八百通光纖電話機(jī)用的光纖通信原理

光纖通信

光纖通信是指一種利用光與光纖傳遞信息的一種方式，屬于有線通信的一種。光經(jīng)過調(diào)制后便能攜帶信息。自1980年代起，光纖通信系統(tǒng)對(duì)于電信工業(yè)產(chǎn)生了革命性的作用，同時(shí)也在數(shù)字時(shí)代里扮演非常重要的角色。光纖通信具有傳輸容量大、保密性好等許多優(yōu)點(diǎn)。光纖通信線在已經(jīng)成為當(dāng)今最主要的有線通信方式。將需發(fā)送的信息在發(fā)送端輸入到發(fā)送機(jī)中，將信息疊加或調(diào)制到作為信息信號(hào)載體的載波上，然后將已調(diào)制的載波通過傳輸媒質(zhì)發(fā)送到遠(yuǎn)處的接收端，由接收機(jī)解調(diào)出原來的信息。

根據(jù)信號(hào)調(diào)制方式的不同，光纖通信可以分為數(shù)字光纖通信、模擬光纖通信。纖通信的產(chǎn)業(yè)包括了光纖電纜、光器件、光設(shè)備、光通信儀表、光通信集成電路等多個(gè)領(lǐng)域。

利用光纖做為通信之用通常需經(jīng)過下列幾個(gè)步驟：

以發(fā)射器產(chǎn)生光信號(hào)。

以光纖傳遞信號(hào)，同時(shí)必須確保光信號(hào)在光纖中不會(huì)衰減或嚴(yán)重變形。

以接收器接收光信號(hào)，并且轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

應(yīng)用

光纖常被電話公司用于傳遞電話、互聯(lián)網(wǎng)，或是有線電視的信號(hào)，有時(shí)候利用一條光纖就可以同時(shí)傳遞上述的所有信號(hào)。與傳統(tǒng)的銅線相比，光纖的信號(hào)衰減與遭受干擾[來源請(qǐng)求]的情形都改善很多，特別是長(zhǎng)距離以及大量傳輸?shù)氖褂脠?chǎng)合中，光纖的優(yōu)勢(shì)更為明顯。然而，在城市之間利用光纖的通信基礎(chǔ)建設(shè)通常施工難度以及材料成本難以控制，完工后的系統(tǒng)維運(yùn)復(fù)雜度與成本也居高不下。因此，早期光纖通信系統(tǒng)多半應(yīng)用在長(zhǎng)途的通信需求中，這樣才能讓光纖的優(yōu)勢(shì)徹底發(fā)揮，并且抑制住不斷增加的成本。

從2000年光通信市場(chǎng)崩潰后，光纖通信的成本也不斷下探，當(dāng)前已經(jīng)和銅纜為骨干的通信系統(tǒng)不相上下。

對(duì)于光纖通信產(chǎn)業(yè)而言，1990年光放大器正式進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)的應(yīng)用后，很多超長(zhǎng)距離的光纖通信才得以真正實(shí)現(xiàn)，例如越洋的海底電纜。到了2002年時(shí)，越洋海底電纜的總長(zhǎng)已經(jīng)超過25萬(wàn)千米，每秒能攜帶的數(shù)據(jù)量超過2.56Tb，而且根據(jù)電信運(yùn)營(yíng)商的統(tǒng)計(jì)，這些數(shù)據(jù)從2002年后仍然不斷的大幅成長(zhǎng)中。

核心技術(shù)

現(xiàn)代的光纖通信系統(tǒng)多半包括一個(gè)發(fā)射器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再透過光纖將光信號(hào)傳遞。光纖多半埋在地下，連接不同的建筑物。系統(tǒng)中還包括數(shù)種光放大器，以及一個(gè)光接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。在光纖通信系統(tǒng)中傳遞的多半是數(shù)字信號(hào)，來源包括計(jì)算機(jī)、電話系統(tǒng)，或是有線電視系統(tǒng)。

發(fā)射器

在光纖通信系統(tǒng)中通常作為光源的半導(dǎo)體組件是發(fā)光二極管或是激光二極管。LED與激光二極管的主要差異在于前者所發(fā)出的光為非同調(diào)性，而后者則為同調(diào)性的光。使用半導(dǎo)體作為光源的好處是體積小、發(fā)光效率高、可靠度佳，以及可以將波長(zhǎng)最優(yōu)化，更重要的是半導(dǎo)體光源可以在高頻操作下直接調(diào)制，非常適合光纖通信系統(tǒng)的需求。

