光纖通信

光纖即為光導纖維的簡稱。光纖通信是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。從原理上看，構成光纖通信的基本物質要素是光纖、光源和光檢測器。光纖除了按製造工藝、材料組成以及光學特性進行分類外，在應用中，光纖常按用途進行分類，可分為通信用光纖和傳感用光纖。傳輸介質光纖又分為通用與專用兩種，而功能器件光纖則指用於完成光波的放大、整形、分頻、倍頻、調製以及光振盪等功能的光纖，並常以某種功能器件的形式出現。

光纖通信是利用光波作載波，以光纖作為傳輸媒質將信息從一處傳至另一處的通信方式，被稱之為“有線”光通信。當今，光纖以其傳輸頻帶寬、抗干擾性高和信號衰減小，而遠優於電纜、微波通信的傳輸，已成為世界通信中主要傳輸方式。

1966年英籍華人高錕(Charles Kao)發表論文提出用石英制作玻璃絲(光纖)，其損耗可達20dB/km，可實現大容量的光纖通信。當時，世界上只有少數人相信，如英國的標準電信實驗室(STL)、美國的Corning玻璃公司，Bell實驗室等領導。2009年高錕因發明光纖獲得諾貝爾獎。1970年，Corning公司研製出損失低達20dB/km，長約30 m的石英光纖。1976年Bell實驗室在華盛頓亞特蘭大建立了一條實驗線路，傳輸速率僅45Mb/s，只能傳輸數百路電話，而用中同軸電纜可傳輸1800路電話。因為當時尚無通信用的激光器，而是用發光二極管(LED)做光纖通信的光源，所以速率很低。1984年左右，通信用的半導體激光器研製成功，光纖通信的速率達到144Mb/s，可傳輸1920路電話。1992年一根光纖傳輸速率達到2.5Gb/s，相當3萬餘路電話。1996年，各種波長的激光器研製成功，可實現多波長多通道的光纖通信，即所謂“波分複用”(WDM)技術，也就是在1根光纖內，傳輸多個不同波長的光信號。於是光纖通信的傳輸容量倍增。在2000年，利用WDM技術，一根光纖光纖傳輸速率達到640Gb/s。有人對高錕1976年發明了光纖，而2010年才獲得諾貝爾獎有很大的疑問。事實上，從以上光纖發展史可以看出，儘管光纖的容量很大，沒有高速度的激光器和微電子仍不能發揮光纖超大容量的作用。電子器件的速率才達到吉比特/秒量級，各種波長的高速激光器的出現使光纖傳輸達到太比特/秒量級(1Tb/s=1000 Gb/s)，人們才認識到“光纖的發明引發了通信技術的一場革命!”

（1）通信容量大、傳輸距離遠；一根光纖的潛在帶寬可達20THz。採用這樣的帶寬，只需一秒鐘左右，即可將人類古今中外全部文字資料傳送完畢。400Gbit/s系統已經投入商業使用。光纖的損耗極低，在光波長為1.55μm附近，石英光纖損耗可低於0.2dB/km，這比任何傳輸媒質的損耗都低。因此，無中繼傳輸距離可達幾十、甚至上百公里。

(2)信號干擾小、保密性能好；

（3）抗電磁干擾、傳輸質量佳，電通信不能解決各種電磁干擾問題，唯有光纖通信不受各種電磁干擾。

（4）光纖尺寸小、重量輕，便於鋪設和運輸；

（5）材料來源豐富，環境保護好，有利於節約有色金屬銅。

（6）無輻射，難於竊聽，因為光纖傳輸的光波不能跑出光纖以外。 ^[1] 

(7)光纜適應性強，壽命長。

（8）質地脆，機械強度差。

（9）光纖的切斷和接續需要一定的工具、設備和技術。

（10）分路、耦合不靈活。

（11）光纖光纜的彎曲半徑不能過小（>20cm）

（12）有供電困難問題。

利用光波在光導纖維中傳輸信息的通信方式．由於激光具有高方向性、高相干性、高單色性等顯著優點，光纖通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光－光纖通信．

光纖通信的原理是：在發送端首先要把傳送的信息（如話音）變成電信號，然後調製到激光器發出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度（頻率）變化而變化，並通過光纖發送出去；在接收端，檢測器收到光信號後把它變換成電信號，經解調後恢復原信息．

隨着信息技術傳輸速度日益更新，光纖技術已得到廣泛的重視和應用。在多微機電梯系統中，光纖的應用充分滿足了大量的數據通信正確、可靠、高速傳輸和處理的要求。光纖技術在電梯上的應用，大大提高了整個控制系統的反應速度，使電梯系統的並聯羣控性能有了明顯提高。電梯上所使用的光纖通信裝置主要由光源、光電接收器和光纖組成。

