光通信基础知识大全

网优雇佣军 2021-04-07 00:00

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光纤的发明，带动了通信领域内的革命，如果没有光纤提供大容量的高速通道，互联网也只能停留在理论设想阶段。如果说，20世纪是电的时代，那么21世纪就是光的时代。光到底是如何做到能通信的？下面和小编一起学习一下光通信相关的基础知识吧。

Part1.光传播基础知识

认识光波

光波实际上是一种电磁波，在自由空间中电磁波的波长与频率成反比，两者乘积等于光速，即：

将电磁波的波长或频率按顺序排列组成电磁波谱，根据波长或频率的不同，电磁波可以分为射线区、紫外线区、可见光区、红外线区、微波区以及无线电波区和长波区。而用于通信的波段主要是红外线区、微波区以及无线电波区，下面一幅图让大家分分钟明白通信波段划分及对应的传播媒质。

本文的主角“光纤通信”使用的是红外线波段的光波。提到这一点大家可能会疑问，为什么一定是红外波段？这个问题跟光纤材料也就是二氧化硅玻璃的光传输损耗有关，接下来就需要先了解光纤是如何传输光的。

光的折射、反射和全反射

光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面会发生折射和反射，且折射角度随入射光的角度增大而增大。如下图中①→②。当入射角达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部反射回来，这就是光的全反射，如下图中的②→③。

不同的材料折射率不同，因此光在不同介质中传播速率不同。折射率用n表示，n=c/v，c为真空中速度，v为介质中的传播速度。折射率较高的介质称为光密介质，折射率较低的称为光疏介质。发生全反射的两个条件为：

由光密介质传输到光疏介质
入射角大于或等于全反射临界角

为了避免光信号泄露和降低传输损耗，光纤中的光传输都是发生在全反射条件下的。

Part2.光传播媒质（光纤）介绍

光纤结构

有了全反射光传播的基础知识，就很容易理解光纤的设计结构了。光纤裸纤分为三层：

第一层纤芯：位于光纤的中心部位，成分为高纯度的二氧化硅即玻璃。芯径一般为9-10微米（单模）、50或62.5微米（多模）。纤芯折射率较高，用来传送光。

第二层包层：位于纤芯的周围，成分也是二氧化硅玻璃（直径一般为125微米）。包层的折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件。

第三层涂覆层：最外层是加强用的树脂涂层。保护层材料强度大，能承受较大冲击，保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。

光传输损耗

光纤传输损耗是影响光纤通信质量的一个很重要的因素。造成光信号衰减的主要因素有：材料的吸收损耗、传输时的散射损耗以及其他包括光纤弯曲、受挤压、对接损耗等因素造成的损耗。

光的波长不同，在光纤中的传输损耗也不同，为了尽可能减小损耗，保证传输效果，科学家们一直在致力于寻找最合适的光。1260nm~1360nm波长范围的光，由色散导致的信号失真最小，吸收损耗也最低，早期这一波长范围被采纳为的光通信波段，后来经过漫长的摸索和实践，专家们逐渐总结出一个低损耗波长（1260nm~1625nm）区域，这个波长区域范围的光，最适合在光纤中传输。所以光纤通信使用的光波一般都是红外波段的。

光纤分类

多模光纤：传输多种模式，但模间色散比较大，限制了传输数字信号的频率，而且随传输距离的增加这种限制会更加严重。因此多模光纤传输的距离比较近，一般只有几公里。
单模光纤：纤径很小，理论上只能传输一个模式，适用于远程通信。

对比项	多模光纤	单模光纤
光纤成本	成本高	成本较低
传输设备要求	设备要求低、设备成本低	设备要求高，光源要求高
衰减	高	低
传输波长	850nm-1300nm	1260nm-1640nm
使用便捷性	芯径较大，易于处理	使用连接更复杂
传输距离	本地网络（小于2km）	接入网/中长距离网络（大于200km）
带宽	带宽有限	带宽几乎无限
结论	光纤成本更高但是网络开通相对成本低	性能更高，但是建立网络成本更高

Part3.光纤通信系统工作原理

光纤通信系统

平常使用的手机、电脑等通信产品，发送的信息是以电信号的方式存在。进行光通信时，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。基本的光通信系统由光发送机、光接收机以及传输光的光纤回路构成，为了保证长距离信号传输质量和提升传输带宽，一般还会用到光中继器以及复用器。