光纤通信基本原理及发展趋势

【摘要】目前，光纤通信技术因其提供的高质量传输效果成为当今社会发展的关键技术之一，本文主要介绍了光纤通信的基本原理与其特点，并结合现阶段的发展与应用状况，提出了光纤技术的未来发展趋势。

【关键词】光纤通信；原理；应用；发展趋势

信息时代的到来，使得通信技术领域在社会发展中扮演着不可或缺的角色。而光纤通信技术因为其携带信息量大[1]、传输速度快以及抗干扰能力强等种种优点，成为最具广阔发展前景的信息通信技术。因此分析光纤通信的基本原理及发展趋势，对于持续发展光纤通信技术具有重要意义。

1光纤通信技术简介

1.1光纤通信的发展背景及原理。人类使用光传递信息已经有几千年的历史，中国古代的烽火通信以及贝尔的“光电话”便是早期的光通信。20世纪60~70年代，激光器和石英光纤相继问世，解决了光源和传输介质这两大关键因素，从此拉开了现代光纤通信的帷幕。光纤，完整名称叫做光导纤维，英文名是OPTICFIBER。它是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。光纤的主要用途是通信传播。传统的光纤结构是由纤芯、包层、涂覆层组成的[2]，如图1所示，纤芯位于光纤的中心部位，成分为高纯度二氧化硅。纤芯的折射率高于包层，且光在其中的损耗比包层更低，因此信息主要在纤芯内传输。包层位于纤芯的周围，成分为高纯度二氧化硅。包层能为光的传输提供反射面和光隔离，并且提供一定的机械保护。而涂覆层位于光纤的最外层。涂覆层能有效保护光纤以抵御水汽侵蚀和机械擦伤。光纤通信是用光作为信息的载体、以光纤作为传输介质的一种通信方式。其基本工作原理为全反射。图2是全反射现象的示意图，可以看出光从光密介质入射到光疏介质时，折射角大于入射角，当折射角达到90°时，此时对应的入射角θ称为临界角。当入射角大于或者等于临界角时，就会发生全反射现象。如图3所示，光纤通信系统（主要是PCM脉冲编码调制形式）的组成大致可以分为电端机[3]、光纤光缆、光发信机、中续器、光纤光缆、光收信机、电端机。各部分的主要作用如下：（1）发送端的电端机主要作用是对模拟信号形式的信息进行抽样、量化和编码，使其成为二进制的数字信号形式。（2）光发信机主要作用是对数字信号形式的信息进行调制，通过波分复用[4]技术耦合成光信号。后能使信息在光纤中传播。（3）中续器的主要作用是对数据信号进行重新发送或者转发，借此以扩大信息传输的距离。由于信息在传播的途中不可避免的能量损耗与失真，因此在传输过程中不得不对信息进行再次转换，使光信号转化为电信号，然后再次转化为光信号。该过程能对信息进行校对合证，并补充传输途中所损耗的能量。（4）光收信机主要作用是恢复光纤传输后由光载波所携带的信息。光信号经过光纤光缆传输，进入光收信机，光检测器会将光信号转化为电信号，放大器又将电信号放大，最终送达接收端的电端机。（5）接收端的电端机能对数字信号形式的信息进行解码，使其成为模拟信号形式。1.2光纤通信的特点。光纤通信具有的优点具体表现在以下几方面：（1）频带宽，通信容量大光纤可利用的带宽极宽。光纤通信所用光的工作频率为100～1000THz，带宽约为50THz。信道的带宽就越大，系统传递信息的能力就越强。（2）没有串音干扰光纤传输光信号是在光纤的内部，光几乎不会漏出来。而只要在光纤表面涂一层消光剂，光在光纤内部传播几乎没有串音干扰。（3）传输损耗低，中继距离长目前实用的石英型光纤的损耗可低于0.2dB/km，远低于其它任何已知的传输介质，而由于其损耗低，所以光纤的中继距离长。实验显示，由石英型光纤组成的光纤通信系统中最大中继距离可达到400多千米。而由新型材料制成的非石英型光纤组成的通信系统中，最大中继距离可达数千甚至数万千米。（4）原材料丰富目前光纤的主要成分是石英玻璃，即二氧化硅。二氧化硅在地球上资源丰富，取材难度小。（5）重量轻、体积小光纤的芯径很细，仅约为0.1mm，仅仅只有单管同轴电缆的不到1%；光缆的直径也很小；标准同轴电缆为47mm，而8芯光缆的横截面直径仅约为10mm。重量轻体积小的优点使得它在通信领域具有重要的价值。虽然光纤具有以上种种优点，但是光纤的材料也有一定的局限性。光纤技术的发展还未成熟。目前光纤的缺点主要是质地较脆、机械强度较低，弯曲半径不宜太小，分路、耦合时不方便，连接相对困难等。当然这些缺点在技术上都是可以克服改变的，这些并不影响光纤通信的实用性。近些年来光纤通信的快速发展，已经深刻地改变了社会的通信方式，成为现代信息社会发展的重要基石。

