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光通信其實(shí)沒你想得那么難

摘要:通信史上,波波夫發(fā)送與接收第一封無線電報(bào)是在1896年,而以發(fā)明電話而著名的貝爾,在1876年發(fā)明了電話之后,就想到利用光來通電話的問題。1880年,他利用太陽光作光源,大氣為傳輸媒質(zhì),用硒晶體作為光接收器件,成功地進(jìn)行了光電話的實(shí)驗(yàn),通話距離最遠(yuǎn)達(dá)到了213米。

  隨著科技發(fā)展,人們生活方式在通信方面有了巨大的改變,從原來的無線電通信到有線通信,再到現(xiàn)在的光通信。光通信因?yàn)閭鬏旑l帶寬、通信容量大;傳輸損耗低、中繼距離長等等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。那么光通信究竟是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢?

  歷史上光通信的第一次實(shí)現(xiàn)

  通信史上,波波夫發(fā)送與接收第一封無線電報(bào)是在1896年,而以發(fā)明電話而著名的貝爾,在1876年發(fā)明了電話之后,就想到利用光來通電話的問題。1880年,他利用太陽光作光源,大氣為傳輸媒質(zhì),用硒晶體作為光接收器件,成功地進(jìn)行了光電話的實(shí)驗(yàn),通話距離最遠(yuǎn)達(dá)到了213米。

  光通電話實(shí)驗(yàn)中,貝爾用弧光燈或者太陽光作為光源,光束通過透鏡聚焦在話筒的震動(dòng)片上。當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí),震動(dòng)片隨著話音震動(dòng)而使反射光的強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng)的變化,從而使話音信息“承載”在光波上(這個(gè)過程叫調(diào)制)。在接收端,裝有一個(gè)拋物面接收鏡,它把經(jīng)過大氣傳送過來的載有話音信息的光波反射到硅光電池上,硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流(這個(gè)過程叫解調(diào))。電流送到聽筒,就可以聽到從發(fā)送端送過來的聲音了。

  然而,貝爾提出的光通信對(duì)于環(huán)境的要求比較高。傳播過程中,可靠持續(xù)的光源和穩(wěn)定的空氣介質(zhì)嚴(yán)重影響光信息的傳輸。真要用光來通信,必須要解決兩個(gè)最根本的問題:一是必須有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì);另一個(gè)問題是必須要找到高強(qiáng)度的、可靠的光源。在此后的幾十年中,由于這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)沒有得到解決,光通信就一直沒有了新的進(jìn)展。

  實(shí)驗(yàn)室巧合促進(jìn)光通信最重要器件出現(xiàn)

  “光是沿直線傳播的”這個(gè)定律是早在十四世紀(jì)元代天文數(shù)學(xué)家趙友欽設(shè)計(jì)的小孔成像實(shí)驗(yàn)就得到了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)證。而1870年,英國物理學(xué)家廷德爾卻在實(shí)驗(yàn)中觀察到了光沿著曲線傳播了。在一次實(shí)驗(yàn)中,把光照射到盛水的容器內(nèi),從出水口向外倒水時(shí),光線也沿著水流傳播,出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象,這好象不符合光只能直線傳播的定律。而且還發(fā)現(xiàn)光能沿著從酒桶中噴出的細(xì)酒流傳輸,光也順著彎曲的玻璃棒前進(jìn)。這是為什么呢?難道光線不再直進(jìn)了嗎?這些現(xiàn)象引起了丁達(dá)爾的注意,經(jīng)過他的研究,發(fā)現(xiàn)這是光的全反射作用,即由于水等介質(zhì)密度由于比周圍的物質(zhì)(如空氣)大,即光從水中射向空氣,當(dāng)入射角大于某一角度時(shí),折射光線消失,全部光線都反射回水中。

