光纖的發(fā)明，帶動(dòng)了通信領(lǐng)域內(nèi)的革命，如果沒(méi)有光纖提供大容量的高速通道，互聯(lián)網(wǎng)也只能停留在理論設(shè)想階段。如果說(shuō)，20世紀(jì)是電的時(shí)代，那么21世紀(jì)就是光的時(shí)代。光到底是如何做到能通信的？下面和小編一起學(xué)習(xí)一下光通信相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)吧。

Part1.光傳播基礎(chǔ)知識(shí)

認(rèn)識(shí)光波

光波實(shí)際上是一種電磁波，在自由空間中電磁波的波長(zhǎng)與頻率成反比，兩者乘積等于光速，即：

將電磁波的波長(zhǎng)或頻率按順序排列組成電磁波譜，根據(jù)波長(zhǎng)或頻率的不同，電磁波可以分為射線區(qū)、紫外線區(qū)、可見(jiàn)光區(qū)、紅外線區(qū)、微波區(qū)以及無(wú)線電波區(qū)和長(zhǎng)波區(qū)。而用于通信的波段主要是紅外線區(qū)、微波區(qū)以及無(wú)線電波區(qū)，下面一幅圖讓大家分分鐘明白通信波段劃分及對(duì)應(yīng)的傳播媒質(zhì)。

本文的主角“光纖通信”使用的是紅外線波段的光波。提到這一點(diǎn)大家可能會(huì)疑問(wèn)，為什么一定是紅外波段？這個(gè)問(wèn)題跟光纖材料也就是二氧化硅玻璃的光傳輸損耗有關(guān)，接下來(lái)就需要先了解光纖是如何傳輸光的。

光的折射、反射和全反射

光從一種物質(zhì)射向另一種物質(zhì)時(shí)，在兩種物質(zhì)的交界面會(huì)發(fā)生折射和反射，且折射角度隨入射光的角度增大而增大。如下圖中①→②。當(dāng)入射角達(dá)到或超過(guò)某一角度時(shí)，折射光會(huì)消失，入射光全部反射回來(lái)，這就是光的全反射，如下圖中的②→③。

不同的材料折射率不同，因此光在不同介質(zhì)中傳播速率不同。折射率用n表示，n=c/v，c為真空中速度，v為介質(zhì)中的傳播速度。折射率較高的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)，折射率較低的稱為光疏介質(zhì)。發(fā)生全反射的兩個(gè)條件為：

• 由光密介質(zhì)傳輸?shù)焦馐杞橘|(zhì)
  
• 入射角大于或等于全反射臨界角

為了避免光信號(hào)泄露和降低傳輸損耗，光纖中的光傳輸都是發(fā)生在全反射條件下的。

Part2.光傳播媒質(zhì)（光纖）介紹

光纖結(jié)構(gòu)

有了全反射光傳播的基礎(chǔ)知識(shí)，就很容易理解光纖的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)了。光纖裸纖分為三層：

第一層纖芯：位于光纖的中心部位，成分為高純度的二氧化硅即玻璃。芯徑一般為9-10微米（單模）、50或62.5微米（多模）。纖芯折射率較高，用來(lái)傳送光。

第二層包層：位于纖芯的周圍，成分也是二氧化硅玻璃（直徑一般為125微米）。包層的折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件。

第三層涂覆層：最外層是加強(qiáng)用的樹(shù)脂涂層。保護(hù)層材料強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械擦傷。

光傳輸損耗

光纖傳輸損耗是影響光纖通信質(zhì)量的一個(gè)很重要的因素。造成光信號(hào)衰減的主要因素有：材料的吸收損耗、傳輸時(shí)的散射損耗以及其他包括光纖彎曲、受擠壓、對(duì)接損耗等因素造成的損耗。

光的波長(zhǎng)不同，在光纖中的傳輸損耗也不同，為了盡可能減小損耗，保證傳輸效果，科學(xué)家們一直在致力于尋找最合適的光。1260nm~1360nm波長(zhǎng)范圍的光，由色散導(dǎo)致的信號(hào)失真最小，吸收損耗也最低，早期這一波長(zhǎng)范圍被采納為的光通信波段，后來(lái)經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的摸索和實(shí)踐，專家們逐漸總結(jié)出一個(gè)低損耗波長(zhǎng)（1260nm~1625nm）區(qū)域，這個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域范圍的光，最適合在光纖中傳輸。所以光纖通信使用的光波一般都是紅外波段的。

光纖分類

• 多模光纖：傳輸多種模式，但模間色散比較大，限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨傳輸距離的增加這種限制會(huì)更加嚴(yán)重。因此多模光纖傳輸?shù)木嚯x比較近，一般只有幾公里。
  

