激光光纤维通信

利用光来传送信号，这对我国劳动人民来说并不陌生。大约在二千七百多年前的周朝，人们就开始在边疆建立烽火台，利用火光和烟焰来传递消息，一旦外敌入侵，就一台接一台地点起烽火报警。这就是古代的火光通信。

在近代战争和交通管理系统中，人们也经常采用一些简易的光通信。例如：海军调动舰艇、进行编队的闪光灯；指挥作战、协调行动的五颜六色的信号弹；海上、港口的灯塔；铁路站台上的红绿信号灯以及市内交叉路口的交通指示灯等，都是利用可见光进行光通信的简单例子。

这种简单的光通信一直得不到发展，原因是这种自然光发射方向杂乱无章，频率成份复杂，不易被人们控制，无法用来传送复杂的语言信号和电视图象信号。

我们所熟悉的无线电电话通信，是利用单一频率的无线电波作为载送语言信号的载波，向空中发射出去，经过空中一段距离的传输，由远方的接收机接收并把语言信号从载波中取出来，而达到通信目的。可见，实现通信的一个重要关键是要有一个单一频率的电磁波作载波。光和无线电波一样是一种电磁波，它具有电磁波的一切特性，只是波长要比无线电波短得多。从封底的电磁波波谱图可看出，可见光包括了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种频率的光。比红光波长更长的红外光以及比紫光波长更短的紫外光，都是看不见的光线。在常规通信中，已经使用了长波、短波、超短波、微波和毫米波等波段，要实现光通信，就须在光波的范围内（即红外光——可见光——紫外光等波段内）寻找一种频率单纯的发光源作为光载频。

科学技术不断向前发展，1960年发明了激光。激光的出现，为人类提供了一种崭新的光源。它的频率很单纯，发出的光束很细，光能量在一个方向上高度集中，方向性强、亮度大，便于控制。由于这些特点，激光获得了日益广泛的应用，其中一个主要方面是激光通信。激光无疑是光通信所需的最理想的载频。

激光通信的最大优点是通信容量巨大。激光的频率极高，在1013～1015赫之间，比现有的微波通信频率约高一千倍。从理论上分析：如果每一路电话通信频带为4千赫，激光光频段能容纳100亿个话路；如果每一路彩色电视的频带宽度为10兆赫，则可用激光同时传送1000万套电视节目，这是迄今为止其它通信系统所不能达到的巨大的通信容量。

最初的激光通信试验是在大气中进行的，象普通的无线电收、发报一样，在地面上的两点架设收、发光端机，就可以进行通信。但是，在地面利用大气层进行激光传输通信有致命的弱点，它受地面大气层的影响很大，很不稳定。由于激光的波长极短（在微米量级），它在大气中传输时遇到灰尘、雾、雨、雪等微小颗粒的阻挡，使光向四面八方散开，衰减很大，形成所谓“大气散射”。其次，大气中的水蒸汽、二氧化碳、沼气等对某些波长的光吸收能力极强，大大衰减了光能量，这就是所谓的“大气吸收”。这些都使通信距离受到限制。此外，大气湍流和气温变化会使光束抖动、鸟类和飞机也可能遮挡住光束使通信中断。因此，激光大气通信只适用于一些短距离的机动通信。为此，人们就设想，象利用电线、电缆进行有线电通信那样寻找一种导光物质。

劳动人民长期的生产斗争推动了科学的发展。早在十八世纪初，希腊一位吹玻璃工人观察到，光可以从玻璃棒的一端传到另一端，而没有光从棒的周围射出来。到本世纪三十年代，就有人制出了很细的石英玻璃丝，并初步论述了它的传光原理。1958年后，又有人用透明度好的光学玻璃拉成丝，制成了医疗上用的各种内窥镜的信号导管、微光夜视仪用的光学面板和光电变换用的光学元件等。但是，这些玻璃丝对光的衰减都很大，长度也只有几十厘米到几米。在激光器发明之后的第六年，有人预言，用纯度高、衰减小的石英玻璃纤维作为光的传输介质，可以进行远距离的激光通信。直到1970年，研制低损耗光纤维技术才有大的突破。这种象头发丝一样细的能导光的玻璃丝，就叫作光导纤维，简称“光纤维”，有的技术书还称它为“光波导传输线”或“光波导纤维”。

人们要问，光会沿着弯曲的光纤维传输吗？回答是肯定的。一般光纤维是由芯和包皮两层玻璃构成的，包皮直径约在100～150微米，芯直径约为50～75微米。这种纤维的直径是很细的，但是与常用的波长在1微米左右的光波相比，光纤维相当于光的“波导”了。不过它与微波通信中用的屏蔽式金属波导不同，因此被称作“介质光波导”。制作时，一般都是使芯玻璃的光折射率稍大于包皮玻璃的折射率。我们知道，当光线以一定角度从光密（折射率大）媒质射向光疏（折射率小）媒质时，有可能在两媒质的交界面上产生全反射向前传播。这样，只要我们控制光波的入射角在一定范围内，光波就能在芯与包皮的交界面上，连续产生类似镜子反光那样的反光现象，从纤维的一端传到另一端。封底左上角画出了三种不同结构的光纤维，它们的主要区别是截面上折射率的分布情况不同。第一、二两种光纤维即为上述利用全反射传播的结构，第一种为粗芯的，第二种为细芯的。第三种光纤维的折射率在截面上的分布情况是：中心处最大，沿半径向外折射率逐渐下降，最外层最小。这样，光波在纤维芯部传输时，会自动从折射率小的地方向折射率大的轴心处会聚。这种纤维叫“自聚焦纤维”，它在光通信中应用很广。

