光纤通信是怎么实现的？

通往ICT之路

发布于 2024-04-09 05:41:12

1960

前言：飞鸽传书很有意思。据说楚汉战争时期，刘邦被项羽包围，这时候刘邦就是采用飞鸽传书的方式向总部求援，最终成功脱险。

其实这是利用鸽子的归巢性。因此古时候行军打仗会携带培育好的鸽子，当有紧急事情给总部汇报时，就会从鸽笼里取出一只鸽，把书信塞进鸽子脚上的小竹管，再用手抚摸一下鸽子的头，往天空一抛，鸽子立刻就会飞往目标对象手中。当对方抓住这只鸽子，取出信件，眉头一皱。这样就完成了一次通信。

在飞鸽传书的通信方式中，某地是“信源”，总部为“信宿”，鸽子则“信道”。这就构成了我们通信系统的三要素：信源（发送端设备）、信宿（接收端设备）和信道（传输媒介）。

当然，现代通信没有这么简单，基于上面的模型，在发送、接收和传输媒介上是做了相当多的工作的。比如说咱们得提前在发送端和接收端商量好通信协议，选择合适的传输媒介（无线和有线），尽量把信道整的又宽又快，同时还要应对外部和内部环境复杂造成的信息失真（做好抗噪防干扰）。这些内容我将在这个系列中慢慢来说。

回到文章主题，根据使用的传输媒介的不同，我们将通信分为有线通信和无线通信。顾名思义，有线通信必须要有实实在在的物理介质，比如说电缆、网线或者光纤等。

无线通信则使用电磁波。这里，进一步归纳，使用光纤的有线通信方式和电磁波的无线通信方式，本质上都是利用光的通信，统称为光通信。其中，以光纤为媒介的有线通信，即光纤通信，就是我们今天的主题。

那么，为什么会使用光纤作为通信媒介，并成为特别是长距离通信的主流呢？

能成为通信的传输媒介，主要评估两个指标：传输距离和信息容量。

其中传输距离与损耗是密切相关的，当然是损耗越低越好。同轴电缆的传输损耗达十几dB每公里，而光纤的损耗要低的多，据最新G.654E光纤，在1550nm窗口的衰减已经达到0.17dB/km以下，这将有利于400G光纤通信系统的部署，也是海底通信传输媒介的最佳选择。

另一个因素“信息容量”，也就是通信容量。这里，通信容量是指在单位时间内传输的数据量，频率越高，意味着在单位时间内能够传输的数据量就越大，通信容量也就越大。一般通信电缆最高使用频率约106Hz，光纤工作频率在1014-1015Hz之间。可以看出，光纤的频率要高出几倍。

对于光纤通信来说，我们一般用比特率与距离的积即BL积（Bit rate-Distance product）表示，其中B为比特率，L为中继间距。它的单位是百万赫兹×千米（MHz×km），使用这两个值的乘积做为指针的原因是通常这两个值不会同时变好，而必须有所取舍。

因此，可以看得出来，光纤做为传输媒介是相当大的优势，特别是光纤还有很强的抗电磁抗干扰性，这在后面另说。

解释了为什么光纤会成为有线通信中传输媒介的首选。下面我们来看看为了实现光纤通信，这么多年无数的科学家主要做了哪些事情。

还是基于上面的通信模型来说。对光纤通信来说，通信模型变为：

上面这个系统中，主要的器件是涉及收发光源的激光器；中间的传输媒介则是光纤以及为了增强传输距离的光放大器。

激光器方面，光源有三种：半导体激光器、半导体发光二极管和非半导体激光器。在实际的光纤通信系统中，用的比较多的是半导体激光器，即为激光二极管，记作LD。它是前苏联科学家H.Γ.巴索夫于1960年发明的。半导体激光器的结构通常由P区、N区和形成双异质结的有源区构成，工作波长在700~900nm之间。

稍后几年，工作在1200~1650nm的铟镓砷磷激光器在贝尔实验室里研制成功，为光纤通信找到了更合适的光源。使得光纤通信中的波分传输技术等得以发展。同时光接收端的器件，也从PIN光二极管发展APD雪崩二极管，取决于具体应用场景场景。

对于光纤，可能大家都比较熟悉了，老话常谈。取得突破性理论进展是华裔科学家高锟发表的《光频率介质纤维表面波导》的论文，让光纤做为传输媒介成为了可能。

后来，美国的康宁公司（成立于1851年的老牌玻璃制造厂，曾第一个制造爱迪生发明电灯的玻璃灯泡），低调启动研发且在1970成功制作出约20dB/km的光纤。而后没多久，康宁公司制造出了一条损耗低至4dB/km的多模光纤，从此把光纤通信从理论推向了应用。下面简单看看光纤损耗的降低速度有多快：

1970年：20dB/km
1972年：4dB/km
1974年：1.1dB/km
1976年：0.5dB/km
1979年：0.2dB/km

上面说到现在的商用的G.654E光纤的损耗已经达到0.17dB/km以下了。下面附上一张光纤损耗图以方便理解。

最后一个关键因素是光放大器，当然并不是所有的光纤通信都会用到光放大器，比如说SDH和CWDM等，在这里大家先了解一下即可。

光纤通信是工作在光纤的低损耗区域的，也就是一定的波长范围内的。为了能传输更远的距离，就需要在中间某个位置对信号进行放大（有电中继和光中继两种，这里说的是光中继）。这就好比，咱们长途开车，需要在服务区给汽车加油或者充电一个道理一样。

有的车要加92号，有的车要加95号，有的车是充电的。对光纤通信的长距离传输系统来说，主流密集波分系统DWDM，它主要工作在C波段。那么有什么物质可以给C波段的信号“加油”呢？

这跟爱迪生发明灯泡一样，科学家就在元素周期表中“挖啊挖”，终于在1985年的时候，英国南安普顿大学首先研制成功，即掺铒光纤放大器EDFA，由掺铒光纤（长约10-30m）和泵浦光源构成。其中的掺铒光纤是在纯的光纤中掺入了少量的稀土元素铒(Er)离子，然后通过泵浦光与铒离子的受激辐射，对光信号进行放大。

有了以上主要三个方面的铺垫，光纤通信系统，才得以发展和推动。第一个光纤通信系统是美国搞的，码率为45Mb/s，中继距离为10km。1980年，美国又搞出了140Mb/s的多模光纤通信系统。1989年，建成了世界上第一条跨太平洋的海底光缆系统，1993年，SDH技术产品开始商业化部署，1997年，波分WDM技术20Gb/s和40Gb/s产品取得重大突破。

可以看得出光纤通信的演进速度是相当快的。到如今，我们仍然在想办法提升光纤通信系统的传输容量。我在以前的文章中也专门说过，主要是基于香农公式，现在的主要手段下面几个。

我们以高速公路系统类比。

一是提高单波速率，让汽车跑的更快一些，波分系统已经从10G，40G，100G，当前大规模部署的200G，以及即将规模部署的400G传输系统。往后再就是800G，1.2T等，这同时也对频谱有了更高的要求。

二是调制格式，高阶调制可以大大提升频谱效率。

三是频谱扩展方向。当单波发展到400G及以上时，需要更宽的频谱资源。当前对于400G来说，在波特率130GBaud左右时，波道带宽将达到最大150GHz，这好比在高速公路上，跑了一辆超大型车，原来的小汽车只要50GHz车道，现在要150GHz宽了。因此，为了又能传输80波甚至96波/120波，这就需要更宽的频谱。现在已经做到C+L的扩展，频谱带宽达到12THz。