微機控制系統輸出的信號為電信號，而光纖系統傳輸的是光信號，因此，為了把微機系統產生的電信號在光纖中傳輸，首先要把電信號轉換為光信號。光源就是這樣一種電光轉換器件。

光源首先將電信號轉換成光信號，再向光纖發送光信號。在光纖系統中，光源具有非常重要的地位。可作為光纖光源的有白熾燈、激光器和半導體光源等。半導體光源是利用半導體的 PN結將電能轉換成光能的，常用的半導體光源有半導體發光二極管（LED）和激光二極管（LD） 。

半導體光源因其體積小、重量輕、結構簡單、使用方便、與光纖易於相容等優點，在光纖傳輸系統中得到了廣泛的應用。

在光纖中傳輸的光信號在被微機系統所接收前，首先要還原成相應的電信號。這種轉換是通過光接收器來實現的。光接收器的作用就是將由光纖傳送過來的光信號轉換成電信號，再把該電信號交由控制系統進行處理。 光接收器是根據光電效應的原理，用光照射半導體的 PN結，半導體的 PN結吸收光能後將產生載流子，因此產生 PN結的光電效應，從而將光信號轉換成電信號。應用於光纖系統中的半導體接收器主要有半導體光電二極管，光電三極管、光電倍增管和光電池等。光電三極管不僅能把入射光信號變成電信號，而且能把電信號放大，從而能夠與控制系統接口電路很好地匹配，所以光電三極管的應用最為廣泛。

光纖是光信號的傳輸通道，是光纖通信的關鍵材料。

光纖由纖芯、包層、塗敷層及外套組成，是一個多層介質結構的對稱圓柱體。纖芯的主體是二氧化硅，裏面摻有微量的其它材料，用以提高材料的光折射率。纖芯外面有包層，包層與纖芯有不同的光折射率， 纖芯的光折射率較高， 用以保證光信號主要在纖芯裏進行傳輸。 包層外面是一層塗料，主要用來增加光纖的機械強度，以使光纖不受外來損害。光纖的最外層是外套，也是起保護作用的。

光纖的兩個主要特徵是衰減和色散。損耗是光信號在單位長度上的衰減或色散，用db/km表示，該參數關係到光信號的傳輸距離，損耗越大，傳輸距離越短。多微機電梯控制系統一般傳輸距離較短，因此為降低成本，大多選用塑料光纖。光纖的色散主要關係到脈衝展寬。 在三菱電梯控制系統中， 光纖通信主要用於羣控與單梯間的數據傳送及兩台並聯的單梯之間的數據傳送。三菱電梯所用的光纖裝置主要由光源、光接收器和光纖組成，其中光源和光接收器被封裝在光纖接插件的定插頭內，光纖與動插頭相連。

^[2]  WDM（Wavelength Division Multiplexing）技術是指使用多束激光在同一條光纖上同時傳輸多個不同波長的光波技術。它能夠極大地提高光纖傳輸系統的傳輸容量。1.6 Tbit/s的WDM系統已經大規模商用化。為了進一步提高光纖傳輸的容量，1995年後DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）基礎成為了國際上主要的研究對象，朗訊貝爾實驗室認為商用的DWDM系統容量最高能夠達到100 Tbit/s。以10 Gbit/s為基礎的DWDM已在我國多個運營商中逐漸成為核心網主流。DWDM系統除了波長數和傳輸容量不斷增加外，光傳輸距離也從600 km增加到了2000 km以上。除此之外，粗波分複用CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）也在城域光傳送網擴展中應運而生，具有超大容量、短距離傳輸和低成本等優勢。研究人員還發現，將多個光時分複用OTDM信號進行波分複用能夠大大提高傳輸容量。只要適當結合就能夠實現Tbit/s以上的傳輸，因此，它也成為未來光纖通信的發展方向。實驗室中大多數超過3 Tbit/s的傳輸實驗都是採取這種方式實現的。

^[3]  光是一種特殊的ps數量級上的超短光脈衝，它經過光纖長距離傳輸後，波形和速度都保持不變。光孤子通信就是利用光孤子作為載體實現長距離無畸變的通信的，在零誤碼的情況下信息傳遞可達到萬里。眾多試驗表明，它可以用於海底光纜通信等，而且適合與WDM系統結合構成超高速大容量的光通信，當單信道速率達到40 Gbit/s以上時，光孤子通信的優勢得以充分體現。

光纖接入運用PON技術可以與多種技術相結合，比如ATM\SDH和以太網等，分別產生APON、GPON、EPON。相比之下，EPON繼承了以太網的優勢而且成本相對較低，在和光纖技術相結合後，EPON不在只侷限於局域網，還擴展到城域網，甚至廣域網。光纖到户也採用EPON 技術；GPON對電路交換業務支持最有優勢，又能充分利用現有的SDH技術，但是技術較複雜，成本偏高；APON將用於實現FTTH方案。