光纤维通信系统与无线电通信相比较，在原理、结构以及通信过程方面都相类似，所不同的是传送信号的运载工具是频率在光波段的激光，而不是频率较低的无线电波。由于这个缘故，光纤通信系统的振荡源、放大、调制、滤波、传输和接收检测等都与光特性有关。下面我们结合图1所示最简单的光纤维通信系统示意图来说明其工作原理。

这是一个话音通信示意图。由普通的电子元器件相成的电信发送设备，把话音信号变成随声音强弱变化的电信号，经过足够强的放大后，送到光源去对光源进行调制。这里的光源，就是光载频振荡器，也就是激光器。这种调制又称作光调制，其结果是使光源发出的稳定不变的光束，变成随话音强弱而变化的光束，换句话说，就是使光源输出的光束带上了话音信号，成为已调制的光频信号。光调制有两种方式：一种是直接的内调制，它控制光源电参数（电流或电压）的变化，使光源输出的光束随话音信号的强弱而变化；另一种为外调制，即在光源输出光束的外部路径上放置一块晶体，把放大了的电信号（话音）加到晶体上以改变晶体的光学特性，这样光束通过晶体后就随信号的强弱而发生变化。

调制后的光频信号要注入到直径很细的光纤维中去，采用直接对准注入的方法效率很低，一般是通过透镜耦合器（参见封底）中的小型聚焦透镜来提高耦合效率。光在纤维中传输一段距离后，光强会发生衰减，因此在长距离的光纤通信线路中，要加入许多光中继器来放大光频信号，以保证接收端有足够的强度。

光频信号由光纤维传送到接收端，由光接收机内的光电检测器件把已调制的光频信号变成电信号，这就是光的解调。解调出来的电信号最后经电信接收设备还原成原来的话音信号。常用的光电检测器件有光电倍增管和半导体光电二极管。

当然，图1所示的光纤维通信系统只是一个原理图，实际的光纤维通信系统都是多路、大容量的。因此在系统的发送端要加上多路复用设备，接收端加上多路分路设备。我们熟悉的微波、同轴电缆通信系统，为了得到较大的通信容量，往往采用频率复用、时分复用等手段，使许多路不同的电信号在一个信道上传输。光纤维通信同样可采用光频复用、光时分复用以及光空间复用等技术，来实现超大容量通信。

光纤维通信与常规的电通信比较具有下列特点：

通信容量大 据初步估计，一对光纤维可同时传送150万路电话、2000套彩色电视，比现有的1800路中同轴电缆载波通信的容量大八百倍以上。这仅是一对纤维的通信容量，如果把一束几十至几百根纤维汇制成光缆，它的通信容量则更为惊人，而直径却只有一、两厘米。要是在一根纤维上再利用频率复用技术，传送几个波长的光频信号，一根纤维就能当几根使用，使通信容量又翻几倍。

节省大量有色金属 目前使用的中同轴电缆，每一千公里耗铜500吨、铅2000吨，而拉一千公里的光纤维，据估计，仅需要几十公斤的超纯石英玻璃就足够了。

抗干扰 光纤维中传输的是光波，它不怕雷电袭击，也不受强电磁场干扰。是强电工程中进行遥控遥信、传输数据的有利工具。而且保密性极好。

耐腐蚀 光纤维一般用石英玻璃制成、物理化学性能稳定，不怕潮湿与腐蚀，可以制成海底光缆、构成远距离的海光缆通信。

能自由弯曲 光纤维极细，卷绕性很好，在它外面套上塑料可制成柔软、坚韧、轻巧的光缆、能适应不同地形的敷设，适于铺设长距离干线通信线路。

激光光纤维通信上述种种特点，使得这种通信方式具有十分诱人的前景。大容量的激光光缆通信实现后，不但使传统的电通信发生一次重大的历史性变革，而且使光电技术结合，大大推动电子技术向新的高度发展。

众所周知，人类正在向信息现代化进军，要求传输的数据量与日俱增。例如：卫星、导弹追踪系统与计算中心之间的数据传输；工业遥控遥测、交通运输、天文气象、商业、银行……等各部门的通信。这些数据通信的业务量很大、占用的路数很多，要求的频带又很宽。现有的常规电通信是远远不能满足需要的，只有激光光缆通信才能适应这种形势的发展。

有了大容量的宽频带光缆通信，电话通信面貌将蔚然一新：市内电话的数量可成万倍地增长；各城市间的长途电话也可象目前的市内电话一样方便地自动拨号；以光缆为传输线的电视电话网，使打电话的双方不仅能耳闻其声而且能目睹其貌；也可建立全国彩色电视广播网，使人们象收听收音机那样随意选择各地的电视广播节目；还可以广泛地利用闭路电视进行教学、医疗会诊、全息照相、技术交流和工业应用。

光纤维在飞机、舰艇和人造卫星、火箭等航天器内使用也特别合适，它可减轻负重、不受电磁干扰。

激光光纤维通信的研制工作发展极为迅速。现在，人们已成功地突破了研制低损耗光纤维的难关，把光纤维的传输损耗降低到1分贝／公里以下；许多国家开始试验用光缆在城市内传输电视节目和数字式电话，通话路数已达5～15万路，中继距离已从数公里延长到50～70公里；新型的适用于光纤维低损耗区的长波半导体激光器也已产生……总之，光缆通信目前已处在实用化的前夜，实现大容量的激光光缆通信的时间已为期不远了。

事物发展是无止境的，目前人们正在进一步研究如何模仿集成电路技术来集成光路。就是把激光器、探测器以及各种光器件集成到一个很小的基片上，配以传输损耗更低、通信容量更大的纤维，并选择合适的激光波长，这将产生通信容量更大，中继距离更远，性能更好的第二代光缆通信系统。(邮电部武汉邮电科学研究院 黄定国)