[科普]光纖通信是怎么實(shí)現(xiàn)的？
飛鴿傳書(shū)很有意思。據(jù)說(shuō)楚漢戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，劉邦被項(xiàng)羽包圍，這時(shí)候劉邦就是采用飛鴿傳書(shū)的方式向總部求援，最終成功脫險(xiǎn)。
其實(shí)這是利用鴿子的歸巢性。因此古時(shí)候行軍打仗會(huì)攜帶培育好的鴿子，當(dāng)有緊急事情給總部匯報(bào)時(shí)，就會(huì)從鴿籠里取出一只鴿，把書(shū)信塞進(jìn)鴿子腳上的小竹管，再用手撫摸一下鴿子的頭，往天空一拋，鴿子立刻就會(huì)飛往目標(biāo)對(duì)象手中。當(dāng)對(duì)方抓住這只鴿子，取出信件，眉頭一皺。這樣就完成了一次通信。
在飛鴿傳書(shū)的通信方式中，某地是“信源”，總部為“信宿”，鴿子則“信道”。這就構(gòu)成了 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 通信系統(tǒng)的三要素:信源(發(fā)送端設(shè)備)、信宿 (接收端設(shè)備) 和信道(傳輸媒介)。
當(dāng)然，現(xiàn)代通信沒(méi)有這么簡(jiǎn)單，基于上面的模型，在發(fā)送、接收和傳輸媒介上是做了相當(dāng)多的工作的。比如說(shuō)咱們得提前在發(fā)送端和接收端商量好通信協(xié)議選擇合適的傳輸媒介 (無(wú)線和有線)，盡量把信道整的又寬又快，同時(shí)還要應(yīng)對(duì)外部和內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜造成的信息失真(實(shí)行抗噪防干擾)。這些內(nèi)容我將在這個(gè)系列中慢慢來(lái)說(shuō)。
回到文章主題，根據(jù)使用的傳輸媒介的不同， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將通信分為有線通信和無(wú)線通信。顧名思義，有線通信必須要有實(shí)實(shí)在在的物理介質(zhì)，比如說(shuō)電纜、網(wǎng)線或者光纖等。
無(wú)線通信則使用電磁波。這里，進(jìn)一步歸納，使用光纖的有線通信方式和電磁波的無(wú)線通信方式，本質(zhì)上都是利用光的通信，統(tǒng)稱為光通信。其中，以光纖為媒介的有線通信，即光纖通信，就是 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 今天的主題。
那么，為什么會(huì)使用光纖作為通信媒介，并成為特別是長(zhǎng)距離通信的主流呢?
能成為通信的傳輸媒介，主要評(píng)估兩個(gè)指標(biāo):傳輸距離和信息容量。
其中傳輸距離與損耗是密切相關(guān)的，當(dāng)然是損耗越低越好。同軸電纜的傳輸損耗達(dá)十幾dB每公里，而光纖的損耗要低的多，據(jù)最新G.654E光纖，在1550nm窗口的衰減已經(jīng)達(dá)到0.17dB/km以下，這將有利于400G光纖通信系統(tǒng)的部署，也是海底通信傳輸媒介的最佳選擇。
另一個(gè)因素“信息容量”，也就是通信容量。這里，通信容量是指在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，頻率越高意味著在單位時(shí)間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就越大，通信容量也就越大。一般通信電纜最高使用頻率約106Hz，光纖工作頻率在1014-1015HZ之間?？梢钥闯?，光纖的頻率要高出幾倍。
對(duì)于光纖通信來(lái)說(shuō)， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 一般用比特率與距離的積即BL積 (Bit rate-Distance product) 表示，其中B為比特率，L為中繼間距。它的單位是百萬(wàn)赫茲x千米(MHzxkm)，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
因此，可以看得出來(lái)，光纖做為傳輸媒介是相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，特別是光纖還有很強(qiáng)的抗電磁抗干擾性，這在后面另說(shuō)。
解釋了為什么光纖會(huì)成為有線通信中傳輸媒介的首選。下面 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 來(lái)看看為了實(shí)現(xiàn)光纖通信，這么多年無(wú)數(shù)的科學(xué)家主要做了哪些事情。
還是基于上面的通信模型來(lái)說(shuō)。對(duì)光纖通信來(lái)說(shuō)，通信模型變?yōu)?：
上面這個(gè)系統(tǒng)中，主要的器件是涉及收發(fā)光源的激光器，中間的傳輸媒介則是光纖以及為了增強(qiáng)傳輸距離的光放大器。
激光器方面，光源有三種:半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體發(fā)光二極管和非半導(dǎo)體激光器。在實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)中，用的比較多的是半導(dǎo)體激光器，即為激光二極管，記作LD。它是前蘇聯(lián)科學(xué)家H.r.巴索夫于1960年發(fā)明的。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由P區(qū)、N區(qū)和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源區(qū)構(gòu)成，工作波長(zhǎng)在700~900nm之間。
