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光通信的发展----从烽火台到光纤

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------光通信的发展

 随着科技发展,人们生活方式在通信方面有了巨大的改变,从古事的烽火台到无线通信,从有线通信再到光通信。今天,小编就带领大家走进奇妙的光通信家族,了解光通信。若有不足,请指教。

烽火台

  其实古代就有光通信了!古代的光通信只是利用光进行简单的信息传递,这与我们现代复杂的光通信系统有很大的区别。但是,它们本质上都是使用光信号来交换信息,所以烽火台自然也算光通信的一员。 

每当我们提到烽火台,就会自然而然地想到长城,实际上烽火台筑在长城沿线的险要处和交通要道上。一旦发现敌情,便立刻发出警报:白天点燃掺有狼粪的柴草,使浓烟直上云霄;夜里则燃烧加有硫磺和硝石的干柴,使火光通明,以传递紧急军情。烽火台通信,源于奴隶制国家在政治和军事方面对通信的需要。据历史记载,早在三千多年前,中国就有了利用烽火台通信的方法。

不论是烽火台、望远镜,还是交通红绿灯、旗语,它们都是光通信的不同形式,但是它们有一个共同点,就是利用大气来传播可见光,由人眼来接收。也正因为如此,我们才会对它们如此地熟悉,可是这些却不是真正的意义上的光通信,更不是强大的光通信,真正强大的光通信应该是光纤通信。在这里,应该明确,光通信指的是一切运用光作为载体而传送信息的所有通信方式的总称,而不管传输所使用的媒质是什么。


光电话

历史上光通信的第一次实现便是贝尔发明的光电话。通信史上,波波夫发送与接收第一封无线电报是在1896年,而以发明电话而著名的贝尔,在1876年发明了电话之后,就想到利用光来通电话的问题。1880年,他利用太阳光作光源,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,通话距离最远达到了213米。1881年,贝尔宣读了题为《关于利用光线进行声音的产生与复制》的论文,报导了他的光电话装置。在贝尔本人看来:在他的所有发明中,光电话是最伟大的发明。

光通电话实验中,贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源,光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时,震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化,从而使话音信息“承载”在光波上(这个过程叫调制)。在接收端,装有一个抛物面接收镜,它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上,硅光电池将光能转换成电流(这个过程叫解调)。电流送到听筒,就可以听到从发送端送过来的声音了。

当然,200米的距离也太近了点。但这是科技发展的特点,都是从基础起步,逐渐完善的。利用光在大气中传送信息方便简单,所以人们开始研究的光通信都是这种方式。但是光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制,比如在遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况,就会看不远和看不清,这叫做大气的能见度降低,使信号传输受到很大阻碍。此外,太阳光、灯光等普通的可见光源,都不适合作为通信的光源,因为从通信技术上看,这些光都是带有“噪声”的光。也就是说,这些光的频率不稳定、不单一,光的性质也很复杂;一句话,就是光不纯。因此,真要用光来通信,必须要解决两个最根本的问题:一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质;另一个问题是必须要找到高强度的、可靠的光源。在此后的几十年中,由于这两项关键技术没有得到解决,光通信就一直裹足不前。也正因此,贝尔的光话始终没有走上实用化的阶段。所以我们今天也没有用上贝尔的光电话,而只是用了他发明的电话。

光通信的发展

“光是沿直线传播的”这个定律是早在十四世纪元代天文数学家赵友钦设计的小孔成像实验就得到了严谨的验证。而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了。在一次实验中,把光照射到盛水的容器内,从出水口向外倒水时,光线也沿着水流传播,出现弯曲现象,这好象不符合光只能直线传播的定律。而且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。这是为什么呢?难道光线不再直进了吗?这些现象引起了丁达尔的注意,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。

廷德尔观察到的现象,直至1955年才得到实际应用。当时在英国伦敦英国学院工作的卡帕尼博士,发明了用极细的玻璃制做的光导纤维。每根细如丝的光导纤维是用两种对光的折射率不同的玻璃制成,一种玻璃形成中央中心束线,另一种包在中心束线外面形成包层。由于两种玻璃在光学性质上的差别,光线经一定角度从光导纤维的一端射入后,不会从纤维壁逸出,而是沿两层玻璃的界面连续反射前进,从另一端射出。最初,这种光导纤维只是应用在医学上,用光纤束组成内窥镜,可以观察人体肠胃内的疾病,协助医生及时作出确切的判断。

