淺析光纖通信技術的原理及發展趨勢

項秋實 王淼 謝東辰 周澤鑫

摘要：文章重點分析了光纖通信技術的基本原理，在此基礎上給出了光纖通信系統的工作原理圖，以期探究光纖通信技術的優化方案，并對其今后的發展趨勢做出預測，為現代光纖通信的發展提供理論性參考。

關鍵詞：光導纖維；光纖通信；現代信息技術；發展趨勢

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.055

中圖分類號：TN 913.7，TN 929.11? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）03-0-03

隨著通信技術的飛速發展，我國于1992年開通第一個光纖通信系統，正式步入超遠距離傳輸、超高效率傳播的光纖通信時代。近年來，光纖通信成為現代信息技術的主要方式之一[1]。光纖通信技術主要是指光導纖維通信技術。利用光導纖維的低損耗、大容量、遠中繼、易耦合等特性，實現了對光波信號的加載與傳輸。

1? ?光纖通信技術原理

1.1 光纖概述

光纖，就是光導纖維，又叫作介質圓波導，它的典型結構為多層同軸圓柱體[2]，主要由折射率較高的纖芯與折射率較低的包層組成，最外面還有一層起到保護作用的涂覆層。即由外而內依次為涂覆層、包層、纖芯。

光導纖維由高純二氧化硅制成，也就是我們常說的石英玻璃。并且在纖芯內部添加諸如磷、鍺、氟化物等物質，以此提高纖芯內部折射率。同時在包層中摻入少量氧化硼，以此降低發生在包層中的折射率，最終使得發生在纖芯中的折射率na大于發生在包層中的折射率nb，從而達到發生全反射的效果。

1.2 光發射機工作原理

光纖通信技術解決了將電信號加載到光源上的問題。光發射機作為光端機的一種，大多數采用直接調制的方法。它的作用是將電端機送來的電信號調制成相應的光信號送入光纖中傳輸。目前我國的光發射端機的性能要求為入纖光功率要為0.01～10 mW，穩定性為5%～10%，消光比一般小于0.1。其中，消光比的定義如下：

光發射機一般由電路模塊、驅動模塊、溫控模塊、監測模塊、保護控制模塊五部分組成。具體如圖1所示。

電信號進入電路模塊，經過譯碼、擾碼、編碼等過程，電信號被變成適合在光纖線路中傳輸的線路碼型，最終經過一系列處理將電信號轉變為光信號在光纖中傳輸。其中，溫控模塊用來調整溫度；監測模塊用來檢測光信號；保護控制模塊用來調控與反饋信號。

1.3 光接收機工作原理

光接收機是一種電光轉換設備，在光纖通信系統中，常被用來將經過光纖中傳輸的光信號還原為電信號輸出。它主要由三個部分組成：接收模塊、放大模塊和檢測模塊。接收模塊用于接收光信號；放大模塊用于對信號進行放大，增強信號功率；檢測模塊則用于將放大后的電信號轉化成數字信號或其他類型的信號輸出。其工作原理如圖2所示。

光信號進入光電檢測器后會產生一種感光電流。感光電流在經過放大器的處理后，電流被放大，令其具有足夠的能量來抵消傳輸線路中的噪聲和損耗[3]。最后，信號經濾波器過濾以消除傳輸中的雜散信號，得到干凈的信號，經數據恢復處理后得到所需要的電信號。其中，對于放大器的要求十分嚴格。因為在輸入信號微弱的同時，還有噪聲的干擾。噪聲與所需信號經放大器處理后，被同時放大。因此，為了降低干擾，放大器必須具有低噪聲、高增益的性能，同時可以適當增加濾波處理，從而得到較為理想的電信號。

1.4 光纖通信系統的設計

一個基礎的光纖通信系統由光發送機、光纖適配器、活動連接器、光纖、光接收機組成。

活動連接器又叫作光纖連接器，一個單芯光纜加上兩個高精度機械加工的活動連接器就構成了最簡易的光纖跳線，而所謂的光纖尾纖則是一端帶有光纖連接器的光纜[4]。它們組合在一起，構成了光纖通信系統的基本要素。

FC、SC、ST型光纖連接器需要利用相應的光纖適配器進行連接。光纖適配器由陶瓷套筒或鈹青銅套與金屬塑料外殼加工裝配而成，適配器的主要類型有FC型光纖適配器、FC/ST型光纖適配器、FC/ST型光纖適配器以及FC/SC型光纖適配器。它們相輔相成，共同構成了一個基礎的光纖通信系統，

