到底什么是光通信?

随着科技发展,人们生活方式在通信方面有了巨大的改变,从原来的无线电通信到有线通信,再到现在到处都在被提及的光通信。

那么究竟什么是光通信?

1 历史上光通信的第一次实现

历史上,俄国人波波夫发送与接收第一封无线电报是在1896年。而美国人亚历山大·贝尔早在1876年申请电话专利之后,就想到利用光来通电话的问题。

1880年,贝尔利用太阳光作光源,大气为传输媒质,用硒晶体作为光接收器件,成功地进行了“光电话”的实验。在实验中,通话距离最远达到了213米。

贝尔的“光电话”实验

贝尔是怎么做的呢?

他用弧光灯或太阳光作为光源,光束通过透镜聚焦在电话话筒的震动片上。

当对着话筒讲话时,话筒的震动片随着声音而震动,使反射光的强弱随着话音的强弱产生相应的变化,从而使话音信息“承载”在光波上。

在接收端,装有一个抛物面的接收镜,它把经过大气空间传送过来的“载有话音信息”的光波反射到硅光电池上。硅光电池再将光能转换成电流。电流送到听筒,就可以听到从发送端送过来的声音了。

声音→震动片→反射光→硅光电池→电流→听筒→声音

然而,贝尔提出的光通信对于环境的要求很高。传播过程中,可靠持续的光源稳定的空气介质严重影响光信息的传输。

在此后的很长时间,正是由于这两项关键技术没有得到解决,光通信就一直没有什么新进展。

2 实验室巧合促进光通信最重要器件出现

“光是沿直线传播的。”

早在十四世纪中国元代,这个定律就通过天文数学家赵友钦设计的小孔成像实验得到了严谨验证。

但是,1870年,英国物理学家廷德尔却在实验中观察到了光沿着曲线传播的现象。

在一次实验中,他把光照射到盛水的容器内,当他从出水口向外倒水时,光线也沿着水流传播,出现弯曲现象。

而且他还发现,光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输,光也顺着弯曲的玻璃棒前进。这究竟是为什么呢?

这些现象引起了同样是英国物理学家的约翰·丁达尔的注意。

经过他的研究,发现这是光的全反射作用,即由于水等介质密度由于比周围的物质(如空气)大,即光从水中射向空气,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。

丁达尔现象:

当一束光线透过胶体,从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”。

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,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。这就是光纤的雏形。

1966年,英籍华裔学者高锟博士(K.C.Kao)在PIEE杂志上发表论文《光频率的介质纤维表面波导》,从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性,并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性。

高琨博士因此获得2009年诺贝尔奖

从这以后,光通信世界的大门被完全推开。

3 光通信原理

其实,光通信就是一种以光作为信息载体而实现通信的方式。

目前,我们的信息主要是以电信号的方式存在。

在实现光通信时,首先要将电信号转换为光信号,通过光纤光缆传输后再将光信号转换成电信号,达到信息传递的目的。

最基本的光纤通信系统由信源、光发送端、光学信道和光接收机、信宿组成。

话音、图象、数据等业务经过信源编码得到电信号。光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号。光学信道包括最基本的光纤,还有中继放大器EDFA等。光学接收机则用于接收光信号,并从中提取信息,然后转变成电信号,最后得到对应的话音、图象、数据等信息。

光通信的具体传输方式,随着时代的发展,也分为好几种:

时分复用法

(TDM: Time Division Multiplexing)

很容易理解,就是将信息分时段进行传输。

波分复用法

(WDM: Wavelength Division Multiplexing)

一次能传输的信息量较多,通过改变波长,可同时传输多位用户的信息。

多级调制法

(MM:Multi-level Modulation)

在1波长的1个区间传输多个信号的方法。通过改变光的波形,在同一波长上传输多位用户的信息。具有代表性的技术是四相差分相移键控调制法(DQPSK)。

偏振复用法

(Polarization multiplexing)

光在振动的同时向前进。振动的方向叫做“偏波”,分成垂直振动前进的光(垂直偏波)和水平振动前进的光(水平偏波)两种。偏波中包含的信息不会互相干扰,可传输大量信息。

4 光通信现状

光通信拥有很多的优点:传输频带宽、通信容量大、传输损耗低、中继距离长等。显然,具有很广泛的应用场景。

未来传输网络的最终目标是构建全光网络——在接入网、城域网、骨干网完全实现“光纤传输代替铜线传输”。

其中,骨干网是对速度、距离和容量要求最高的一部分网络。随着ASON(自动交换光网络)技术的应用,正在逐渐实现智能化。

而对接入网来说,FTTH(光纤到户)是一个理想解决方案。

▼FTTx的演进路线将是逐渐将光纤向用户推近的过程

骨干网和城域网已经基本实现了全光化,部分网络发展较快的区域,也实现了接入层的光进铜退

今天,光通信技术已经很成熟,光纤通信已是各种通信网的主要传输方式。

实验室中,单条光纤最大速度已达到了26Tbps。。。是传统网线的两万六千倍。。。

当然,光纤通信也有它的缺点,例如质地脆弱、容易损坏,还有,光纤的切割和接续都需要专门的工具设备,等等。

▼光纤熔接是一门技术活

但是,瑕不掩瑜。这些缺点相对它的优点来说,算不上什么。

光通信还有很大的发展潜力,也许,将来真的有那么一天,不再有同轴电缆,不再有网线,所有的数据传输,全都靠光来完成呢?

好了,今天就到这里啦。下次,我们要介绍另外一个“光通信”哦!

原文发布于微信公众号 - 鲜枣课堂(xzclasscom)

原文发表时间:2017-09-13

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