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。这就有了光纤的雏形。1966年,英籍华人高(K.C.Kao,当时工作于英国标准电信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题,发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质,其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀,他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。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。

在高锟理论的指导下,1970年美国的康宁公司拉出了第一根损耗为20 dB/km的光纤。低损耗光纤发明出来之后,光通信的发展进入了一个蓬勃发展的阶段。

  1977年美国在芝加哥进行了44.736 Mbit/s的现场实验,1978年,日本开始了32.064 Mbit/s和97.728 Mbit/s的光纤通信实验;1979年,美国AT&T和日本NTT均研制出了波长为1.35 μm的半导体激光器。

  日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为0.2 dB/km,波长为1.55 μm),同时进行了多模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传送的光纤)1.31 μm的长波长传输系统的现场试验。

  到如今,光纤通信已经发展到以采用光放大器(Optical Amplifier,OA)增加中继距离和采用波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)增加传输容量为特征的第四代系统。

  其实,现代的光纤通信也就是运用光反射原理,把光的全反射限制在光纤内部,用光信号取代传统通信方式中的电信号,从而实现信息的传递的。

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。目前由于科技局限,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应用,达到信息传递的目的。

  最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源,它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号;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,由于光波在不同光纤里传输是衰减不同的特性筛选传输光波,目前用过的光波窗口有0.85μm、1.31μm和1.55μm;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。

光通信现状

  基于光通信传输频带宽、通信容量大、传输损耗低、中继距离长等等优点,未来传输网络的最终目标成为构建全光网络,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,其基本思想是在过去的光传输网络上引入智能控制平面,从而实现对资源的按需分配;而城域网将会成为运营商提供带宽和业务和瓶颈,同时,城域网也将成为最大的市场机遇;对接入网来说,FTTH(光纤到户)是一个长远的理想解决方案。FTTx的演进路线将是逐渐将光纤向用户推近的过程,即从FTTN(光纤到小区)到FTTC(光纤到路边)和FTTB(光纤到公寓小楼)乃至最后到FTTP(光纤到驻地),当然这将是一个很长的过渡时期。

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,也实现了部分的接入层的光进铜退。

国内情况

  随着宽带中国战略进程的推进,国内三大电信运营商加快光网城市建设的步伐,我国光通信产业呈现出高速增长态势。

我国在光纤光缆方面,得益于三网融合和宽带政策对光纤的大量需求,2012年市场对光纤的需求迅速增加,使得光纤业基本面出现好转。行业总体供需呈弱势均衡、总体偏紧的态势,从而为光纤价格提供了极强支撑,为行业盈利改善提供了基本保障。同时,行业内主要厂商均在2012年实现较大规模光纤预制棒自产产能,使得此部分光纤企业盈利能力得到较大改善。

  在光网络系统设备方面,三网融合形势下的FTTH、NGB与双向改造等热潮,将在未来长时间内释放大量光通信设备需求。三网融合将刺激广电及电信运营商对光纤网络建设的投入,国内PON设备、ODN市场需求增大,PTN、OTN网络升级也会带动相应设备需求的上升。

  在光器件光模块方面,随着市场的持续升温,光器件产业投资不断扩大,国内涌现出一大批光器件企业。国家对光通信产业加大扶持,企业投入研发比重上升,这无疑是有利于产业长期发展的。在三网融合的大前提下,光器件投资成本占比不断上升,业内分析预计,未来随着光电子器件集成化和智能化的进一步提高,光电子器件占光传输设备成本的比例将达到30%以上。

不管怎么说,光通信给现在的生活带来了极大的便利。QAM,相干通信,光互联等等,都有很不错的发展趋势。想要了解更多光学科普知识,请继续关注长春理工光学测量微信公众号,小编们每天都将为你送上“一碗热乎乎的光学大杂烩”。



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