• 單模光纖：纖徑很小，理論上只能傳輸一個(gè)模式，適用于遠(yuǎn)程通信。

對(duì)比項(xiàng)	多模光纖	單模光纖
光纖成本	成本高	成本較低
傳輸設(shè)備要求	設(shè)備要求低、設(shè)備成本低	設(shè)備要求高，光源要求高
衰減	高	低
傳輸波長(zhǎng)	850nm-1300nm	1260nm-1640nm
使用便捷性	芯徑較大，易于處理	使用連接更復(fù)雜
傳輸距離	本地網(wǎng)絡(luò) （小于2km）	接入網(wǎng)/中長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò) （大于200km）
帶寬	帶寬有限	帶寬幾乎無(wú)限
結(jié)論	光纖成本更高但是網(wǎng)絡(luò)開(kāi)通相對(duì)成本低	性能更高，但是建立網(wǎng)絡(luò)成本更高

想了解更多的光纖知識(shí)

請(qǐng)查閱往期推文《光纖大全》

Part3.光纖通信系統(tǒng)工作原理

光纖通信系統(tǒng)

平常使用的手機(jī)、電腦等通信產(chǎn)品，發(fā)送的信息是以電信號(hào)的方式存在。進(jìn)行光通信時(shí)，首先要將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過(guò)光纖光纜傳輸后再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，達(dá)到信息傳遞的目的?；镜墓馔ㄐ畔到y(tǒng)由光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)以及傳輸光的光纖回路構(gòu)成，為了保證長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸質(zhì)量和提升傳輸帶寬，一般還會(huì)用到光中繼器以及復(fù)用器。

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下面簡(jiǎn)單介紹一下光纖通信系統(tǒng)中每個(gè)器件的工作原理。

光發(fā)送機(jī)：將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，主要由信號(hào)調(diào)制器和光源組成。

信號(hào)復(fù)用器：將多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)，耦合到同一根光纖中進(jìn)行傳輸，達(dá)到傳輸容量倍增的效果。

光中繼器：傳輸過(guò)程中，信號(hào)的波形和強(qiáng)度會(huì)發(fā)生劣化，因此需要將波形復(fù)原到原信號(hào)那樣整齊的波形，加大光強(qiáng)。

信號(hào)解復(fù)用器：將復(fù)用的信號(hào)分解成原來(lái)的單獨(dú)信號(hào)。

光接收機(jī)：將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，主要由光電探測(cè)器和解調(diào)器組成。

Part4.光通信的優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用

光通信的優(yōu)點(diǎn)

中繼距離長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)節(jié)能

假設(shè)傳輸10 Gbps（每秒100億個(gè)0或1信號(hào)）的信息，如果使用電通信的話，每隔幾百米就要進(jìn)中繼處理，調(diào)整一次信號(hào)。與此相比，使用光通信的話，中繼距離可達(dá)100千米以上。調(diào)整信號(hào)的次數(shù)越少，成本越低，另一方面，光纖的材料是二氧化硅，儲(chǔ)量豐富且成本比銅線低得多，因此光通信具有經(jīng)濟(jì)節(jié)能的效果。

信息傳遞快速，通信質(zhì)量高?

比如說(shuō)，現(xiàn)在和國(guó)外的朋友通話或上網(wǎng)聊天時(shí)，不像以前那樣聲音會(huì)滯后。在電通信時(shí)代，國(guó)際通信主要是通過(guò)人造衛(wèi)星作為中繼傳輸，傳輸路徑會(huì)變長(zhǎng)，信號(hào)到達(dá)較慢。而光通信借助于海底光纜，縮短了傳輸距離，因此信息傳遞更加快速。因此使用光通信能實(shí)現(xiàn)與海外更暢通的通信。

抗干擾能力強(qiáng)，保密性好

電通信會(huì)因電磁干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。但是，光通信不會(huì)受到電噪聲的影響，因此更加安全可靠。并且由于全反射工作原理，信號(hào)完全束縛在光纖中進(jìn)行傳輸，所以保密性良好。

傳輸容量大

一般電通信只能傳輸10Gbps（每秒100億個(gè)0或1信號(hào)）的信息量，與此相比，光通信可以傳輸1Tbps（1萬(wàn)億個(gè)0或1信號(hào)）信息量。

光通信的應(yīng)用

光通信的優(yōu)點(diǎn)眾多，發(fā)展至今光通信已經(jīng)融入了我們每個(gè)人的生活每一個(gè)角落。

手機(jī)、電腦以及IP電話等使用網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，將每個(gè)人與其所在地區(qū)、整個(gè)國(guó)家聯(lián)系起來(lái)，甚至連接至全球通信網(wǎng)。比如說(shuō)，電腦和手機(jī)發(fā)出的信號(hào)聚集在本地通信運(yùn)營(yíng)商的基站和網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商設(shè)備中，再通過(guò)海底光纜中的光纖傳輸至世界各地。

視頻通話、網(wǎng)購(gòu)、電游、追劇等日?；顒?dòng)的實(shí)現(xiàn)，都離不開(kāi)它在背后的助力支撐。光網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，讓我們的生活變得更加舒適便捷。

光通信在日常生活中的應(yīng)用場(chǎng)景還有很多，在此小編不一一列舉，通過(guò)小編的科普，大家也可以思考下平常生活中都有哪些地方應(yīng)用了光通信。如果大家有什么想法，歡迎留言交流哦！

   

    
   
   

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