2光纤通信技术的发展趋势

2.1光纤通信的应用现状。2.1.1在通信方面的应用。光纤技术在通信方面有着重要的作用。在城城通信、本地通信、跨洋通信中更是有着不可替代的地位，目前，光纤技术的发展导致其成为通信技术中的领先技术，并不断地推动着整个通信行业的发展。2.1.2在电气方面的应用。电气化已是评价整个社会是否现代化的主要标准之一，在生活能源中，电气的使用已占据70%左右，近些年来我国的经济水平与社会文明水平飞速发展，国家的电力负担也不断加重，传统的通信方式主要采用的是远程通信与人工调整的方式，这种方式已变得十分落后了。而现今使用的光纤技术通信质量高、安全系数高、稳定、成本低，是一种十分理想的通信技术。2.1.3在传媒行业的应用。光纤的传播损耗低，传播的信息品质好，在传播行业中，传播的主要以图像音频为主，所以对信号稳定性、传播速度方面的要求非常高。而光纤技术能够满足传媒行业对更高的信息传播质量的要求。2.1.4在互联网中的应用。光纤最具代表性的应用就是与互联网技术的结合应用了，光纤技术传出的信号更加清晰、更加快速，对于互联网较高的信息传递质量要求有极好的补充。由此使物流、电子商务以及网上银行等互联网的应用更加成熟。2.1.5在军事中的应用。现代战争主要以信息化战争为发展趋势，而光纤通信的传播安全指数高、信息更加可靠，这满足了军事行动上的保密要求，所以在现阶段，世界各国军事方面对光纤技术的应用非常广泛。2.2光纤通信的未来发展趋势。目前，就实际而言，经过多年发展，传统的光纤通信的应用已经接近成熟，我国基本实现光纤到户（FTTH）的应用，全光网已经投入使用，未来，光纤技术的发展将向两个方面进行继续发展：2.2.1塑料光纤的应用。目前主流的光纤为石英光纤，主要成分为高纯度的石英玻璃，即二氧化硅（SiO2）。其传输损耗低，因此得以广泛应用，但石英的机械强度较低，可挠性较差。而塑料光纤可以在保持较低的传输损耗的情况下，拥有更高的柔韧性，以适应更加广泛的使用环境。这种塑料光纤主要芯层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。在目前最先进的塑料光纤拉丝工艺（连续聚合纺丝法[5]）下，生产出的塑料光纤最低损耗可达20dB/km。2.2.2光孤子通信的发展。在信息传输过程中，光的损耗和色散仍限制着光纤通信的传输速度。光纤本身存在的色散现象，使目前的光纤线性通信系统中的光脉冲沿光纤展宽，随着传输距离越远、光纤入纤功率越大，展宽现象越明显，最后由于展宽后的信息传播速度不同，导致信息畸变失真。人们分析光纤折射率的非线性（自相位调制[6]）效应，发现可以使光脉冲压缩使其与光脉冲展宽相平衡，使光脉冲能长距离不变形传输，因此产生了光孤子通信[7]技术。它使光脉冲摆脱了色散现象的影响，使通信容量再次提高了1~2个数量级，中续距离达到几百千米，是目前最有潜力的发展方式之一。当下，光孤子通信的关键技术光孤子源技术、光孤子放大技术与光孤子开关技术已得到较大的突破。

3结论及展望

本文简要叙述了光纤通信系统的基本原理及构成，并对光纤通信的未来发展趋势进行了归纳总结。光纤技术是现代信息传输网络的重要技术，在实际生活中有广泛的应用，未来发展前景广阔。

参考文献

[1]夏坚.浅析现代光纤通信传输技术的应用[J].信息通信，2011（4）：40~41.

[2]陈韬.光纤技术研究[J].数字通信世界，2018（06）：46.[3]章千文.光纤通信电端机的组群方式[J].现代通信，1995，6：003.

[4]邓忠礼.光同步传送网和波分复用系统[M].清华大学出版社有限公司，2003.

[5]李四红.塑料光纤在通信技术的应用[J].山东化工，2017，46（20）：96~98.

[6]沈宇震，王清月，邢歧荣，等.啁啾脉冲激光放大中的自相位调制效应[J].物理学报，1996，45（2）：214~221.

[7]吴紫标.光纤中的光孤子[J].大学物理，2000，19（3）：37.

作者:陈梓远 单位:江苏省张家港市暨阳高级中学