第三節(jié)　光纖通信技術(shù)

一、光纖通信的發(fā)展歷史

光纖通信即用光來傳遞信息并非是一個全新的概念，其實在古代就早已有這種類似的光通信形式。例如，烽火臺就是這樣一種最簡單的光通信系統(tǒng)：烽火是光源；調(diào)制方式是點燃烽火與息滅烽火，這是最簡單的二進制編碼調(diào)制方式；傳輸介質(zhì)是大氣；光探測器是人的眼睛。這種古代的烽火臺光通信系統(tǒng)已經(jīng)包括了現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中最基本的部分：發(fā)射、調(diào)制、接收（眼睛）、解調(diào)（人的大腦）。但是這種原始的最簡單的光通信系統(tǒng)有許多不足和缺點：第一，傳送的信息量太少，只能告訴人們有敵人（烽火燃）和無敵人（烽火滅）這樣兩種信息。至于敵人多少，誰帶領(lǐng)，攜帶什么武器，從哪個方向來等等，都無法給出；第二，傳送距離太近，只能傳送到肉眼看得到的地方；第三，抗干擾能力差，雨霧天不能傳送；第四，保密性很差，點燃烽火后，不僅自己人能看見，敵人也能看見；第五，不能進行識別和糾錯，城池一旦被攻占，敵人也可以根據(jù)需要點燃烽火，但自己無法識別究竟是誰點燃的烽火，對一些明顯的錯誤信息也不能自動進行糾正；第六，響應(yīng)速度慢，從點火到火光沖天使人們能看得見，沒有十幾分鐘到半個小時是不行的；第七，它不能雙向工作，不能進行雙向傳遞信息，也不能對信號進行交換，等等?，F(xiàn)代光通信系統(tǒng)就是為了解決上述這些問題而不斷進行改進設(shè)計，因此使系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。但是萬變不離其宗，它的基本思想都是很簡單的。

除了烽火臺這樣一種簡單的光通信系統(tǒng)外，還有一種用燈、手、眼所組成的光通信系統(tǒng)。在這種光通信系統(tǒng)中，燈是光源，手是調(diào)制器，眼是光探測器，解碼由大腦來完成。這種光通信系統(tǒng)至今在某些場合都還在使用，如夜間船舶艦艇之間通信等。

無論是烽火臺還是用燈、手、眼所組成的光通信系統(tǒng)，都不是真正用光來進行“通話”。而第一位用光來進行“通話”實驗的是美國著名科學(xué)家和發(fā)明家貝爾。貝爾是電話的發(fā)明人，1876年他發(fā)明電話后，1880年他又用可見光波來進行通話，傳送了幾百米遠(yuǎn)，他稱這種電話為“光電話”。貝爾在世界上第一次用光波把聲音傳送出去。但由于當(dāng)時的技術(shù)條件限制，包括光源、探測器、調(diào)制器、解調(diào)器、電子元器件、傳輸介質(zhì)等多種因素的限制，只能做一做原理性實驗，沒有什么實用價值，因此很長時間沒有得到發(fā)展和推廣。

直到1960年麥曼制作的世界上第一臺激光器問世，光通信才又活躍起來。因為激光作為一種嶄新的光源，具有強度高、方向性好、相干性好等優(yōu)點。科學(xué)家們立即意識到，由于光波頻率比微波高，若作為載波，它的信息容量將比微波大很多。另外，由于光波的波長很短，和微波相比，它的衍射效應(yīng)也要小很多。因此，用這種相干性很好的激光光波來代替微波進行大氣通信，將是非常理想的。所謂衍射效應(yīng)，它是波的一種屬性，是當(dāng)波傳播時受到某種孔徑，如發(fā)射天線的限制時，波束會發(fā)散。無論是微波或光波，當(dāng)它通過直徑為D的天線發(fā)射出去時，由于波的衍射效應(yīng)，使光束或波束發(fā)散，其光束或波束的發(fā)散角Φ＝1．22λ／D，其中λ為光波或微波的波長。由于微波的波長λ_微比光波的波長λ_光要大幾個數(shù)量級，因此，光波通信和微波通信相比，在同樣的發(fā)散角Φ的條件下，采用光波通信所需要的發(fā)射天線的口徑或直徑可以很小很小，要小幾個數(shù)量級?；蛘邠Q一種說法，光通信可以將光束的發(fā)散角Φ壓縮得非常小，即光束的方向性、定向性很好，能夠使光能量集中在一個方向上在非常小的范圍內(nèi)進行傳送，因此，可傳送得很遠(yuǎn)且保密性很好。正是由于這些優(yōu)點，在世界上第一臺激光器問世后，使得貝爾最早開始的大氣光通信又蓬勃發(fā)展了一段時期。

