传输和处理的要求。光纤技术在电梯上的应用，大大提高了整个控制系统的反应速度，使电梯系统的并联群控性能有了明显提高。电梯上所使用的光纤通信装置主要由光源、光电接收器和光学纤维组成。

优点和不足（1)通信容量大、传输距离远；一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。400Gbit/s系统已经投入商业使用。光纤的损耗极低，在光波长为1.55μm附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比任何传输媒质的损耗都低。因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。

(2)信号干扰小、保密性能好；

(3）抗电磁干扰、传输质量佳，电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。

(4）光纤尺寸小、重量轻，便于铺设和运输；

(5）材料来源丰富，环境保护好，有利于节约有色金属铜。

(6）无辐射，难于窃听，因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。[1]

(7)光缆适应性强，寿命长。

(8）质地脆，机械强度差。

(9）光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。

(10）分路、耦合不灵活。

(11）光纤光缆的弯曲半径不能过小（>20cm）

(12）有供电困难问题。

利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式。由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光-光纤通信。

应用领域纤维光学通信的应用领域是很广泛的，主要用于市话中继线，光纤通信的优点在这里可以充分发挥，逐步取代电缆，得到广泛应用。还用于长途干线通信过去主要靠电缆、微波、卫星通信，现以逐步使用光纤通信并形成了占全球优势的比特传输方法；用于全球通信网、各国的公共电信网（如中国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线）；它还用于高质量彩色的电视传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、共用天线（CATV）系统，用于光纤局域网和其他如在飞机内、飞船内、舰艇内、矿井下、电力部门、军事及有腐蚀和有辐射等中使用。

纤维光学通信传输系统主要由：光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各种无源光器件构成。要实现通信，基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后送到纤维光学通信传输系统完成通信过程。

它适合于光纤模拟通信系统中，而且也适用于光纤数字通信系统和数据通信系统。在纤维光学模拟通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、预调制等处理，而电信号反处理则是发端处理的逆过程，即解调、放大等处理。在光纤数字通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、取样、量化，即脉冲编码调制（PCM ）和线路码型编码处理等，而电信号反处理也是发端的逆过程。对数据光纤通信，电信号处理主要包括对信号进行放大，和数字通信系统不同的是它不需要码型变换。23

光纤光纤是光信号的传输通道，是光纤通信的关键材料。

光纤由纤芯、包层、涂敷层及外套组成，是一个多层介质结构的对称圆柱体。纤芯的主体是二氧化硅，里面掺有微量的其它材料，用以提高材料的光折射率。纤芯外面有包层，包层与纤芯有不同的光折射率， 纤芯的光折射率较高， 用以保证光信号主要在纤芯里进行传输。 包层外面是一层涂料，主要用来增加光纤的机械强度，以使光纤不受外来损害。光纤的最外层是外套，也是起保护作用的。

光纤的两个主要特征是损耗和色散。损耗是光信号在单位长度上的衰减或损耗，用db/km表示，该参数关系到光信号的传输距离，损耗越大，传输距离越短。多微机电梯控制系统一般传输距离较短，因此为降低成本，大多选用塑料光纤。光纤的色散主要关系到脉冲展宽。 在三菱电梯控制系统中， 光纤通信主要用于群控与单梯间的数据传送及两台并联的单梯之间的数据传送。三菱电梯所用的光纤装置主要由光源、光接收器和光纤组成，其中光源和光接收器被封装在光纤接插件的定插头内，光纤与动插头相连。

光电接收器在光纤中传输的光信号在被微机系统所接收前，首先要还原成相应的电信号。这种转换是通过光接收器来实现的。光接收器的作用就是将由光纤传送过来的光信号转换成电信号，再把该电信号交由控制系统进行处理。 光接收器是根据光电效应的原理，用光照射半导体的 PN结，半导体的 PN结吸收光能后将产生载流子，因此产生 PN结的光电效应，从而将光信号转换成电信号。应用于光纤系统中的半导体接收器主要有半导体光电二极管，光电三极管、光电倍增管和光电池等。光电三极管不仅能把入射光信号变成电信号，而且能把电信号放大，从而能够与控制系统接口电路很好地匹配，所以光电三极管的应用最为广泛。