  后來人們造出一種透明度很高、粗細(xì)像蜘蛛絲一樣的玻璃絲,當(dāng)光線以合適的角度射入玻璃纖維時(shí),光就沿著彎彎曲曲的玻璃纖維前進(jìn)。這就有了光纖的雛形。隨后1966年,英籍、華裔學(xué)者高錕博士(K.C.Kao)在PIEE 雜志上發(fā)表論文《光頻率的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》,從理論上分析證明了用光纖作為傳輸媒體以實(shí)現(xiàn)光通信的可能性,并預(yù)言了制造通信用的超低耗光纖的可能性。從這以后光通信世界的大門被完全推開。

  光通信原理

  其實(shí),光通信就是一種以光作為信息載體而實(shí)現(xiàn)通信的方式。目前由于科技局限,我們的信息主要是以電信號(hào)的方式存在,在實(shí)現(xiàn)光通信時(shí),首先要將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),通過光纖光纜傳輸后再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)應(yīng)用,達(dá)到信息傳遞的目的。

  最基本的光纖通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源、光發(fā)送端、光學(xué)信道和光接收機(jī)組成。

  其中數(shù)據(jù)源包括所有的信號(hào)源,它們是話音、圖象、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)經(jīng)過信源編碼所得到的信號(hào);光發(fā)送機(jī)和調(diào)制器則負(fù)責(zé)將信號(hào)轉(zhuǎn)變成適合于在光纖上傳輸?shù)墓庑盘?hào),由于光波在不同光纖里傳輸是衰減不同的特性篩選傳輸光波,目前用過的光波窗口有0.85μm、1.31μm和1.55μm;光學(xué)信道包括最基本的光纖,還有中繼放大器EDFA等;光學(xué)接收機(jī)則用于接收光信號(hào),并從中提取信息,然后轉(zhuǎn)變成電信號(hào),最后得到對(duì)應(yīng)的話音、圖象、數(shù)據(jù)等信息。

  光通信現(xiàn)狀

  基于光通信傳輸頻帶寬、通信容量大、傳輸損耗低、中繼距離長等等優(yōu)點(diǎn),未來傳輸網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)成為構(gòu)建全光網(wǎng)絡(luò),在接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)完全實(shí)現(xiàn)“光纖傳輸代替銅線傳輸”。

  其中,骨干網(wǎng)是對(duì)速度、距離和容量要求最高的一部分網(wǎng)絡(luò),其基本思想是在過去的光傳輸網(wǎng)絡(luò)上引入智能控制平面,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的按需分配;而城域網(wǎng)將會(huì)成為運(yùn)營商提供帶寬和業(yè)務(wù)和瓶頸,同時(shí),城域網(wǎng)也將成為最大的市場機(jī)遇;對(duì)接入網(wǎng)來說,F(xiàn)TTH(光纖到戶)是一個(gè)長遠(yuǎn)的理想解決方案。FTTx的演進(jìn)路線將是逐漸將光纖向用戶推近的過程,即從FTTN(光纖到小區(qū))到FTTC(光纖到路邊)和FTTB(光纖到公寓小樓)乃至最后到FTTP(光纖到駐地),當(dāng)然這將是一個(gè)很長的過渡時(shí)期。

  骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了全光化,部分網(wǎng)絡(luò)發(fā)展較快的區(qū)域,也實(shí)現(xiàn)了部分的接入層的光進(jìn)銅退。

  今天,光通信技術(shù)已經(jīng)很成熟,光纖通信已是各種通信網(wǎng)的主要傳輸方式,光纖通信在信息高速公路的建設(shè)中扮演著至關(guān)重要的角色。我國在光通信方面,得益于三網(wǎng)融合、提速降費(fèi)等一系列政策增加了光通信設(shè)備的大量需求,隨著寬帶中國戰(zhàn)略進(jìn)程的推進(jìn),國內(nèi)三大電信運(yùn)營商加快光網(wǎng)城市建設(shè)的步伐,我國光通信產(chǎn)業(yè)目前呈現(xiàn)出了高速增長的態(tài)勢。

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