但是，好景不長，雖然激光光束的方向性、定向性很好，能夠使光能量集中在非常小的范圍內(nèi)在一個方向上進行傳送，這似乎應(yīng)當(dāng)使激光傳送得很遠(yuǎn)，但是由于地球表面大氣層中云、霧、雨、雪對激光束的強烈衰減，使得作為“無線光通信”的大氣光通信的前景又暗淡下來。但盡管如此，正是這段時期大氣光通信的輝煌發(fā)展，對于光源、光電探測器、光調(diào)制器、光學(xué)元器件、各種光學(xué)材料包括非線性光學(xué)材料等的發(fā)展，都產(chǎn)生了極大的推動作用。另外，這段時期大氣光通信的發(fā)展，對將來在一些特殊場合下的使用以及空間或衛(wèi)星間的光通信的發(fā)展，無疑是有巨大意義的，會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

為了克服“無線光通信”中傳輸介質(zhì)大氣的不良影響，人們自然想到是否可以采用“有線光通信”的方式，即傳輸介質(zhì)不通過大氣而采用有線的方式。于是，有人提出采用“透鏡波導(dǎo)”將光束縛在波導(dǎo)中進行傳輸來避免大氣的影響。所謂“透鏡波導(dǎo)”，是在管道中隔一定距離安裝上一片會聚透鏡，使傳播過程中發(fā)散了的光束不斷地隔一定距離又重新再會聚一次，這樣將光波約束在管道內(nèi)進行傳播。至于光束的轉(zhuǎn)彎，則可用棱鏡或者反射鏡來實現(xiàn)。這種透鏡波導(dǎo)雖然能避免大氣的影響，損耗也較小，但畢竟體積大，不便于安裝和使用，因而未能得到實際推廣應(yīng)用。

將光波約束在波導(dǎo)內(nèi)進行傳播以避免大氣的影響，人們自然想到了光纖。光纖也是一種波導(dǎo)，它和透鏡波導(dǎo)的不同在于傳輸介質(zhì)不是空氣而是玻璃，光纖將光波束縛在光纖芯內(nèi)進行傳播。但是在1970年以前，即使使用一般人看來非常透明的光學(xué)玻璃材料制作的光纖，其損耗都非常大，一般是每公里上千分貝甚至更高，根本無法在光通信中使用。光學(xué)玻璃材料的損耗是以厘米為單位計算的，當(dāng)時使用這種光學(xué)玻璃材料制作的光纖，長度一般最多都只有幾米長，對這樣大的損耗還是能夠容許的。由于材料對光的衰減是和長度或厚度成指數(shù)關(guān)系的，以往用所謂非常透明的光學(xué)玻璃所制作的各種光學(xué)元器件，厚度最多只有1～2cm，所以損耗不是主要的嚴(yán)重的問題。雖然光學(xué)玻璃看來已經(jīng)相當(dāng)“透明”，但是到了上千米的長度，情況就變得非常嚴(yán)重以致到達無法容忍的程度。經(jīng)過理論和實驗分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時光纖損耗高的主要原因是由于雜質(zhì)、OH離子以及一些過渡元素等產(chǎn)生的對光的吸收造成的。1966年，英國科學(xué)家Kao等預(yù)言，光纖損耗降低到20dB／km是可能的。若達到這一指標(biāo)，光纖通信將是可能實現(xiàn)的。1970年，美國Corning公司第一次宣布它所研制的高純硅酸鹽玻璃單模光纖的損耗已小于20dB／km，從而打開了光纖通信走向?qū)嵱没拇箝T，使光纖通信迅速地發(fā)展起來。幾年之后，光纖損耗不斷迅速下降，達到1dB／km甚至更低。

