光纖通信徹底改變了電信行業(yè)。它還在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)社區(qū)中廣泛感受到了它的存在。使用光纖電纜，光通信使電信鏈路能夠在更遠的距離上建立，并且傳輸介質(zhì)的損耗水平要低得多，而且可能最重要的是，光纖通信能夠適應(yīng)更高的數(shù)據(jù)速率。

由于這些優(yōu)勢，光纖通信系統(tǒng)被廣泛用于從主要電信骨干基礎(chǔ)設(shè)施到以太網(wǎng)系統(tǒng)、寬帶分配和通用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用。

光纖的發(fā)展

自電信誕生之初，人們就越來越需要以更快的速度傳輸更多數(shù)據(jù)。最初使用單線電線。這些讓位于同軸電纜，使多個通道能夠通過同一根電纜傳輸。然而，這些系統(tǒng)的帶寬有限，因此對光學(xué)系統(tǒng)進行了研究。

在 1960 年代開發(fā)出第一臺激光器后，光通信成為可能。1970 年代，當(dāng)?shù)谝桓鶕p耗足夠低的光纖被開發(fā)出來用于通信目的時，下一塊拼圖就位了。然后，在 1970 年代后期進行了大量研究。這導(dǎo)致了第一個光纖電信系統(tǒng)的安裝。它的運行距離為 45 公里，波長為 0.5?毫米，數(shù)據(jù)速率僅為 45 Mbps，只是目前可能的一小部分。

從那時起，該技術(shù)取得了相當(dāng)大的改進。數(shù)據(jù)速率有所提高，除此之外，光纖的性能也得到了提高，使中繼器之間的距離更遠。作為這一點的標(biāo)志，現(xiàn)在通過光纖系統(tǒng)可以達到的速度超過 10 Tbps。

當(dāng)?shù)谝粋€光纖傳輸系統(tǒng)被開發(fā)出來時，人們認為光纖布線和技術(shù)會非常昂貴。然而，事實并非如此，成本已經(jīng)下降到光纖現(xiàn)在為許多電信應(yīng)用提供唯一可行選擇的程度。除此之外，它還用于許多對速度有主要要求的局域網(wǎng)。

光纖在通信中的優(yōu)勢

有許多令人信服的原因?qū)е码娦艖?yīng)用廣泛采用光纖布線：

信號衰減水平低得多

光纖布線提供更高的帶寬，允許傳輸更多數(shù)據(jù)

光纖電纜比可能使用的同軸電纜輕得多。

光纖不會像同軸電纜那樣受到雜散干擾拾取的影響

光纖傳輸系統(tǒng)

任何光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)都將包含許多不同的元件。有三個主要元素（以粗體標(biāo)記），還有一個對實際系統(tǒng)至關(guān)重要的元素：

發(fā)射器（光源）

光纖電纜

光直放站

接收器（檢測器）

系統(tǒng)的不同元素將根據(jù)應(yīng)用而有所不同。用于較低容量鏈路的系統(tǒng)，可能用于局域網(wǎng)，將采用與網(wǎng)絡(luò)提供商使用的技術(shù)和組件略有不同，這些技術(shù)和組件在長距離上提供極高的數(shù)據(jù)速率。然而，無論采用何種制度，基本原則都是一樣的。

在系統(tǒng)中，光源的發(fā)射器產(chǎn)生調(diào)制的光流，使其能夠攜帶數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)上，光脈沖表示“1”，沒有光表示“0”。這種光沿著非常細的玻璃纖維或其他合適的材料傳輸，以呈現(xiàn)在接收器或探測器上。探測器將光脈沖轉(zhuǎn)換為等效電脈沖。通過這種方式，數(shù)據(jù)可以作為光在很遠的距離上傳輸。

光纖發(fā)射器

最簡單的發(fā)射器設(shè)備是 LED。它的主要優(yōu)點是價格便宜，這使其成為只需要短期運行的低成本應(yīng)用的理想選擇。但是，它們有許多缺點。首先是它們的效率水平非常低。只有大約1%的輸入功率進入光纖，這意味著需要高功率驅(qū)動器來提供足夠的光，以實現(xiàn)長距離傳輸。LED 的另一個缺點是它們會產(chǎn)生所謂的非相干光，覆蓋相對寬的光譜。通常，光譜寬度在 30 到 60 nm 之間。這意味著光纖中的任何色散都會限制系統(tǒng)的帶寬。