從宏觀角度來看，一個完整的數字光纖通信系統主要由光端機（包括光發射機、光接收機）、光纖以及電線組成。完整的傳輸過程：電信號源輸入電信號進入光發射機，經過驅動模塊以及光學調制器調制處理后傳入激光器，經激光器耦合發出光信號，最大限度地將光信號輸入到光纖中。經過光纖傳輸的光信號進入光接收機，經過放大、濾波、轉換處理后，將衰減的光信號轉換為增益電信號，同時經由線路輸出，達到通信的效果。如圖3所示。

我們在原有光纖通信系統的結構基礎之上，將多個前置放大器進行級聯，構成一個多級放大器。目的在于使衰減的信號被放大增強。然而，正如上文所介紹的那樣，在信號被放大的同時，噪聲也會被放大。為了降噪，我們在光接收機后又增設一個濾波裝置——濾波器，濾波器可以對電源線路中特有頻率的頻點進行濾除，以此來達到降噪的效果。

2? ?現代光纖通信的發展趨勢

2.1 光纖通信技術的研究現狀

近年來，波分復用技術的出現成為實現大容量傳輸信號的關鍵[5]。其原理是將不同頻率的光信號通過一定的方式互不干擾地調制合在一起作為載波在同一根光纖中同時進行傳輸。布拉格光柵（FBG）的應用使得波分復用技術得到進一步發展，該技術可以用于密集波分復用（DWDM）、EDFA中。

光學調制器作為重要的光無源器件，解決了如何將信號加載到光波上的問題。隨著全光調制器的出現，在信號調制上逐漸取代以往煩瑣的光-電-光轉換，進而可以實現光-光的直接調制。無論從信號的衰減還是傳輸速率方面來看，都明顯優于以往煩瑣的調制過程，成為光纖通信系統中提高傳輸速率的突破點。

但是隨著智能終端設備[6]的出現，人們已經不再滿足于簡單的語音通話，而是追求高質量、低延時的視頻通話。這對光纖通信的數據傳輸能力提出了更為嚴苛的要求。因此光纖通信技術的進一步發展成為重要課題之一。

2.2 光纖通信技術的發展趨勢

為解決上述難題，未來的光纖通信技術應在以下幾個方面尋求突破。

（1）超高速率超大容量超長距離傳輸。傳統意義上的大容量、遠距離、高速率通信已經逐漸不適用于互聯網技術高速發展的社會。近10年來，互聯網流量增速已大大超越光傳輸的容量增速[7]。通過對未來光纖通信傳輸技術的發展方向預測分析，空分復用相關技術的發展是增大傳輸容量、提高傳輸速率的有效途徑之一。除此之外，頻譜超級信道技術也會在需求的驅使下愈發成熟。

（2）集成技術與輕量化的實現。從系統結構來看，光纖通信系統主要由光端機、光纖以及其他一些相關器件組成。隨著技術的不斷升級，科研人員將這些器件集成在一起，組成光纖通信箱，在很大程度上降低了通信系統的復雜程度。未來也一定可以使用超細纖維以及先進的集成技術來進一步簡化設備，在降低成本的同時提高信息傳輸的質量。

（3）全光通信技術的普及。全光通信可以有效避免煩瑣的光-電轉換，減少傳輸損耗，提高傳輸速率?，F如今，我們已經實現了全光調制技術。相信在不久的將來，會在全光通信技術上有新的突破實現，真正意義上的全光通信。

3? ?結束語

互聯網時代的到來促進光纖通信技術的不斷發展。本文簡要分析了基于光纖通信技術的基本原理，設計并提出了一種光纖通信系統。同時分析了光纖通信技術的現狀，并在此基礎上對未來光纖通信技術的發展以及突破點做出預測，為光纖通信的研究與發展提供一些理論依據和參考。

參考文獻

[1] 李克，劉明勇．光纖通信的傳輸技術應用[J]．創新應用，2021（8）：148-149.

[2] 袁國良．光纖通信原理（第2版）[M]．北京：清華大學出版社，2012.

[3] 余少華，何煒．纖通信技術發展綜述[J]．中國科學，2020（9）：1361-1376.

[4] 彭博文．現代光纖通信技術的特點及應用[J]．數字通信世界，2023（4）：104-106.

[5] 王金華．探討光纖通信傳輸技術在現代通信中的應用[J]．價值工程，2020（5）：262-263.

[6] 李昊，鄒曙光．光纖通信技術優越性探究[J]．科技風，2020（4）：94.

[7] 鄒鳳嬌．我國光纖通信技術發展現狀與展望[J]．電子技術，2020（8）：128-129.