當(dāng)前焦點(diǎn)!光通信基礎(chǔ)知識(shí)大全
光纖的發(fā)明，帶動(dòng)了通信領(lǐng)域內(nèi)的革命，如果沒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，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)、可見光區(qū)、紅外線區(qū)、微波區(qū)以及無線電波區(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)。
(資料圖片)
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，為什么一定是紅外波段？這個(gè)問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)到或超過某一角度時(shí)，折射光會(huì)消失，入射光全部反射回來，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，后來經(jīng)過漫長(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 | 帶寬幾乎無限 |
結(jié)論 | 光纖成本更高但是網(wǎng)絡(luò)開通相對(duì)成本低 | 性能更高，但是建立網(wǎng)絡(luò)成本更高 |
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。
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，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，甚至連接至全球通信網(wǎng)。比如說，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。
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