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光纖的發明，帶動了通信領域內的革命，如果沒有光纖提供大容量的高速通道，互聯網也只能停留在理論設想階段。如果說，20世紀是電的時代，那么21世紀就是光的時代。光到底是如何做到能通信的？下面和小編一起學習一下光通信相關的基礎知識吧。

Part1.光傳播基礎知識

認識光波

光波實際上是一種電磁波，在自由空間中電磁波的波長與頻率成反比，兩者乘積等于光速，即：

將電磁波的波長或頻率按順序排列組成電磁波譜，根據波長或頻率的不同，電磁波可以分為射線區、紫外線區、可見光區、紅外線區、微波區以及無線電波區和長波區。而用于通信的波段主要是紅外線區、微波區以及無線電波區，下面一幅圖讓大家分分鐘明白通信波段劃分及對應的傳播媒質。

本文的主角“光纖通信”使用的是紅外線波段的光波。提到這一點大家可能會疑問，為什么一定是紅外波段？這個問題跟光纖材料也就是二氧化硅玻璃的光傳輸損耗有關，接下來就需要先了解光纖是如何傳輸光的。

光的折射、反射和全反射

光從一種物質射向另一種物質時，在兩種物質的交界面會發生折射和反射，且折射角度隨入射光的角度增大而增大。如下圖中①→②。當入射角達到或超過某一角度時，折射光會消失，入射光全部反射回來，這就是光的全反射，如下圖中的②→③。

不同的材料折射率不同，因此光在不同介質中傳播速率不同。折射率用n表示，n=c/v，c為真空中速度，v為介質中的傳播速度。折射率較高的介質稱為光密介質，折射率較低的稱為光疏介質。發生全反射的兩個條件為：由光密介質傳輸到光疏介質
入射角大于或等于全反射臨界角為了避免光信號泄露和降低傳輸損耗，光纖中的光傳輸都是發生在全反射條件下的。

Part2.光傳播媒質（光纖）介紹

光纖結構

有了全反射光傳播的基礎知識，就很容易理解光纖的設計結構了。光纖裸纖分為三層：第一層纖芯：位于光纖的中心部位，成分為高純度的二氧化硅即玻璃。芯徑一般為9-10微米（單模）、50或62.5微米（多模）。纖芯折射率較高，用來傳送光。第二層包層：位于纖芯的周圍，成分也是二氧化硅玻璃（直徑一般為125微米）。包層的折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件。第三層涂覆層：最外層是加強用的樹脂涂層。保護層材料強度大，能承受較大沖擊，保護光纖不受水汽的侵蝕和機械擦傷。

光傳輸損耗

光纖傳輸損耗是影響光纖通信質量的一個很重要的因素。造成光信號衰減的主要因素有：材料的吸收損耗、傳輸時的散射損耗以及其他包括光纖彎曲、受擠壓、對接損耗等因素造成的損耗。

光的波長不同，在光纖中的傳輸損耗也不同，為了盡可能減小損耗，保證傳輸效果，科學家們一直在致力于尋找最合適的光。1260nm~1360nm波長范圍的光，由色散導致的信號失真最小，吸收損耗也最低，早期這一波長范圍被采納為的光通信波段，后來經過漫長的摸索和實踐，專家們逐漸總結出一個低損耗波長（1260nm~1625nm）區域，這個波長區域范圍的光，最適合在光纖中傳輸。所以光纖通信使用的光波一般都是紅外波段的。

光纖分類

多模光纖：傳輸多種模式，但模間色散比較大，限制了傳輸數字信號的頻率，而且隨傳輸距離的增加這種限制會更加嚴重。因此多模光纖傳輸的距離比較近，一般只有幾公里。

單模光纖：纖徑很小，理論上只能傳輸一個模式，適用于遠程通信。

對比項	多模光纖	單模光纖
光纖成本	成本高	成本較低
傳輸設備要求	設備要求低、設備成本低	設備要求高，光源要求高
衰減	高	低
傳輸波長	850nm-1300nm	1260nm-1640nm
使用便捷性	芯徑較大，易于處理	使用連接更復雜
傳輸距離	本地網絡 （小于2km）	接入網/中長距離網絡 （大于200km）
帶寬	帶寬有限	帶寬幾乎無限
結論	光纖成本更高但是網絡開通相對成本低	性能更高，但是建立網絡成本更高

Part3.光纖通信系統工作原理

光纖通信系統

平常使用的手機、電腦等通信產品，發送的信息是以電信號的方式存在。進行光通信時，首先要將電信號轉換為光信號，通過光纖光纜傳輸后再將光信號轉換成電信號，達到信息傳遞的目的。基本的光通信系統由光發送機、光接收機以及傳輸光的光纖回路構成，為了保證長距離信號傳輸質量和提升傳輸帶寬，一般還會用到光中繼器以及復用器。下面簡單介紹一下光纖通信系統中每個器件的工作原理。
光發送機：將電信號轉換成光信號，主要由信號調制器和光源組成。信號復用器：將多個不同波長的光載波信號，耦合到同一根光纖中進行傳輸，達到傳輸容量倍增的效果。光中繼器：傳輸過程中，信號的波形和強度會發生劣化，因此需要將波形復原到原信號那樣整齊的波形，加大光強。信號解復用器：將復用的信號分解成原來的單獨信號。光接收機：將接收的光信號轉換成電信號，主要由光電探測器和解調器組成。

Part4.光通信的優點與應用

光通信的優點

中繼距離長，經濟節能

假設傳輸10 Gbps（每秒100億個0或1信號）的信息，如果使用電通信的話，每隔幾百米就要進中繼處理，調整一次信號。與此相比，使用光通信的話，中繼距離可達100千米以上。調整信號的次數越少，成本越低，另一方面，光纖的材料是二氧化硅，儲量豐富且成本比銅線低得多，因此光通信具有經濟節能的效果。

信息傳遞快速，通信質量高?

比如說，現在和國外的朋友通話或上網聊天時，不像以前那樣聲音會滯后。在電通信時代，國際通信主要是通過人造衛星作為中繼傳輸，傳輸路徑會變長，信號到達較慢。而光通信借助于海底光纜，縮短了傳輸距離，因此信息傳遞更加快速。因此使用光通信能實現與海外更暢通的通信。

抗干擾能力強，保密性好

電通信會因電磁干擾出現錯誤，導致通信質量下降。但是，光通信不會受到電噪聲的影響，因此更加安全可靠。并且由于全反射工作原理，信號完全束縛在光纖中進行傳輸，所以保密性良好。

傳輸容量大

一般電通信只能傳輸10Gbps（每秒100億個0或1信號）的信息量，與此相比，光通信可以傳輸1Tbps（1萬億個0或1信號）信息量。

光通信的應用

光通信的優點眾多，發展至今光通信已經融入了我們每個人的生活每一個角落。手機、電腦以及IP電話等使用網絡的設備，將每個人與其所在地區、整個國家聯系起來，甚至連接至全球通信網。比如說，電腦和手機發出的信號聚集在本地通信運營商的基站和網絡供應商設備中，再通過海底光纜中的光纖傳輸至世界各地。

視頻通話、網購、電游、追劇等日常活動的實現，都離不開它在背后的助力支撐。光網絡的出現，讓我們的生活變得更加舒適便捷。

本文來源：中興文檔

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