-
基于光纤通信的认知与畅想
顾善植
引言
：<
/p>
2009
年高锟因为在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方
面”取得了突破性成
就，荣获诺贝尔物理学奖。全网宽带化的实现，最后一公里的最佳解
决，
5G
的发展需要更
多的人才与投资
去实现，
本文着重回顾光纤通信的发展，
对其原理的思考，
并根据光的粒子
性对光通信的开发进行构想。
关键字
：光纤，原理，
EPON
，光的粒子性
正文
目录：
一：光导纤维：
二：光信息传输技术：
2.1
光纤结构与原理
2.2
光纤损耗与色散
2.3
特种抗弯曲光纤的诞生
2.4
*
欧盟加速光纤通讯技术的研发创新
三：光纤通信的展望：
3.1
光纤无线融合传输技术
3.2
*
光通信的畅想
一
光导纤维
光通常情况下沿直线传播，而进入不同介质时，比如光从水中射向空气，当入射角大
于某
一角度时，折射光线消失，全部光线都反
射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前<
/p>
进。这就是全反射的作用。后来人们造出一种
透明度很高、
粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──
玻璃纤维，
当
光线以合适的角度射入玻璃纤维
时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于
这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。
起初，用玻璃丝来通信要求光纤对光能的损失为
20db/km,,
当时即便是最好的玻璃—照
相
机
镜
头
玻
璃
，
损
失
也
在
700db/km
。
1966
年
，
高
锟
< br>提
出
单
模
光
波
导
结
构
模
型
，
197
2
年，美国康宁公司耗资
3000
万制
造出
20
米长损耗小于
20db/km
的光纤样品。硬件的完
善往往取决于纯净度，
< br>现在的光纤纯度很高，
几乎不含杂质，
所以在一定波段上
传输损耗很
小。常用的石英光纤，最小损耗波长为
1.55um
，
其次为
1
.3um
，每千米损耗不到
1dB
。这
一成就使因特网与无线移动通信网的发展有了坚实保障。
光纤通
信也成为了信息时代的重要
支柱。
二：光信息传输技术
2.1
光纤结构与原理
光纤的主要成分是二
氧化硅
(SiO2)
，
由纤芯、
包层、
涂覆层组成。纤芯为掺杂的二氧化硅（如二氧化锗）
，
以提高纤芯折射率。直径一般
5~50um
。包层为纯二
氧化硅，外径
125
um
。
涂覆层为环氧树脂，硅
橡胶等
高分子材料，外
径
250um
，用于
增强柔
韧性和机械强度
(
国际电信联盟
（
ITU-T
）标准：光纤外
径统一为
125 um
，
多模光纤芯径
50 um
，
单模光纤芯径
9 um)
多模光纤与单模光纤：按光纤传输模式分类
< br>光纤模式：
能在光纤中传播的电磁波不但要满足芯包界面全反射条件，
还要满足相干加
强条件。
对具体光纤结构，
只有一系列特定的电磁波可以在光纤中有效传播，
这些特定的电
磁波称为光纤模式。
单模光纤：光纤中只传播一种模式，芯径
4~10 um
。无模式色散，传光性能好，适用
大容量、长距离通信。因截面小，
制造、连接、耦合困难。
多模光纤：光纤中传播多种模式，芯径约
50 um
，
SI
或
<
/p>
GI
型。
SI
型
模式色散大，带
宽窄。制造、连接、耦合容易。
单模工作条件：
V <
2.405
。
2.2
光纤损耗与色散
世界上不可能存在毫无杂质的玻璃，
起初让光纤通信能够商用化，
降低杂质是必须克服
的难关。战争史上曾发现制造低杂质玻璃的方法—搅拌
。
1970
年，
Coring
宣布利用化学气
相沉积法制造出了损耗率为
20
db/km
的试验性单模光纤，奠定了光纤通信的基础。前人执
着于这方面的研究，源于损耗左右着通信的质量。
研究发现：
光束的发散角不为零时，
光功率与传输距离之间呈平方反比关系
。
即距离增
加一倍，功率密度减小到四分之一，即
P
?
1
r
< br>2
。
指数衰减规律：
P
L
?
P
0
exp(
?
?
L
)
光纤损耗系数：
?
< br>?
?
10
lg
< br>P
L
(
dB/km
)
L
P
0
< br>现实生活中，光纤商用化距离遍布全国，有着八横八纵，
即便看似很小的系数乘以
距离也会造成极大的损耗，
当年高锟研究玻璃纤维时也面临着两大
障碍：
1.
光在一般玻璃中能减达到
3db/m,2.
千米以上长度的微细玻璃纤维如何生产与稳定。
而结论就是降低杂质铁离子于减少散射。
在玻璃中，
光波能减
的主要原因是杂质铁离子吸收
光能，实验数据发现：铁离子含量减到百分之一以下，
，就能实现
20db/km.
所以所有的研
究
都是值得的，即便
1970
年的康宁
公司耗资
3000
万初步实现这一想法也这么认为。
那么，光纤为什么会有这么难以解决的损耗问题。通常有：
吸收损耗
散射损耗
其它损耗
本征吸收损耗、杂质吸收损耗、原子缺陷吸收损耗。
瑞利散射损耗、结构不完善散射损耗、非线性效应散射损耗。
弯曲损耗、连接损耗、耦合损耗。
在应用中，
除了损耗作用，
这里再介绍
一下色散作用：
回忆一下我们小时候与小伙伴玩
过的两人三足跑
，
两个人动作保持一致才能有效地到达终点，
现在有十个人站成
一排，
同样
的规则，大家彼此都是独立的个体，
必然有快有慢，在跑步中必须保持同样的节奏，才能完
成。同样，在一根传输线
中，有许多不同频率或不同模式的信号，如果不加以控制，就会在
传播过程中，因群速度
不同互相散开，引起信号波形失真，脉冲展宽。
而这一物理现象将直
接导致光信号在传输过程中的畸变，从而影响通信的可靠性。
如下图所示，
同一起跑线的信号到达终点的时间不同而产生的脉冲展开现象，
也可形象
的用时延差定义。
-
-
-
-
-
-
-
-
-
上一篇：常用物品品名中英文对照
下一篇：欧洲文化知识要点全