基本介紹
- 中文名：纖維光學通信
- 外文名：Fiber optic communication
- 領域：光學
- 定義：以光波作載體、光纖作媒介
- 套用：通訊、感測
- 相關名詞：衛星通訊
簡介,歷史及發展,原理,優點和不足,套用領域,光纖,光電接收器,
簡介
纖維光學通信是以光波作為信息載體，以光學纖維（光纖）作為傳輸媒介的一種通信方式。從原理上看，構成纖維光學通信的基本物質要素是光纖、光源和光檢測器。光學纖維除了按製造工藝、材料組成以及光學特性進行分類外，在套用中，光學纖維常按用途進行分類，可分為通信用光學纖維和感測用光學纖維。傳輸介質光纖又分為通用與專用兩種，而功能器件光纖則指用於完成光波的放大、整形、分頻、倍頻、調製以及光振盪等功能的光纖，並常以某種功能器件的形式出現。
纖維光學通信是利用光波作載波，以光纖作為傳輸媒質將信息從一處傳至另一處的通信方式，被稱之為“有線”光通信。當今，光學纖維以其傳輸頻頻寬、抗干擾性高和信號衰減小，而遠優於電纜、微波通信的傳輸，已成為世界通信中主要傳輸方式。
歷史及發展
1966年英籍華人高錕(Charles Kao)發表論文提出用石英製作玻璃絲(光學纖維)，其損耗可達20dB/km，可實現大容量的光纖通信。當時，世界上只有少數人相信，如英國的標準電信實驗室(STL)、美國的Corning玻璃公司，Bell實驗室等領導。2009年高錕因發明光學纖維獲得諾貝爾獎。1970年，Corning公司研製出損失低達20dB/km，長約30 m的石英光學纖維，據說花費了3000千萬美元。1976年Bell實驗室在華盛頓亞特蘭大建立了一條實驗線路，傳輸速率僅45Mb/s，只能傳輸數百路電話，而用中同軸電纜可傳輸1800路電話。因為當時尚無通信用的雷射器，而是用發光二極體(LED)做纖維光學通信的光源，所以速率很低。1984年左右，通信用的半導體雷射器研製成功，纖維光學通信的速率達到144Mb/s，可傳輸1920路電話。1992年一根光學纖維傳輸速率達到2.5Gb/s，相當3萬餘路電話。1996年，各種波長的雷射器研製成功，可實現多波長多通道的纖維光學通信，即所謂“波分復用”(WDM)技術，也就是在1根光纖內，傳輸多個不同波長的光信號。於是纖維光學通信的傳輸容量倍增。在2000年，利用WDM技術，一根光纖傳輸速率達到640Gb/s。有人對高錕1976年發明了光學纖維，而2010年才獲得諾貝爾獎有很大的疑問。事實上，從以上光學纖維發展史可以看出，儘管光學纖維的容量很大，沒有高速度的雷射器和微電子仍不能發揮光纖超大容量的作用。電子器件的速率才達到吉比特/秒量級，各種波長的高速雷射器的出現使光學纖維傳輸達到太比特/秒量級(1Tb/s=1000 Gb/s)，人們才認識到“光學纖維的發明引發了通信技術的一場革命”。
纖維光學通信的誕生和發展是電信史上的一次重要革命與衛星通信、移動通信並列為20世紀90年代的技術。進入21世紀後，由於網際網路業務的迅速發展和音頻、視頻、數據、多媒體套用的增長，對大容量（超高速和超長距離）光波傳輸系統和網路有了更為迫切的需求。
纖維光學通信就是利用光波作為載波來傳送信息，而以光纖作為傳輸介質實現信息傳輸，達到通信目的的一種最新通信技術。
通信的發展過程是以不斷提高載波頻率來擴大通信容量的過程，光頻作為載頻已達通信載波的上限，因為光是一種頻率極高的電磁波 ，因此用光作為載波進行通信容量極大，是過去通信方式的千百倍，具有極大的吸引力，光通信是人們早就追求的目標，也是通信發展的必然方向。
纖維光學通信與以往的電氣通信相比，主要區別在於有很多優點：它傳輸頻頻寬、通信容量大；傳輸損耗低、中繼距離長；線徑細、重量輕，原料為石英，節省金屬材料，有利於資源合理使用；絕緣、抗電磁干擾性能強；還具有抗腐蝕能力強、抗輻射能力強、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強等優點，可在特殊環境或軍事上使用。
原理
