一文读懂“光纤通信”

1841年，Daniel C和Jacques B做了一个简单的实验：在装满水的桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲。

光居然被弯弯曲曲的水俘获了。这是为什么呢？难道光线不是直线传输吗？

这一现象，叫做光的全反射作用。即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。

表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过光线在内表面发生多次全反射而向前传播。

光纤通信正是利用光的全反射原理，利用光波作载波，以光纤作为传输媒介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。

光纤通信系统在发送端通过信号处理把需要传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，然后光信号在光纤中基于光的全反射原理传送。在接收端收到光信号后，把它光信号转换成电信号，经信号处理后恢复原信息。

最基本的光纤通信系统由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。

（一）光发送机

光发送机的作用是将电信号转换成为光信号，并将生成的光信号注入光纤，光发送机一般由光源、驱动电路和辅助电路构成。

光源是实现电/光转换的关键器件。驱动电路要提供较大的、稳定的驱动电流，保证光源具有稳定的输出特性。

（二）光纤光缆

光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介（信道），将光信号由一处送到另一处。

在光传输过程中，当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，使光线限制在纤芯中传输，从而达到长距离传输的目的。

如图所示，θ为临界角，在光纤内传输的子午光线，简称内光线，遇到纤芯与包层的分界面的入射角大于临界角θ时，才能保证光线在纤芯内产生多次反射，使光线沿光纤传输。

然而，纤内光线的入射角大小又取决于从空气中入射的光线进入纤芯中所产生折射角，因此，空气和纤芯界面上入射光的入射角β就限定了光能否在光纤中以全反射形式传输。

（三）中继器

光信号在光纤中传导时会出现两个问题：一是光信号幅度衰减，限制了光信号的传输距离；二是光信号波形失真，误码率增加。而光中继器能够补偿衰减的光信号，并对畸变失真的信号波形进行整形，可以延长光信号的传输距离。

 

 

（四）光接收机

光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此，光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。

 

 

 

光发送机发送的光信号经传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。光接收机的作用就是检测经过传输的微弱光信号，并放大、整形，再生成原传输信号，一般由光电检测器和解调器组成。

 

 

 

 

 

 

（一）光纤通信的优点

 

 

 

（二）光纤通信的缺点

 

 

 

 

 

 

（一）光交换

光交换是指光纤传送的光信号直接进行交换。传统的交换技术需要将数据转换成电信号才能进行交换，然后再转换成光信号进行传输，这些光电转换设备体积过于庞大，并且价格昂贵，而光交换完全克服了这些问题。

 

 

 

（二）光孤子通信

在常规的线性光纤通信系统中，光纤损耗和色散是限制其传输容量和距离的主要因素。由于光纤制作工艺的不断提高，光纤损耗已接近理论极限，因此光纤色散已成为实现超大容量、超长距离光纤通信的“瓶颈”，亟待解决。

 

 

 

（图片来源于: J. N. Kemal/ P. Marin-Palomo/ KIT）

人们用了一百多年的时间来探讨，发现由光纤非线性效应所产生的光孤子可以抵消光纤色散的作用，利用光孤子进行通信，可以很好解决这个问题，从而形成了新一代光纤通信系统。

（三）全光网络

在通信领域，将来会依靠AON（全光网）来提高传输速率。以前的光网络采用的只是结点之间的全光化，而节点处还是使用电器件，AON用光结点替换电结点，实现结点间的全光化，全程通过光波的方法传输与交互信息。

 

 

 

从长远来看，建立一个实用的、结合WDM和光交换方法的网络体系，实现全光化，解决电光瓶颈，将是光纤通信的发展方向。

文章转自：原创： 小白 走近通信