# 光纤通信原理

# 理论前提

“光纤” 这个词可以拆开来理解，“光” 是指信息的传输形式是依靠光的形式；“纤” 是指传输介质为玻璃纤维。让 “光” 来传输信息的前提是 **“全反射”** 现象的发现。

” 全反射 “ 现象是指当光线从光密介质进入光疏介质，且入射角大于临界角时，折射光线完全消失，只留下反射光线的现象。

基于这个现象，我们可以设计出一种圆形的导线结构（其实就是光纤），只需要在更中心的位置选用合适的光密材料，外围选用合适的光疏材料，再结合一个合适的入射角，就可以使光在导线不断的反射，并不断向前传播。

光纤的纤芯主要采用高纯度的二氧化硅 (SiO₂)，并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率 n1；包层也是高纯度的二氧化 (SiO₂)，也掺有一些的掺杂剂，以降低包层的光折射率 n2， 且 n1＞n2，发生全反射；涂覆层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。

这就是可以用光来传递信息的理论基础和材料基础，至此，用光来传输信息有了理论上的可行性。

# 光纤工作原理

光纤只是光传输的通道，具体光的怎么传输的呢？

首先，发射端把要传输的信息（如话音等）转换为电信号，然后通过激光器发射到激光束上，光的强度会随电信号的频率一起变化，并通过光纤发射出去；在接收端，检测器受到光信号后把它变成电信号，经过处理后恢复原信息。

单一的光纤信道容量有限，于是我们考虑将多个光纤结合在一起来增大容量：

光纤内部用玻璃纤维制成的光导纤维，可以把光信号传输到几千公里外，将几百上千根光导纤维组合在一起，制成像电缆一样的光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通讯容量。

光信号就是在光纤内经过一次次的折射传输到终点的，光信号在一次次折射后会分散或者衰减，因此需要把光信号每 50 公里放大一次。

# 数据传输

# 信道容量

光纤信道容量的大小受很多因素的影响，例如：调制技术、光纤质量、带宽、光源检测器、WDM 技术等等等，我们先来考虑单根光纤、单一光线且没有任何调制技术的情况，香农 - 哈特利定理给出了在存在噪声的情况下，信息可以通过给定带宽的通信信道中传输的最大速率（信道容量）：

$$C = B \cdot log_2(1+SNR)$$

其中：

• $C$ 代表信道的容量，单位为比特每秒或奈特每秒，为理论上的不包含纠错码的最大比特率。
• $B$ 代表信道的带宽，单位为赫兹（Hz）。
• $SNR$ 代表信噪比，是信号功率与噪声功率之比，通常以线性比值来表示（$S /over N$ ）。

这个公式表明，信道容量与带宽和信噪比之间存在对数关系。增加带宽或提高信噪比都可以增加信道的容量。

# 传输速率

需要注意的是，光在光纤中的传输速度并不是 “光速”（真空中，约为 299,792,458 米 / 秒），而是速度略慢，大约为真空中光速的 2/3 左右，这是由光纤材质的折射率来决定的，折射率的定义为：

$$n = \frac{c}{v}$$

其中：

• $n$ 是折射率（真空的折射率被定义为 1）。
• $c$ 真空中的光速。
• $v$ 是光在特定介质中的传播速度，通常以米 / 秒为单位。

折射率是一个材料特性，材料制造完成后就已经确定了，代表了光在该材料中传播速度相对于真空中光速的比值。在光纤中，通常会选择具有高折射率的材料作为光纤内芯，而折射率越高，光速就越慢，因此光在光纤内芯中传播时速度较慢。

# 增大信道容量

在实际应用中，我们会想要尽可能的增大信道的容量，使得光纤可以传输更多的信息，除了将多根光纤绑在一起形成光缆这样暴力的增加方式外，还可以考虑怎么提高单根光纤的信道容量。这时我们会联想到光的 “色散” 现象。

# 色散

我们知道，光的频率和波长之间关系为：

$$c = \lambda \cdot f$$

其中：

• $c$ 是光速，指的是材料中的光速。
• $\lambda$ 是光的波长，通常以米为单位。
• $f$ 是光的频率，通常以赫兹（Hz）为单位。

上面的公式告诉我们，不同颜色（频率）的光在光纤中传输速度是不一样的，这就是光的 “色散”，在光纤传输中，我们可以将不同颜色的光复合起来一起传播，接收端在接收时再将这些光分离出来就可以了，这就是 “波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）” 技术的思想。

# 波分复用技术

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术用于增大光通信系统的信道容量，是一种光通信中常用的多路复用技术。WDM 技术允许同时在光纤中传输多个不同波长（或频率）的光信号，每个波长光信号都可以携带独立的数据流，从而有效地增加了光纤通信系统的信道容量。

WDM 技术的核心思想是利用光的不同波长来传输不同的信号，就像广播电视中使用不同频道来传输不同节目一样。通过将多个波长的光信号合并到同一根光纤中，使得多个独立的通信信道在相同的物理基础设施上共存，从而大幅提高了通信系统的容量

对于采用 WDM 的系统来说，想让其正常运行，需要控制各个光信号的波长，如果波长间隔太短的话，很容易区分不开；而如果波长间隔过长，利用率又会降低。

早期的时候，技术条件有限，波长间隔会控制在几十纳米，这种比较分散的 WDM 被称为 “稀疏波分复用（ Coarse WDM，CWDM）”。后来，技术越来越先进，波长间隔压得越来越短，到了几 纳米 的级别，就成了紧密的 WDM，叫做 “密集波分复用（Dense WDM，DWDM）”

CWDM 的波长间隔 20nm，波长范围从 1270nm 到 1610nm，有 18 个波段。

「因为 1270-1470nm 波段有明显的衰减增加，很多旧型光纤不能正常使用，所以 CWDM 一般优先使用 1470~1610nm 的 8 个波段。」

DWDM 的波长间隔可以是 1.6nm、0.8nm、0.4nm、0.2nm，可以容纳 40、80、160 个波（最大可支持 192 波）。DWDM 的波长范围为 1525nm 至 1565nm（C 波段）和 1570nm 至 1610nm（L 波段）。

DWDM 常用 C 波段，波长间隔 0.4nm，通路频率间隔 50GHz。

以上就是光纤通信最基本的原理和波分复用技术，在实际的传输过程中，在最基本的物理层之上为了实现不同的目的，还会对信号进行编码，我们会在下一篇文章中讨论。