LED借著電激發(fā)光的原理發(fā)出非同調(diào)性的光，頻譜通常分散在30納米至60納米間。LED另外一項(xiàng)缺點(diǎn)是發(fā)光效率差，通常只有輸入功率的1%可以轉(zhuǎn)換成光功率，約是100微瓦特左右。但是由于LED的成本較低廉，因此常用于低價(jià)的應(yīng)用中。常用于光通信的LED主要材料是砷化鎵或是砷化鎵磷，后者的發(fā)光波長(zhǎng)為1300納米左右，比砷化鎵的810納米至870納米更適合用在光纖通信。由于LED的頻譜范圍較廣，導(dǎo)致色散較為嚴(yán)重，也限制了其傳輸速率與傳輸距離的乘積。LED通常用在傳輸速率10Mb/s至100Mb/s的局域網(wǎng)，傳輸距離也在數(shù)千米之內(nèi)。當(dāng)前也有LED內(nèi)包含了數(shù)個(gè)量子井的結(jié)構(gòu)，使得LED可以發(fā)出不同波長(zhǎng)的光，涵蓋較寬的頻譜，這種LED被廣泛應(yīng)用在區(qū)域性的波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中。

半導(dǎo)體激光的輸出功率通常在100毫瓦特左右，而且為同調(diào)性質(zhì)的光源，方向性相對(duì)而言較強(qiáng)，通常和單模光纖的耦合效率可達(dá)50%。激光的輸出頻譜較窄，也有助于增加傳輸速率以及降低模態(tài)色散。半導(dǎo)體激光亦可在相當(dāng)高的操作頻率下進(jìn)行調(diào)制，原因是其復(fù)合時(shí)間非常短。

半導(dǎo)體激光通常可由輸入的電流有無(wú)直接調(diào)制其開關(guān)狀態(tài)與輸出信號(hào)，不過對(duì)于某些傳輸速率非常高或是傳輸距離很長(zhǎng)的應(yīng)用，激光光源可能會(huì)以連續(xù)波的形式控制，例如使用外置的電吸收光調(diào)制器或是馬赫·任德干涉儀對(duì)光信號(hào)加以調(diào)制。外置的調(diào)制組件可以大幅減少激光的“啁啾脈沖”。啁啾脈沖會(huì)使得激光的譜線寬度變寬，使得光纖內(nèi)的色散變得嚴(yán)重。

光纖

光纖纜線包含一個(gè)核心，纖殼以及外層的保護(hù)被覆。核心與折射率較高的纖殼通常用高質(zhì)量的硅石玻璃制成，但是現(xiàn)在也有使用塑膠作為材質(zhì)的光纖。又因?yàn)楣饫w的外層有經(jīng)過紫外線固化后的壓克力被覆，可以如銅纜一樣埋藏于地下，不需要太多維護(hù)費(fèi)用。然而，如果光纖被彎折的太過劇烈，仍然有折斷的危險(xiǎn)。而且因?yàn)楣饫w兩端連接需要十分精密的校準(zhǔn)，所以折斷的光纖也難以重新接合。

光放大器

過去光纖通信的距離限制主要根源于信號(hào)在光纖內(nèi)的衰減以及信號(hào)變形，而解決的方式是利用光電轉(zhuǎn)換的中繼器。這種中繼器先將光信號(hào)轉(zhuǎn)回電信號(hào)放大后再轉(zhuǎn)換成較強(qiáng)的光信號(hào)傳往下一個(gè)中繼器，然而這樣的系統(tǒng)架構(gòu)無(wú)疑較為復(fù)雜，不適用于新一代的波分復(fù)用技術(shù)，同時(shí)每隔20千米就需要一個(gè)中繼器，讓整個(gè)系統(tǒng)的成本也難以降低。

光放大器的目的即是在不用作光電與電光轉(zhuǎn)換下就直接放大光信號(hào)。光放大器的原理是在一段光纖內(nèi)摻雜稀土族元素如鉺，再以短波長(zhǎng)激光激發(fā)之。如此便能放大光信號(hào)，取代中繼器。

