浅谈光纤在通信中的优势

光纤通信彻底改变了电信行业。它还在数据网络社区中广泛感受到了它的存在。使用光纤电缆，光通信使电信链路能够在更远的距离上建立，并且传输介质的损耗水平要低得多，而且可能最重要的是，光纤通信能够适应更高的数据速率。

由于这些优势，光纤通信系统被广泛用于从主要电信骨干基础设施到以太网系统、宽带分配和通用数据网络的各种应用。

光纤的发展

自电信诞生之初，人们就越来越需要以更快的速度传输更多数据。最初使用单线电线。这些让位于同轴电缆，使多个通道能够通过同一根电缆传输。然而，这些系统的带宽有限，因此对光学系统进行了研究。

在 1960 年代开发出第一台激光器后，光通信成为可能。1970 年代，当第一根损耗足够低的光纤被开发出来用于通信目的时，下一块拼图就位了。然后，在 1970 年代后期进行了大量研究。这导致了第一个光纤电信系统的安装。它的运行距离为 45 公里，波长为 0.5 毫米，数据速率仅为 45 Mbps，只是目前可能的一小部分。

从那时起，该技术取得了相当大的改进。数据速率有所提高，除此之外，光纤的性能也得到了提高，使中继器之间的距离更远。作为这一点的标志，现在通过光纤系统可以达到的速度超过 10 Tbps。

当第一个光纤传输系统被开发出来时，人们认为光纤布线和技术会非常昂贵。然而，事实并非如此，成本已经下降到光纤现在为许多电信应用提供唯一可行选择的程度。除此之外，它还用于许多对速度有主要要求的局域网。

光纤在通信中的优势

有许多令人信服的原因导致电信应用广泛采用光纤布线：

信号衰减水平低得多

光纤布线提供更高的带宽，允许传输更多数据

光纤电缆比可能使用的同轴电缆轻得多。

光纤不会像同轴电缆那样受到杂散干扰拾取的影响

光纤传输系统

任何光纤数据传输系统都将包含许多不同的元件。有三个主要元素（以粗体标记），还有一个对实际系统至关重要的元素：

发射器（光源）

光纤电缆

光直放站

接收器（检测器）

系统的不同元素将根据应用而有所不同。用于较低容量链路的系统，可能用于局域网，将采用与网络提供商使用的技术和组件略有不同，这些技术和组件在长距离上提供极高的数据速率。然而，无论采用何种制度，基本原则都是一样的。

在系统中，光源的发射器产生调制的光流，使其能够携带数据。传统上，光脉冲表示“1”，没有光表示“0”。这种光沿着非常细的玻璃纤维或其他合适的材料传输，以呈现在接收器或探测器上。探测器将光脉冲转换为等效电脉冲。通过这种方式，数据可以作为光在很远的距离上传输。

光纤发射器

最简单的发射器设备是 LED。它的主要优点是价格便宜，这使其成为只需要短期运行的低成本应用的理想选择。但是，它们有许多缺点。首先是它们的效率水平非常低。只有大约1%的输入功率进入光纤，这意味着需要高功率驱动器来提供足够的光，以实现长距离传输。LED 的另一个缺点是它们会产生所谓的非相干光，覆盖相对宽的光谱。通常，光谱宽度在 30 到 60 nm 之间。这意味着光纤中的任何色散都会限制系统的带宽。

鉴于其性能，LED 主要用于局域网应用，其中数据速率通常在 10-100 Mb/s 范围内，传输距离为几公里。

在需要更高水平的性能的情况下，即光纤链路必须能够在更远的距离和更高的数据速率下运行，则使用激光器。虽然成本更高，但它们提供了一些显着的优势。首先，它们能够提供更高的输出水平，除此之外，光输出是定向的，这使得光传输到光纤电缆的效率更高。通常，单模光纤的耦合效率可高达50%。另一个优点是激光器具有非常窄的光谱带宽，因为它们会产生相干光。这种窄光谱宽度使激光器能够以更高的速率传输数据，因为模态色散不太明显。另一个优点是半导体激光器可以直接在高频下调制，因为半导体材料内的载流子复合时间短。

激光二极管通常直接调制。这提供了一种非常简单有效的方法，可以将数据传输到光信号上。这是通过控制直接施加到器件的电流来实现的。这反过来又会改变激光的光输出。但是，对于非常高的数据速率或非常长的距离链路，以恒定的输出电平（连续波）运行激光器会更有效。然后使用外部设备对光进行调制。使用外部调制方式的优点是它增加了最大链路距离，因为消除了称为激光啁啾的效应。这种啁啾声拓宽了光信号的光谱，从而增加了光缆中的色散。

光纤电缆

有关光纤布线的完整详细信息和描述，请参阅网站此区域的单独文章/教程。从本质上讲，光纤电缆由芯线组成，芯线周围是另一层称为包层的层。除此之外，还有一个保护性外涂层。

光纤电缆之所以能够运行，是因为其包层的折射率略低于芯线的折射率。这意味着通过纤芯的光在到达纤芯/包层边界时会经历全内反射，从而包含在光纤纤芯内。

中继器和放大器

信号可以通过光纤电缆传输的最大距离。这不仅受到电缆衰减的限制，还受到沿电缆的光信号失真的限制。为了克服这些影响并在更长的距离上传输信号，使用了中继器和放大器。

可以使用光电中继器。这些设备将光信号转换为电格式，可以对其进行处理以确保信号不失真，然后转换回光学格式。然后，它可以沿着光纤电缆的下一个状态传输。

另一种方法是使用光放大器。这些放大器直接放大光信号，无需将信号转换回电格式。放大器由一段光纤电缆组成，该电缆掺杂了一种名为铒的稀土矿物。然后用来自另一个激光器的较短波长的光照亮或泵浦处理过的光，用于放大所携带的信号。

鉴于光纤放大器的成本比中继器低得多，放大器的应用要广泛得多。大多数中继器已被更换，如今几乎所有新安装都使用了放大器。

接收机

沿着光缆传播的光需要转换为电信号，以便对其进行处理并提取所携带的数据。接收器的核心组件是光电探测器。这通常是一个半导体器件，可以是p-n结、p-i-n光电二极管或雪崩光电二极管。不使用光电晶体管，因为它们没有足够的速度。

一旦来自光缆的光信号被施加到光电探测器并转换为电格式，就可以对其进行处理以恢复数据，然后将其传递到最终目的地。

光纤数据传输通常用于长距离电信网络链路和高速局域网。目前，光纤不用于向家庭提供服务，尽管这是许多电信公司的长期目标。通过在这里使用光纤布线，新服务的可用带宽将大大增加，并且增加收入的可能性将增加。目前，他的成本是不可行的，尽管它很可能在中期发生。

审核编辑：黄飞