發送：CPU 通過專用 IC芯片將並行數據串行化，並根據通信格式插入相應位碼（起始、停止、校驗位等） ，由輸出端 TXD將信號送入光纖接插件（即定插頭） ，再由光纖接插件中的光源進行電—光轉換，轉換後的光信號通過光纖動插頭向光纖發送光信號，光信號在光纖中向前傳播。

接收：來自光纖的光信號經光纖接插件的動插頭，向定插頭的接收器發送，接收器將接受到的光信號進行光—電還原，從而得到相應的電信號，該電 信號送入到專用的 IC 芯片的RXD輸入端，經專用 IC芯片將串行數據改為並行數據後，再向 CPU傳送。

光纖通信的應用領域是很廣泛的，主要用於市話中繼線，光纖通信的優點在這裏可以充分發揮，逐步取代電纜，得到廣泛應用。還用於長途幹線通信過去主要靠電纜、微波、衞星通信，現以逐步使用光纖通信並形成了佔全球優勢的比特傳輸方法；用於全球通信網、各國的公共電信網（如中國的國家一級幹線、各省二級幹線和縣以下的支線）；它還用於高質量彩色的電視傳輸、工業生產現場監視和調度、交通監視控制指揮、城鎮有線電視網、共用天線（CATV）系統，用於光纖局域網和其他如在飛機內、飛船內、艦艇內、礦井下、電力部門、軍事及有腐蝕和有輻射等中使用。

光纖傳輸系統主要由：光發送機、光接收機、光纜傳輸線路、光中繼器和各種無源光器件構成。要實現通信，基帶信號還必須經過電端機對信號進行處理後送到光纖傳輸系統完成通信過程。

它適合於光纖模擬通信系統中，而且也適用於光纖數字通信系統和數據通信系統。在光纖模擬通信系統中，電信號處理是指對基帶信號進行放大、預調製等處理，而電信號反處理則是發端處理的逆過程，即解調、放大等處理。在光纖數字通信系統中，電信號處理是指對基帶信號進行放大、取樣、量化，即脈衝編碼調製（PCM ）和線路碼型編碼處理等，而電信號反處理也是發端的逆過程。對數據光纖通信，電信號處理主要包括對信號進行放大，和數字通信系統不同的是它不需要碼型變換。

本專業培養能從事光纖網絡工程的規劃建設、SDH系統的調測維護、電信核心網絡和接入網絡的工程維護等工作的應用型人才。具有較強的電纜、光纜設計與施工、線路規劃概預算的能力以及在光纖通信設備安裝、調試與維護及其相關領域從業的綜合職業能力。

工程製圖、電路與信號、電子技術、單片機與嵌入系統、光纖通信原理、光纖通信設備、綜合業務接入網、線路工程與概預算、CATV系統、通信光纜線路、接入網技術、通信電源、計算機應用基礎、計算機網絡基礎、數字通信原理、通信終端設備等。

從事光纖通信線路工程和接入網的設計、施工、概預算編制和工程監理；光纖通信設備的安裝、調試和操作維護；通信網絡規劃設計、施工、監理等工作。

光纖通信是現代通信網的主要傳輸手段，已經歷三代：短波長多模光纖、長波長多模光纖和長波長單模光纖．採用光纖通信是通信史上的重大變革，美、日、英、法等20多個國家已宣佈不再建設電纜通信線路，而致力於發展光纖通信．中國光纖通信已進入實用階段．

光纖通信的誕生和發展是電信史上的一次重要革命與衞星通信、移動通信並列為20世紀90年代的技術。進入21世紀後，由於因特網業務的迅速發展和音頻、視頻、數據、多媒體應用的增長，對大容量（超高速和超長距離）光波傳輸系統和網絡有了更為迫切的需求。

光纖通信就是利用光波作為載波來傳送信息，而以光纖作為傳輸介質實現信息傳輸，達到通信目的的一種最新通信技術。

通信的發展過程是以不斷提高載波頻率來擴大通信容量的過程，光頻作為載頻已達通信載波的上限，因為光是一種頻率極高的電磁波 ，因此用光作為載波進行通信容量極大，是過去通信方式的千百倍，具有極大的吸引力，光通信是人們早就追求的目標，也是通信發展的必然方向。

光纖通信與以往的電氣通信相比，主要區別在於有很多優點：它傳輸頻帶寬、通信容量大；傳輸損耗低、中繼距離長；線徑細、重量輕，原料為石英，節省金屬材料，有利於資源合理使用；絕緣、抗電磁干擾性能強；還具有抗腐蝕能力強、抗輻射能力強、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強等優點，可在特殊環境或軍事上使用。

5G網絡的全面建設為光纖市場發展迎來新機遇：5G網絡需要大量基站，因為其使用的高頻信號無法覆蓋很遠的距離;同時，光纖是提供必要的高數據傳輸速率的唯一材料。因此，5G網絡對光纖的需求將激增。 ^[4]