什么是光纤通信? -凯发k8国际手机app下载

无线通信使用电磁波,进一步归纳,使用光纤的有线通信方式和电磁波的无线通信方式,本质上都是利用光的通信,统称为光通信。其中,以光纤为媒介的有线通信,即光纤通信。

光纤通信

那么,为什么会使用光纤作为通信媒介,并成为特别是长距离通信的主流呢?

能成为通信的传输媒介,主要评估两个指标:传输距离和信息容量。

其中传输距离与损耗是密切相关的,当然是损耗越低越好。同轴电缆的传输损耗达十几db每公里,而光纤的损耗要低的多,据最新g.654e光纤,在1550nm窗口的衰减已经达到0.17db/km以下,这将有利于400g光纤通信系统的部署,也是海底通信传输媒介的最佳选择。

另一个因素“信息容量”,也就是通信容量。这里,通信容量是指在单位时间内传输的数据量,频率越高,意味着在单位时间内能够传输的数据量就越大,通信容量也就越大。一般通信电缆最高使用频率约106hz,光纤工作频率在1014-1015hz之间。可以看出,光纤的频率要高出几倍。

对于光纤通信来说,我们一般用比特率与距离的积即bl积(bit rate-distance product)表示,其中b为比特率,l为中继间距。它的单位是百万赫兹×千米(mhz×km),使用这两个值的乘积做为指针的原因是通常这两个值不会同时变好,而必须有所取舍。

因此,可以看得出来,光纤做为传输媒介是相当大的优势,特别是光纤还有很强的抗电磁抗干扰性,这在后面另说。

解释了为什么光纤会成为有线通信中传输媒介的首选。下面我们来看看为了实现光纤通信,这么多年无数的科学家主要做了哪些事情。

还是基于上面的通信模型来说。对光纤通信来说,通信模型变为:

光纤通信

上面这个系统中,主要的器件是涉及收发光源的激光器;中间的传输媒介则是光纤以及为了增强传输距离的光放大器。

激光器方面,光源有三种:半导体激光器、半导体发光二极管和非半导体激光器。在实际的光纤通信系统中,用的比较多的是半导体激光器,即为激光二极管,记作ld。它是前苏联科学家h.γ.巴索夫于1960年发明的。半导体激光器的结构通常由p区、n区和形成双异质结的有源区构成,工作波长在700-900nm之间。

光纤通信

稍后几年,工作在1200-1650nm的铟镓砷磷激光器在贝尔实验室里研制成功,为光纤通信找到了更合适的光源。使得光纤通信中的波分传输技术等得以发展。同时光接收端的器件,也从pin光二极管发展apd雪崩二极管,取决于具体应用场景场景。

对于光纤,可能大家都比较熟悉了,老话常谈。取得突破性理论进展是华裔科学家高锟发表的《光频率介质纤维表面波导》的论文,让光纤做为传输媒介成为了可能。
后来,美国的康宁公司(成立于1851年的老牌玻璃制造厂,曾第一个制造爱迪生发明电灯的玻璃灯泡),低调启动研发且在1970成功制作出约20db/km的光纤。而后没多久,康宁公司制造出了一条损耗低至4db/km的多模光纤,从此把光纤通信从理论推向了应用。下面简单看看光纤损耗的降低速度有多快:

  • 1970年:20db/km
  • 1972年:4db/km
  • 1974年:1.1db/km
  • 1976年:0.5db/km
  • 1979年:0.2db/km

上面说到现在的商用的g.654e光纤的损耗已经达到0.17db/km以下了。下面附上一张光纤损耗图以方便理解。

噗

光纤通信是工作在光纤的低损耗区域的,也就是一定的波长范围内的。为了能传输更远的距离,就需要在中间某个位置对信号进行放大(有电中继和光中继两种,这里说的是光中继)。这就好比,咱们长途开车,需要在服务区给汽车加油或者充电一个道理一样。有的车要加92号,有的车要加95号,有的车是充电的。对光纤通信的长距离传输系统来说,主流密集波分系统dwdm,它主要工作在c波段。那么有什么物质可以给c波段的信号“加油”呢?

这跟爱迪生发明灯泡一样,科学家就在元素周期表中“挖啊挖”,终于在1985年的时候,英国南安普顿大学首先研制成功,即掺铒光纤放大器edfa,由掺铒光纤(长约10-30m)和泵浦光源构成。其中的掺铒光纤是在纯的光纤中掺入了少量的稀土元素铒(er)离子,然后通过泵浦光与铒离子的受激辐射,对光信号进行放大。

光纤通信

有了以上主要三个方面的铺垫,光纤通信系统,才得以发展和推动。第一个光纤通信系统是美国搞的,码率为45mb/s,中继距离为10km。1980年,美国又搞出了140mb/s的多模光纤通信系统。1989年,建成了世界上第一条跨太平洋的海底光缆系统,1993年,sdh技术产品开始商业化部署,1997年,波分wdm技术20gb/s和40gb/s产品取得重大突破。

可以看得出光纤通信的演进速度是相当快的。到如今,我们仍然在想办法提升光纤通信系统的传输容量。我在以前的文章中也专门说过,主要是基于香农公式,现在的主要手段下面几个。
我们以高速公路系统类比。

一是提高单波速率,让汽车跑的更快一些,波分系统已经从10g,40g,100g,当前大规模部署的200g,以及即将规模部署的400g传输系统。往后再就是800g,1.2t等,这同时也对频谱有了更高的要求。

二是调制格式,高阶调制可以大大提升频谱效率。

三是频谱扩展方向。当单波发展到400g及以上时,需要更宽的频谱资源。当前对于400g来说,在波特率130gbaud左右时,波道带宽将达到最大150ghz,这好比在高速公路上,跑了一辆超大型车,原来的小汽车只要50ghz车道,现在要150ghz宽了。因此,为了又能传输80波甚至96波/120波,这就需要更宽的频谱。现在已经做到c l的扩展,频谱带宽达到12thz。

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