光纖通信基本原理及發展趨勢

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【摘要】目前，光纖通信技術因其提供的高質量傳輸效果成為當今社會發展的關鍵技術之一，本文主要介紹了光纖通信的基本原理與其特點，并結合現階段的發展與應用狀況，提出了光纖技術的未來發展趨勢。

【關鍵詞】光纖通信；原理；應用；發展趨勢

信息時代的到來，使得通信技術領域在社會發展中扮演著不可或缺的角色。而光纖通信技術因為其攜帶信息量大[1]、傳輸速度快以及抗干擾能力強等種種優點，成為最具廣闊發展前景的信息通信技術。因此分析光纖通信的基本原理及發展趨勢，對于持續發展光纖通信技術具有重要意義。

1光纖通信技術簡介

1.1光纖通信的發展背景及原理。人類使用光傳遞信息已經有幾千年的歷史，中國古代的烽火通信以及貝爾的“光電話”便是早期的光通信。20世紀60~70年代，激光器和石英光纖相繼問世，解決了光源和傳輸介質這兩大關鍵因素，從此拉開了現代光纖通信的帷幕。光纖，完整名稱叫做光導纖維，英文名是OPTICFIBER。它是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導工具。光纖的主要用途是通信傳播。傳統的光纖結構是由纖芯、包層、涂覆層組成的[2]，如圖1所示，纖芯位于光纖的中心部位，成分為高純度二氧化硅。纖芯的折射率高于包層，且光在其中的損耗比包層更低，因此信息主要在纖芯內傳輸。包層位于纖芯的周圍，成分為高純度二氧化硅。包層能為光的傳輸提供反射面和光隔離，并且提供一定的機械保護。而涂覆層位于光纖的最外層。涂覆層能有效保護光纖以抵御水汽侵蝕和機械擦傷。光纖通信是用光作為信息的載體、以光纖作為傳輸介質的一種通信方式。其基本工作原理為全反射。圖2是全反射現象的示意圖，可以看出光從光密介質入射到光疏介質時，折射角大于入射角，當折射角達到90°時，此時對應的入射角θ稱為臨界角。當入射角大于或者等于臨界角時，就會發生全反射現象。如圖3所示，光纖通信系統（主要是PCM脈沖編碼調制形式）的組成大致可以分為電端機[3]、光纖光纜、光發信機、中續器、光纖光纜、光收信機、電端機。各部分的主要作用如下：（1）發送端的電端機主要作用是對模擬信號形式的信息進行抽樣、量化和編碼，使其成為二進制的數字信號形式。（2）光發信機主要作用是對數字信號形式的信息進行調制，通過波分復用[4]技術耦合成光信號。后能使信息在光纖中傳播。（3）中續器的主要作用是對數據信號進行重新發送或者轉發，借此以擴大信息傳輸的距離。由于信息在傳播的途中不可避免的能量損耗與失真，因此在傳輸過程中不得不對信息進行再次轉換，使光信號轉化為電信號，然后再次轉化為光信號。該過程能對信息進行校對合證，并補充傳輸途中所損耗的能量。（4）光收信機主要作用是恢復光纖傳輸后由光載波所攜帶的信息。光信號經過光纖光纜傳輸，進入光收信機，光檢測器會將光信號轉化為電信號，放大器又將電信號放大，最終送達接收端的電端機。（5）接收端的電端機能對數字信號形式的信息進行解碼，使其成為模擬信號形式。1.2光纖通信的特點。光纖通信具有的優點具體表現在以下幾方面：（1）頻帶寬，通信容量大光纖可利用的帶寬極寬。光纖通信所用光的工作頻率為100～1000THz，帶寬約為50THz。信道的帶寬就越大，系統傳遞信息的能力就越強。（2）沒有串音干擾光纖傳輸光信號是在光纖的內部，光幾乎不會漏出來。而只要在光纖表面涂一層消光劑，光在光纖內部傳播幾乎沒有串音干擾。（3）傳輸損耗低，中繼距離長目前實用的石英型光纖的損耗可低于0.2dB/km，遠低于其它任何已知的傳輸介質，而由于其損耗低，所以光纖的中繼距離長。實驗顯示，由石英型光纖組成的光纖通信系統中最大中繼距離可達到400多千米。而由新型材料制成的非石英型光纖組成的通信系統中，最大中繼距離可達數千甚至數萬千米。（4）原材料豐富目前光纖的主要成分是石英玻璃，即二氧化硅。二氧化硅在地球上資源豐富，取材難度小。（5）重量輕、體積小光纖的芯徑很細，僅約為0.1mm，僅僅只有單管同軸電纜的不到1%；光纜的直徑也很??；標準同軸電纜為47mm，而8芯光纜的橫截面直徑僅約為10mm。重量輕體積小的優點使得它在通信領域具有重要的價值。雖然光纖具有以上種種優點，但是光纖的材料也有一定的局限性。光纖技術的發展還未成熟。目前光纖的缺點主要是質地較脆、機械強度較低，彎曲半徑不宜太小，分路、耦合時不方便，連接相對困難等。當然這些缺點在技術上都是可以克服改變的，這些并不影響光纖通信的實用性。近些年來光纖通信的快速發展，已經深刻地改變了社會的通信方式，成為現代信息社會發展的重要基石。