稍后幾年，工作在1200~1650nm的鋼砷磷激光器在貝爾實(shí)驗(yàn)室里研制成功，為光纖通信找到了更合適的光源。使得光纖通信中的波分傳輸技術(shù)等得以開(kāi)展。同時(shí)光接收端的器件，也從PIN光二極管開(kāi)展APD雪崩二極管，取決于具體應(yīng)用場(chǎng)景場(chǎng)景。
對(duì)于光纖，可能大家都比較熟悉了，老話常談。取得突破性理論進(jìn)展是華裔科學(xué)家高銀發(fā)表的《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文，讓光纖做為傳輸媒介成為了可能。
后來(lái)，美國(guó)的康寧公司 (創(chuàng)建于1851年的老牌玻璃制造廠，曾第一個(gè)制造愛(ài)迪生發(fā)明電燈的玻璃燈泡)，低調(diào)啟動(dòng)研發(fā)且在1970成功制作出約20dB/km的光纖。而后沒(méi)多久，康寧公司制造出了一條損耗低至4dB/km的多模光纖，從此把光纖通信從理論推向了應(yīng)用。下面簡(jiǎn)單看看光纖損耗的降低速度有多快:
■1970年:20dB/km
■1972年:4dB/km
■1974年:1.1dB/km
■1976年:0.5dB/km
■1979年:0.2dB/km
上面說(shuō)到現(xiàn)在的商用的G.654E光纖的損耗已經(jīng)達(dá)到0.17dB/km以下了。下面附上一張光纖損耗圖以方便理解。
最后一個(gè)關(guān)鍵因素是光放大器，當(dāng)然并不是所有的光纖通信都會(huì)用到光放大器，比如說(shuō)SDH和CWDM等在這里大家先分析一下即可
光纖通信是工作在光纖的低損耗區(qū)域的，也就是一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的。為了能傳輸更遠(yuǎn)的距離，就需要在中間某個(gè)位置對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大 (有電中繼和光中繼兩種，這里說(shuō)的是光中繼)。這就好比，咱們長(zhǎng)途開(kāi)車(chē)，需要在服務(wù)區(qū)給汽車(chē)加油或者充電一個(gè)道理一樣。
有的車(chē)要加92號(hào)，有的車(chē)要加95號(hào)，有的車(chē)是充電的。對(duì)光纖通信的長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主流密集波分系統(tǒng)DWDM，它主要工作在C波段。那么有什么物質(zhì)可以給C波段的信號(hào)“加油”呢?
這跟愛(ài)迪生發(fā)明燈泡一樣，科學(xué)家就在元素周期表中挖啊挖”，終于在1985年的時(shí)候，英國(guó)南安普頓大學(xué)第一時(shí)間研制成功，即摻鎮(zhèn)光纖放大器EDFA，由摻光纖(長(zhǎng)約10-30m)和泵浦光源構(gòu)成。其中的摻光纖是在純的光纖中摻入了少量的稀土元素(Er)離子，然后順利獲得泵浦光與離子的受激輻射，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。
有了以上主要三個(gè)方面的鋪墊，光纖通信系統(tǒng)，才得以開(kāi)展和有助于。第一個(gè)光纖通信系統(tǒng)是美國(guó)搞的，碼率為45Mb/s，中繼距離為10km。1980年，美國(guó)又搞出了140Mb/s的多模光纖通信系統(tǒng)。1989年，建成了世界上第一條跨太平洋的海底光纜系統(tǒng)，1993年，SDH技術(shù)產(chǎn)品開(kāi)始商業(yè)化部署，1997年，波分WDM技術(shù)20Gb/s和40Gb/s產(chǎn)品取得重大突破。
可以看得出光纖通信的演進(jìn)速度是相當(dāng)快的。到如今， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 仍然在想辦法提升光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量。我在以前的文章中也專(zhuān)門(mén)說(shuō)過(guò)，主要是基于香農(nóng)公式，現(xiàn)在的主要手段下面幾個(gè)
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 以高速公路系統(tǒng)類(lèi)比。
一是提高單波速率，讓汽車(chē)跑的更快一些，波分系統(tǒng)已經(jīng)從10G，40G，100G，當(dāng)前大規(guī)模部署的200G，以及即將規(guī)模部署的400G傳輸系統(tǒng)。往后再就是800G，1.2T等，這同時(shí)也對(duì)頻譜有了更高的要求。
二是調(diào)制格式，高階調(diào)制可以大大提升頻譜效率。
三是頻譜擴(kuò)展方向。當(dāng)單波開(kāi)展到400G及以上時(shí)需要更寬的頻譜資源。當(dāng)前對(duì)于400G來(lái)說(shuō)，在波特率130GBaud左右時(shí)，波道帶寬將達(dá)到最大150GHz，這好比在高速公路上，跑了一輛超大型車(chē)，原來(lái)的小汽車(chē)只要50GHz車(chē)道，現(xiàn)在要150GHZ寬了。因此，為了又能傳輸80波甚至96波/120波這就需要更寬的頻譜。現(xiàn)在已經(jīng)做到C+L的擴(kuò)展，頻譜帶寬達(dá)到12THz。
四是光纖上做文章。要致富先修路，對(duì)光纖通信系統(tǒng)也一樣。現(xiàn)在有兩大路線來(lái)提升光纖的容量:較成熟的路線如降低光纖損耗、增大有效面積、減小光纖尺寸;創(chuàng)新路線如使用多芯光纖、少模光纖以及中空光纖等。
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