接收器

構(gòu)成光接收器的主要組件是光偵測(cè)器，利用光電效應(yīng)將入射的光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)。光偵測(cè)器通常是半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的光二極管，例如p-n結(jié)二極管、p-i-n二極管，或是雪崩型二極管。另外“金屬-半導(dǎo)體-金屬”光偵測(cè)器也因?yàn)榕c電路集成性佳，而被應(yīng)用在光再生器或是波分復(fù)用器中。

光接收器電路通常使用轉(zhuǎn)阻放大器以及限幅放大器處理由光偵測(cè)器轉(zhuǎn)換出的光電流，轉(zhuǎn)阻放大器和限幅放大器可以將光電流轉(zhuǎn)換成幅度較小的電壓信號(hào)，再透過后端的比較器電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。對(duì)于高速光纖通信系統(tǒng)而言，信號(hào)常常相對(duì)地衰減較為嚴(yán)重，為了避免接收器電路輸出的數(shù)字信號(hào)變形超出規(guī)格，通常在接收器電路的后級(jí)也會(huì)加上時(shí)脈及數(shù)據(jù)恢復(fù)電路以及鎖相回路將信號(hào)做適度處理再輸出。

波分復(fù)用

波分復(fù)用的實(shí)際做法就是將光纖的工作波長(zhǎng)分割成多個(gè)信道，俾使能在同一條光纖內(nèi)傳輸更大量的數(shù)據(jù)。一個(gè)完整的波分復(fù)用系統(tǒng)分為發(fā)射端的波分復(fù)用器以及在接收端的波長(zhǎng)分波解多任務(wù)器，最常用于波分復(fù)用系統(tǒng)的組件是數(shù)組波導(dǎo)光柵。而當(dāng)前市面上已經(jīng)有商用的波分復(fù)用器/解多任務(wù)器，最多可將光纖通信系統(tǒng)劃分成80個(gè)信道，也使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室幌伦泳屯黄芓b/s的檔次。

帶寬距離乘積

由于傳輸距離越遠(yuǎn)，光纖內(nèi)的色散現(xiàn)象就越嚴(yán)重，影響信號(hào)質(zhì)量。因此常用于評(píng)估光纖通信系統(tǒng)的一項(xiàng)指針就是帶寬-距離乘積，單位是百萬(wàn)赫茲×千米。使用這兩個(gè)值的乘積做為指針的原因是通常這兩個(gè)值不會(huì)同時(shí)變好，而必須有所取舍。舉例而言，一個(gè)常見的多模光纖系統(tǒng)的帶寬-距離乘積約是500MHz×km，代表這個(gè)系統(tǒng)在一千米內(nèi)的信號(hào)帶寬可以到500MHz，而如果距離縮短至0.5千米時(shí)，帶寬則可以倍增到1000MHz。

應(yīng)用極限

雖然當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)很多技術(shù)降低諸如色散之類的問題，也使得光纖通信系統(tǒng)的容量已經(jīng)達(dá)到14Tb/s以及160千米的傳輸距離，仍然有些問題需要工程師與科學(xué)家的研究與克服。以下是這些問題的簡(jiǎn)單討論。

信號(hào)色散

對(duì)于現(xiàn)代的玻璃光纖而言，最嚴(yán)重的問題并非信號(hào)的衰減，而是色散問題，也就是信號(hào)在光纖內(nèi)傳輸一段距離后逐漸擴(kuò)散重疊，使得接收端難以判別信號(hào)的高或低。造成光纖內(nèi)色散的成因很多。以模態(tài)色散為例，信號(hào)的橫模軸速度不一致導(dǎo)致色散，這也限制了多模光纖的應(yīng)用。在單模光纖中，模態(tài)間的色散可以被壓抑得很低。

但是在單模光纖中一樣有色散問題，通常稱為群速色散，起因是對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光波而言，玻璃的折射率略有不同，而光源所發(fā)射的光波不可能沒有頻譜的分布，這也造成了光波在光纖內(nèi)部會(huì)因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)的些微差異而有不同的折射行為。另外一種在單模光纖中常見的色散稱為偏振態(tài)色散，起因是單模光纖內(nèi)雖然一次只能容納一個(gè)橫模的光波，但是這個(gè)橫模的光波卻可以有兩個(gè)方向的偏振，而光纖內(nèi)的任何結(jié)構(gòu)缺陷與變形都可能讓這兩個(gè)偏振方向的光波產(chǎn)生不一樣的傳遞速度，這又稱為光纖的雙折射現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象可以透過偏振保持光纖加以抑制。

