光通信基础知识

光纤的发明引发了通信领域的一场革命。如果没有光纤提供大容量高速通道，互联网只能停留在理论阶段。如果说20世纪是电的时代，那么21世纪就是光的时代。光是如何交流的？下面就和小编一起来学习一下光通信的基础知识吧。

光波实际上是一种电磁波。在自由空间中，电磁波的波长与频率成反比，两者的乘积等于光速，即：

电磁波的波长或频率排列以形成电磁波谱。根据波长或频率的不同，电磁波可分为射线区、紫外区、可见光区、红外区、微波区、无线电波区和长波区。用于通信的波段主要是红外线、微波和无线电波区。下图让你分分钟了解通信频段的划分和对应的传输介质。

这篇文章的主角“光纤通信”使用的是红外波段的光波。说到这里，你可能会疑惑为什么一定要在红外波段呢？这个问题与光纤材料即石英玻璃的光传输损耗有关。接下来，我们需要了解光纤是如何传输光的。

当光线从一种物质射向另一种物质时，会在两种物质的界面发生折射和反射，折射角随入射光的角度而增大。下图中①→②。当入射角达到或超过一定角度时，折射光消失，入射光全部反射回来，即光的全反射，如下图②→③所示。

不同的材料具有不同的折射率，因此光在不同的介质中以不同的速度传播。折射率用n表示，n=c/v，c是真空中的速度，v是介质中的传播速度。折射率高的介质称为光密介质，折射率低的介质称为光疏介质。发生全反射的两个条件是：

从光密介质传输到光疏介质

入射角大于或等于全反射临界角

为了避免光信号泄漏和降低传输损耗，光纤中的光传输是在全反射条件下进行的。

有了全反射光传播的基本知识，就很容易理解光纤的设计结构。光纤裸纤分为三层：

第一层纤芯：位于光纤中心，成分为高纯二氧化硅或玻璃。纤芯直径通常为 9-10 微米（单模）、50 或 62.5 微米（多模）。纤芯具有较高的折射率并用于传输光。

第二层包层：位于纤芯周围，成分也是石英玻璃（通常直径为 125 微米）。包层折射率低，与纤芯形成全反射条件。

第三涂层：最外层为增强树脂涂层。保护层材料强度高，能承受较大的冲击，保护光纤免受水汽侵蚀和机械磨损。

光纤传输损耗是影响光纤通信质量的一个非常重要的因素。造成光信号衰减的主要因素有：材料的吸收损耗、传输过程中的散射损耗，以及光纤弯曲、挤压、对接损耗等因素引起的其他损耗。

光的波长不同，在光纤中的传输损耗也不同。为了尽可能减少损耗，保证传输效果，科学家们一直在努力寻找最合适的光。对于1260nm~1360nm波长范围内的光，色散引起的信号失真最小，吸收损耗也最低。早期采用该波长范围作为光通信波段。后来经过长期的探索和实践，专家们逐渐总结出一个低损耗的波长（1260nm~1625nm）区域，这个波长区域的光最适合在光纤中传输。因此，光纤通信中使用的光波一般都在红外波段。

多模光纤：传输多种模式，但模间色散比较大，限制了数字信号传输的频率，而且随着传输距离的增加，这种限制会越来越严重。因此，多模光纤的传输距离比较短，一般只有几公里。

单模光纤：光纤直径很小，理论上只能传输一种模式，适用于长距离通信。

比较项目

多模光纤

单模光纤

纤维成本

成本高

更低的花费

传输设备要求

设备要求低，设备成本低

设备要求高，光源要求高

衰减

高的

低的

传输波长

850nm-1300nm

1260nm-1640nm

使用方便

大芯径，便于操作

使用连接更复杂

传输距离

本地网络

(小于2公里)

接入网/中长途网

(大于200公里)

带宽

带宽有限

几乎无限的带宽

综上所述

光纤成本较高但网络开通成本相对较低

更高的性能，但设置网络的成本更高

常用的手机、电脑等通讯产品，都是以电信号的形式发送信息。进行光通信时，首先要将电信号转换成光信号，再将光信号通过光纤电缆传输后转换成电信号，以达到信息传输的目的。基本的光通信系统由光发射机、光接收机和传输光的光纤环路组成。为了保证远距离信号传输质量和提高传输带宽，一般采用光中继器和光复用器。

下面简单介绍一下光纤通信系统中各器件的工作原理。

光发射机：将电信号转换成光信号，主要由信号调制器和光源组成。

信号复用器：将多个不同波长的光载波信号耦合到同一根光纤中进行传输，达到传输容量成倍增加的效果。

光中继器：在传输过程中，信号的波形和强度会发生退化，因此需要将波形恢复到原始信号的整齐波形，并增加光强。

信号解复用器：将复用后的信号分解为其原始的单个信号。

光接收器：将接收到的光信号转换成电信号，主要由光电探测器和解调器组成。

中继距离远，经济节能

假设以10Gbps（每秒100亿个0或1个信号）传输信息，如果使用电气通信，每隔几百米就需要中继处理调整信号。相比之下，使用光通信，中继距离可达100多公里。调整信号的次数越少，成本越低。另一方面，光纤的材料是二氧化硅，二氧化硅储量丰富，成本远低于铜线，因此光通信具有经济节能的效果。

信息传输速度快，通信质量高

比如和外国朋友聊天，或者上网聊天，语音也没有以前那么卡顿了。在电信时代，国际通信主要通过人造卫星作为中继进行传输。传输路径会变长，信号到达也会变慢。借助海底光缆，光通信缩短了传输距离，因此信息传输速度更快。因此，利用光通信可以实现与海外更顺畅的通信。

抗干扰能力强，保密性好

电信可能会因电磁干扰而出现错误，这会降低通信质量。而光通信不受电噪声的影响，因此更加安全可靠。并且由于全反射的工作原理，信号完全束缚在光纤中传输，保密性好。

传输容量大

一般的电通信只能传输10Gbps（每秒100亿个0或1信号）的信息量，与之相比，光通信可以传输1Tbps（1万亿个0或1信号）的信息量。

光通信有很多优点。时至今日，光通信已经融入到我们生活的每一个角落。

使用互联网的设备，如手机、计算机和 IP 电话，将个人连接到他们所在的地区、整个国家，甚至连接到全球通信网络。例如，来自计算机和手机的信号在当地通信运营商和网络提供商设备的基站中汇聚，然后通过海底光缆中的光纤传输到世界各地。

视频通话、网购、电子游戏、看剧等日常活动的实现，都离不开它的支持。光网络的出现让我们的生活更加舒适便捷。

光通信在日常生活中的应用场景还有很多，这里就不一一列举了。通过小编的科普，大家也可以想一想光通信在日常生活中有哪些应用。

本文来自微信公众号：中兴文档（ID：ztedoc）