2光纖通信技術的發展趨勢

2.1光纖通信的應用現狀。2.1.1在通信方面的應用。光纖技術在通信方面有著重要的作用。在城城通信、本地通信、跨洋通信中更是有著不可替代的地位，目前，光纖技術的發展導致其成為通信技術中的領先技術，并不斷地推動著整個通信行業的發展。2.1.2在電氣方面的應用。電氣化已是評價整個社會是否現代化的主要標準之一，在生活能源中，電氣的使用已占據70%左右，近些年來我國的經濟水平與社會文明水平飛速發展，國家的電力負擔也不斷加重，傳統的通信方式主要采用的是遠程通信與人工調整的方式，這種方式已變得十分落后了。而現今使用的光纖技術通信質量高、安全系數高、穩定、成本低，是一種十分理想的通信技術。2.1.3在傳媒行業的應用。光纖的傳播損耗低，傳播的信息品質好，在傳播行業中，傳播的主要以圖像音頻為主，所以對信號穩定性、傳播速度方面的要求非常高。而光纖技術能夠滿足傳媒行業對更高的信息傳播質量的要求。2.1.4在互聯網中的應用。光纖最具代表性的應用就是與互聯網技術的結合應用了，光纖技術傳出的信號更加清晰、更加快速，對于互聯網較高的信息傳遞質量要求有極好的補充。由此使物流、電子商務以及網上銀行等互聯網的應用更加成熟。2.1.5在軍事中的應用?，F代戰爭主要以信息化戰爭為發展趨勢，而光纖通信的傳播安全指數高、信息更加可靠，這滿足了軍事行動上的保密要求，所以在現階段，世界各國軍事方面對光纖技術的應用非常廣泛。2.2光纖通信的未來發展趨勢。目前，就實際而言，經過多年發展，傳統的光纖通信的應用已經接近成熟，我國基本實現光纖到戶（FTTH）的應用，全光網已經投入使用，未來，光纖技術的發展將向兩個方面進行繼續發展：2.2.1塑料光纖的應用。目前主流的光纖為石英光纖，主要成分為高純度的石英玻璃，即二氧化硅（SiO2）。其傳輸損耗低，因此得以廣泛應用，但石英的機械強度較低，可撓性較差。而塑料光纖可以在保持較低的傳輸損耗的情況下，擁有更高的柔韌性，以適應更加廣泛的使用環境。這種塑料光纖主要芯層材料是高透明聚合物如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯。在目前最先進的塑料光纖拉絲工藝（連續聚合紡絲法[5]）下，生產出的塑料光纖最低損耗可達20dB/km。2.2.2光孤子通信的發展。在信息傳輸過程中，光的損耗和色散仍限制著光纖通信的傳輸速度。光纖本身存在的色散現象，使目前的光纖線性通信系統中的光脈沖沿光纖展寬，隨著傳輸距離越遠、光纖入纖功率越大，展寬現象越明顯，最后由于展寬后的信息傳播速度不同，導致信息畸變失真。人們分析光纖折射率的非線性（自相位調制[6]）效應，發現可以使光脈沖壓縮使其與光脈沖展寬相平衡，使光脈沖能長距離不變形傳輸，因此產生了光孤子通信[7]技術。它使光脈沖擺脫了色散現象的影響，使通信容量再次提高了1~2個數量級，中續距離達到幾百千米，是目前最有潛力的發展方式之一。當下，光孤子通信的關鍵技術光孤子源技術、光孤子放大技術與光孤子開關技術已得到較大的突破。

3結論及展望

本文簡要敘述了光纖通信系統的基本原理及構成，并對光纖通信的未來發展趨勢進行了歸納總結。光纖技術是現代信息傳輸網絡的重要技術，在實際生活中有廣泛的應用，未來發展前景廣闊。

參考文獻

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[6]沈宇震，王清月，邢歧榮，等.啁啾脈沖激光放大中的自相位調制效應[J].物理學報，1996，45（2）：214~221.

[7]吳紫標.光纖中的光孤子[J].大學物理，2000，19（3）：37.

作者:陳梓遠 單位:江蘇省張家港市暨陽高級中學