浅谈光纤传输在网络通讯中的应用

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　　摘要：随着科学技术的不断发展，网络通讯也有着长足的进步，不但表现在基础设施上，科技创新也在不断的摸索，其中光纤通讯在数位时代里扮演非常重要的角色。光纤通信,是指一种利用光与光纤传递资讯的一种方式。属于有线通信的一种。光经过调变后便能携带资讯。自1980年代起，光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性 ，同时也光纤通信传输容量大，保密性好等优点。光纤通信现在已经成为当今最主要的有线通信方式。本文通过对光纤传输历史及结构的介绍，分析和阐述了光纤传输在通讯领域中的应用，并研究了在传输过程中通讯信号的衰弱和再生。
　　关键词：网络通讯；光纤传输
　　前言：对于某个通讯系统而言，使用传统的铜缆作为传输介质较好，或是使用光纤较佳，有几个需要注意的要点。光纤通常用于高带宽以及长距离的应用，因为其具有高容量、低损耗，以及不需要太多中继器等优点。光纤另外一个十分关键的特性是尽管跨越长距离的数条光纤并列，光纤与光纤之间也不会产生串讯的干扰，这和传输电讯号的传输线正好相反。
　　1.光纤网络通讯技术的产生
　　1.1 第一代光纤的产生
　　古有飞鸽传书，可以看出人类对于长距离通讯的需求一直处于较高水平。下面介绍一下光纤通讯发展的历史。1960年，雷射的发明才解决了第一项难题。1970 年代康宁公司发展出高品质低衰减的光纤则是解决了第二项问题，此时讯号在光纤中传递的衰减量第一次低于光纤通讯之父高锟所提出的每公里衰减20分贝关卡，并且凭借著体积小的优势而大量运用于光纤通讯系统中，证明了光纤作为通信介质的可能性。与此同时使用砷化镓作为材料的半导体雷射也被发明出来。1976年，第一条速率为44.7Mbit/s的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。
　　1.2 第二代商用光纤的产生
　　早期的光纤通讯系统虽然受到色散的问题而影响了讯号品质，但是1981年单模光纤的发明克服了这个问题。第二代的商用光纤通讯系统也在1980年代初期就发展出来，使用波长1300纳米的磷砷化镓铟雷射。到了1987年时，一个商用光纤通讯系统的传输速率已经高达1.7Gb/s，比第一个光纤通讯系统的速率快了将近四十倍之谱。同时传输的功率与讯号衰减的问题也有显著改善，间隔50公里才需要一个中继器增强讯号。
　　1.3 第三代光纤
　　之前使用磷砷化镓铟雷射的光纤通讯系统常常遭遇到脉波延散问题，而科学家则设计出色散迁移光纤来解决这些问题，这种光纤在传递1550纳米的光波时，色散几乎为零，因其可将雷射光的光谱限制在单一纵模。第三代的光纤通讯系统改用波长1550纳米的雷射做光源，而且讯号的衰减已经低至每公里0.2分贝。这些技术上的突破使得第三代光纤通讯系统的传输速率达到2.5Gb/s，而且中继器的间隔可达到150公里远。
　　1.4 现代光纤
　　一些新兴的网络应用，如随选视讯使得因特网带宽的成长甚至超过摩尔定律所预期集成电路芯片中晶体管增加的速率。而自因特网泡沫破灭至2006年为止，光纤通讯产业规模逐渐扩大，以及委外生产的方式降低成本来延续生命。 现在的发展前沿就是全光网络了，使光通信完全的代替电信号通讯系统，这还远远不够，所以说还有相当长的一段路要走。
　　2.光纤通讯系统的主要结构
　　2.1 光导纤维
　　光纤缆线包含一个核心，纤壳以及外层的保护被覆。核心与折射率较高的纤壳通常用高品质的硅石玻璃制成，但是现在也有使用塑胶作为材质的光纤。又因为光纤的外层有经过紫外线固化后的压克力被覆，可以如铜缆一样埋藏于地下，不需要太多维护费用。
　　2.2 发射器
　　在光纤通讯系统中通常作为光源的半导体元件是发光二极管或是雷射二极管。LED与雷射二极管的主要差异在于前者所发出的光为非同调性，而后者则为同调性的光。使用半导体作为光源的好处是体积小、发光效率高、可靠度佳，以及可以将波长最佳化，更重要的是半导体光源可以在高频操作下直接调变，非常适合光纤通讯系统的需求。
　　2.3 光放大器
　　过去光纤通讯的距离限制主要根源于讯号在光纤内的衰减以及讯号变形，而解决的方式是利用光电转换的中继器。这种中继器先将光讯号转回电讯号放大后再转换成较强的光讯号传往下一个中继器，然而这样的系统架构无疑较为复杂，不适用于新一代的波长分波多工技术，同时每隔20公里就需要一个中继器，让整个系统的成本也难以降低。 光放大器的目的即是在不用作光电与电光转换下就直接放大光讯号。光放大器的原理是在一段光纤内掺杂稀土族元素如铒，再以短波长雷射激发。
　　2.4 光接收器
　　光接收器电路通常使用转阻放大器以及限幅放大器处理由光侦测器转换出的光电流，转阻放大器和限幅放大器可以将光电流转换成振幅较小的电压讯号，再透过后端的比较器电路转换成数位讯号。对于高速光纤通讯系统而言，讯号常常相对地衰减较为严重，为了避免接收器电路输出的数位讯号变形超出规格，通常在接收器电路的后级也会加上时脉恢复电路以及锁相回路将讯号做适度处理再输出。
　　3.网络通信信号的衰弱和再生
　　3.1 通讯信号的再生
　　现代的光纤通讯系统因为引进了很多新技术降低讯号衰减的程度，因此讯号再生只需要用于距离数百公里远的通讯系统中。这使得光纤通讯系统的建置费用与维运成本大幅降低，特别对于越洋的海底光纤而言，中继器的稳定度往往是维护成本居高不下的主因。这些突破对于控制系统的色散也有很大的助益，足以降低色散造成的非线性现象。此外，光固子也是另外一项可以大幅降低长距离通讯系统中色散的关键技术。
　　3.2 通讯信号的衰弱
　　讯号在光纤内衰减也造成光放大器成为光纤通讯系统所必需的元件。光波在光纤内衰减的主因有物质吸收、瑞立散射、米氏散射以及连接器造成的损失。虽然石英的吸收系数只有0.04dB/km，但是光纤内的杂质仍然会让吸收系数变大。其他造成讯号衰减的原因还包括应力对光纤造成的变形、光纤密度的微小扰动，或是接合的技术仍有待加强。
　　结束语：
　　随着我国网络通讯信息化水平不断提高、人们对光纤通信也有着越来越多的需求，这种需求促进了光纤通讯技术的创新发展。我国拥有13亿人口，通讯的市场在我国尤为庞大，这就需要从事光纤通讯的技术人员不断的进行技术和手段的创新与完善，是我国真正成为一个通讯大国。
　　

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