纖維光學通信的原理是：在傳送端首先要把傳送的信息（如話音）變成電信號，然後調製到雷射器發出的雷射束上，使光的強度隨電信號的幅度（頻率）變化而變化，並通過光學纖維傳送出去；在接收端，檢測器收到光信號後把它變換成電信號，經解調後恢復原信息．
隨著信息技術傳輸速度日益更新，光纖技術已得到廣泛的重視和套用。在多微機電梯系統中，光纖的套用充分滿足了大量的數據通信正確、可靠、高速傳輸和處理的要求。光纖技術在電梯上的套用，大大提高了整個控制系統的反應速度，使電梯系統的並聯群控性能有了明顯提高。電梯上所使用的光纖通信裝置主要由光源、光電接收器和光學纖維組成。
優點和不足
（1)通信容量大、傳輸距離遠；一根光纖的潛在頻寬可達20THz。採用這樣的頻寬，只需一秒鐘左右，即可將人類古今中外全部文字資料傳送完畢。400Gbit/s系統已經投入商業使用。光纖的損耗極低，在光波長為1.55μm附近，石英光纖損耗可低於0.2dB/km，這比任何傳輸媒質的損耗都低。因此，無中繼傳輸距離可達幾十、甚至上百公里。
(2)信號干擾小、保密性能好；
(4）光纖尺寸小、重量輕，便於鋪設和運輸；
(5）材料來源豐富，環境保護好，有利於節約有色金屬銅。
(6）無輻射，難於竊聽，因為光纖傳輸的光波不能跑出光纖以外。[1]
(7)光纜適應性強，壽命長。
(8）質地脆，機械強度差。
(9）光纖的切斷和接續需要一定的工具、設備和技術。
(10）分路、耦合不靈活。
(11）光纖光纜的彎曲半徑不能過小（>20cm）
(12）有供電困難問題。
利用光波在光導纖維中傳輸信息的通信方式。由於雷射具有高方向性、高相干性、高單色性等顯著優點，光纖通信中的光波主要是雷射，所以又叫做雷射-光纖通信。
套用領域
纖維光學通信傳輸系統主要由：光傳送機、光接收機、光纜傳輸線路、光中繼器和各種無源光器件構成。要實現通信，基帶信號還必須經過電端機對信號進行處理後送到纖維光學通信傳輸系統完成通信過程。
它適合於光纖模擬通信系統中，而且也適用於光纖數字通信系統和數據通信系統。在纖維光學模擬通信系統中，電信號處理是指對基帶信號進行放大、預調製等處理，而電信號反處理則是發端處理的逆過程，即解調、放大等處理。在光纖數字通信系統中，電信號處理是指對基帶信號進行放大、取樣、量化，即脈衝編碼調製（PCM ）和線路碼型編碼處理等，而電信號反處理也是發端的逆過程。對數據光纖通信，電信號處理主要包括對信號進行放大，和數字通信系統不同的是它不需要碼型變換。
光纖
光纖是光信號的傳輸通道，是光纖通信的關鍵材料。
光纖由纖芯、包層、塗敷層及外套組成，是一個多層介質結構的對稱圓柱體。纖芯的主體是二氧化矽，裡面摻有微量的其它材料，用以提高材料的光折射率。纖芯外面有包層，包層與纖芯有不同的光折射率， 纖芯的光折射率較高， 用以保證光信號主要在纖芯里進行傳輸。 包層外面是一層塗料，主要用來增加光纖的機械強度，以使光纖不受外來損害。光纖的最外層是外套，也是起保護作用的。
光纖的兩個主要特徵是損耗和色散。損耗是光信號在單位長度上的衰減或損耗，用db/km表示，該參數關係到光信號的傳輸距離，損耗越大，傳輸距離越短。多微機電梯控制系統一般傳輸距離較短，因此為降低成本，大多選用塑膠光纖。光纖的色散主要關係到脈衝展寬。 在三菱電梯控制系統中， 光纖通信主要用於群控與單梯間的數據傳送及兩台並聯的單梯之間的數據傳送。三菱電梯所用的光纖裝置主要由光源、光接收器和光纖組成，其中光源和光接收器被封裝在光纖接外掛程式的定插頭內，光纖與動插頭相連。
光電接收器
在光纖中傳輸的光信號在被微機系統所接收前，首先要還原成相應的電信號。這種轉換是通過光接收器來實現的。光接收器的作用就是將由光纖傳送過來的光信號轉換成電信號，再把該電信號交由控制系統進行處理。 光接收器是根據光電效應的原理，用光照射半導體的 PN結，半導體的 PN結吸收光能後將產生載流子，因此產生 PN結的光電效應，從而將光信號轉換成電信號。套用於光纖系統中的半導體接收器主要有半導體光電二極體，光電三極體、光電倍增管和光電池等。光電三極體不僅能把入射光信號變成電信號，而且能把電信號放大，從而能夠與控制系統接口電路很好地匹配，所以光電三極體的套用最為廣泛。