信號(hào)衰減

信號(hào)在光纖內(nèi)衰減也造成光放大器成為光纖通信系統(tǒng)所必需的組件。光波在光纖內(nèi)衰減的主因有物質(zhì)吸收、瑞利散射、米氏散射以及連接器造成的損失。雖然石英的吸收系數(shù)只有0.03dB/km，但是光纖內(nèi)的雜質(zhì)仍然會(huì)讓吸收系數(shù)變大。其他造成信號(hào)衰減的原因還包括應(yīng)力對(duì)光纖造成的變形、光纖密度的微小擾動(dòng)，或是接合的技術(shù)仍有待加強(qiáng)。

信號(hào)再生

現(xiàn)代的光纖通信系統(tǒng)因?yàn)橐M(jìn)了很多新技術(shù)降低信號(hào)衰減的程度，因此信號(hào)再生只需要用于距離數(shù)百千米遠(yuǎn)的通信系統(tǒng)中。這使得光纖通信系統(tǒng)的建置費(fèi)用與維運(yùn)成本大幅降低，特別對(duì)于越洋的海底光纖而言，中繼器的穩(wěn)定度往往是維護(hù)成本居高不下的主因。這些突破對(duì)于控制系統(tǒng)的色散也有很大的助益，足以降低色散造成的非線性現(xiàn)象。此外，光孤子也是另外一項(xiàng)可以大幅降低長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)中色散的關(guān)鍵技術(shù)。

最后一公里光纖網(wǎng)絡(luò)

雖然光纖網(wǎng)絡(luò)享有高容量的優(yōu)勢(shì)，但是在達(dá)成普及化的目標(biāo)，也就是“光纖到戶”以及“最后一公里”的網(wǎng)絡(luò)布建上仍然有很多困難待克服。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求日增，已經(jīng)有越來越多國(guó)家逐漸達(dá)成這個(gè)目的。以韓國(guó)為例，光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)開始取代使用銅線的數(shù)字用戶回路系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的比較

對(duì)于某個(gè)通信系統(tǒng)而言，使用傳統(tǒng)的銅纜作為傳輸介質(zhì)較好，或是使用光纖較佳，有幾項(xiàng)考量的重點(diǎn)。光纖通常用于高帶寬以及長(zhǎng)距離的應(yīng)用，因?yàn)槠渚哂械蛽p耗、高容量，以及不需要太多中繼器等優(yōu)點(diǎn)。光纖另外一項(xiàng)重要的優(yōu)點(diǎn)是即使跨越長(zhǎng)距離的數(shù)條光纖并行，光纖與光纖之間也不會(huì)產(chǎn)生串訊的干擾，這和傳輸電信號(hào)的傳輸線正好相反。

不過對(duì)于短距離與低帶寬的通信應(yīng)用而言，使用電信號(hào)的傳輸有下列好處：

較低的建置費(fèi)用

組裝容易

可以利用電力系統(tǒng)傳遞信息

因?yàn)檫@些好處，所以在很短的距離傳輸信息，例如主機(jī)之間、電路板之間，甚至是集成電路芯片之間，通常還是使用電信號(hào)傳輸。然而當(dāng)前也有些還在實(shí)驗(yàn)階段的系統(tǒng)已經(jīng)改采光來傳遞信息。

在某些低帶寬的場(chǎng)合，光纖通信仍然有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

能抵抗電磁干擾，包括核子造成的電磁脈沖。

對(duì)電信號(hào)的阻抗極高，所以能在高電壓或是地面電勢(shì)不同的狀況下安全工作。

重量較輕，這在飛機(jī)中特別重要。

不會(huì)產(chǎn)生火花，在某些易燃的環(huán)境中顯得重要。

沒有電磁輻射、不易被竊聽，對(duì)于需要高度安全的系統(tǒng)而言十分重要。

線徑小，當(dāng)繞線的路徑被限制時(shí)，變得重要。