鑒于其性能，LED 主要用于局域網(wǎng)應(yīng)用，其中數(shù)據(jù)速率通常在 10-100 Mb/s 范圍內(nèi)，傳輸距離為幾公里。

在需要更高水平的性能的情況下，即光纖鏈路必須能夠在更遠的距離和更高的數(shù)據(jù)速率下運行，則使用激光器。雖然成本更高，但它們提供了一些顯著的優(yōu)勢。首先，它們能夠提供更高的輸出水平，除此之外，光輸出是定向的，這使得光傳輸?shù)焦饫w電纜的效率更高。通常，單模光纖的耦合效率可高達50%。另一個優(yōu)點是激光器具有非常窄的光譜帶寬，因為它們會產(chǎn)生相干光。這種窄光譜寬度使激光器能夠以更高的速率傳輸數(shù)據(jù)，因為模態(tài)色散不太明顯。另一個優(yōu)點是半導(dǎo)體激光器可以直接在高頻下調(diào)制，因為半導(dǎo)體材料內(nèi)的載流子復(fù)合時間短。

激光二極管通常直接調(diào)制。這提供了一種非常簡單有效的方法，可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦庑盘柹?。這是通過控制直接施加到器件的電流來實現(xiàn)的。這反過來又會改變激光的光輸出。但是，對于非常高的數(shù)據(jù)速率或非常長的距離鏈路，以恒定的輸出電平（連續(xù)波）運行激光器會更有效。然后使用外部設(shè)備對光進行調(diào)制。使用外部調(diào)制方式的優(yōu)點是它增加了最大鏈路距離，因為消除了稱為激光啁啾的效應(yīng)。這種啁啾聲拓寬了光信號的光譜，從而增加了光纜中的色散。

光纖電纜

有關(guān)光纖布線的完整詳細信息和描述，請參閱網(wǎng)站此區(qū)域的單獨文章/教程。從本質(zhì)上講，光纖電纜由芯線組成，芯線周圍是另一層稱為包層的層。除此之外，還有一個保護性外涂層。

光纖電纜之所以能夠運行，是因為其包層的折射率略低于芯線的折射率。這意味著通過纖芯的光在到達纖芯/包層邊界時會經(jīng)歷全內(nèi)反射，從而包含在光纖纖芯內(nèi)。

中繼器和放大器

信號可以通過光纖電纜傳輸?shù)淖畲缶嚯x。這不僅受到電纜衰減的限制，還受到沿電纜的光信號失真的限制。為了克服這些影響并在更長的距離上傳輸信號，使用了中繼器和放大器。

可以使用光電中繼器。這些設(shè)備將光信號轉(zhuǎn)換為電格式，可以對其進行處理以確保信號不失真，然后轉(zhuǎn)換回光學(xué)格式。然后，它可以沿著光纖電纜的下一個狀態(tài)傳輸。

另一種方法是使用光放大器。這些放大器直接放大光信號，無需將信號轉(zhuǎn)換回電格式。放大器由一段光纖電纜組成，該電纜摻雜了一種名為鉺的稀土礦物。然后用來自另一個激光器的較短波長的光照亮或泵浦處理過的光，用于放大所攜帶的信號。

鑒于光纖放大器的成本比中繼器低得多，放大器的應(yīng)用要廣泛得多。大多數(shù)中繼器已被更換，如今幾乎所有新安裝都使用了放大器。

接收機

沿著光纜傳播的光需要轉(zhuǎn)換為電信號，以便對其進行處理并提取所攜帶的數(shù)據(jù)。接收器的核心組件是光電探測器。這通常是一個半導(dǎo)體器件，可以是p-n結(jié)、p-i-n光電二極管或雪崩光電二極管。不使用光電晶體管，因為它們沒有足夠的速度。

一旦來自光纜的光信號被施加到光電探測器并轉(zhuǎn)換為電格式，就可以對其進行處理以恢復(fù)數(shù)據(jù)，然后將其傳遞到最終目的地。

光纖數(shù)據(jù)傳輸通常用于長距離電信網(wǎng)絡(luò)鏈路和高速局域網(wǎng)。目前，光纖不用于向家庭提供服務(wù)，盡管這是許多電信公司的長期目標(biāo)。通過在這里使用光纖布線，新服務(wù)的可用帶寬將大大增加，并且增加收入的可能性將增加。目前，他的成本是不可行的，盡管它很可能在中期發(fā)生。

審核編輯：黃飛