光纖通信的發(fā)展和與之相關(guān)的關(guān)鍵元器件的發(fā)展是緊密相聯(lián)的。作為傳輸介質(zhì)的光纖，當(dāng)然是其中最關(guān)鍵的元器件之一，但除此之外，光源和光電探測器也是光纖通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件。光纖通信是一門綜合技術(shù)，沒有光源和光電探測器的進步也是不可能的。在20世紀(jì)50年代末和60年代，固體技術(shù)、半導(dǎo)體材料和工藝技術(shù)等得到了迅速的發(fā)展。作為可見光和近紅外波段的半導(dǎo)體硅光電探測器的工藝水平已經(jīng)相當(dāng)成熟，包括Si－PIN和Si＝APD（硅雪崩光電二極管）。因此，作為光纖通信系統(tǒng)來說，完全可以借用，不存在重大問題。但是作為光纖通信系統(tǒng)中的光源—半導(dǎo)體激光器來說，仍然是除了光纖以外的另一個大障礙。雖然半導(dǎo)體激光器已經(jīng)于1962年問世，但開始它只能在低溫液氮下以脈沖方式工作，閾值高，壽命短。值得慶幸的是，由于采用所謂異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)這一關(guān)鍵工藝技術(shù)，使得半導(dǎo)體激光器閾值迅速下降．并開始能在室溫工作。特別是在1970年，由于采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，使得GaAs／GaAlAs半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)了室溫連續(xù)運轉(zhuǎn)工作，為光纖通信走向?qū)嵱没诠庠捶矫娴於嘶A(chǔ)。所謂“雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)”，是指在具有較寬能帶間隙的N型和P型半導(dǎo)體材料之間，夾一層能帶間隙較窄的半導(dǎo)體材料作為有源層，形成勢阱，將載流子限制在這一勢阱內(nèi)以有利于形成激光振蕩。雖然半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)了室溫連續(xù)運轉(zhuǎn)，但開始工作壽命還很短，只能工作一兩小時。要使光纖通信真正走向?qū)嵱没?，半?dǎo)體激光器的工作壽命必須在百萬小時以上。又經(jīng)過近十年的努力，在20世紀(jì)70年代末，這一目標(biāo)終于實現(xiàn)了。光纖通信才完全走上實用化、商業(yè)化的軌道。

半導(dǎo)體激光器有許多優(yōu)點，如它的調(diào)制速度高、譜線窄、發(fā)散角小、易于和光纖耦合等，因此特別適合于在長距離光纖通信系統(tǒng)中使用。但是半導(dǎo)體激光器并不是光纖通信系統(tǒng)中使用的唯一的光源。對于中、短距離的光纖通信系統(tǒng)，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）同樣也是一種很好的光源，半導(dǎo)體發(fā)光二極管的最大優(yōu)點是壽命長、價格低、線性好。在光纖通信系統(tǒng)中究竟是使用半導(dǎo)體激光器，還是使用半導(dǎo)體發(fā)光二極管，要根據(jù)系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)來考慮，以獲得最佳的價格／性能比。

光纖通信最初的工作波段是在0．85μm附近，使用的光源是GaAs／GaAlAs半導(dǎo)體器件，探測器是硅半導(dǎo)體器件。后來發(fā)現(xiàn)在1．3μm附近，光纖的損耗和色散都更低，特別是在1．32μm附近，是光纖的零色散點；而在1．55μm附近，是光纖的最低損耗點。因此，光纖通信自然而然地向1．3μm～1．55μm的長波長方向發(fā)展。同時，這也促進和推動光源和光電探測器向1．3μm～1．55μm的長波長方向發(fā)展。于是，出現(xiàn)了InGaAsP／InP，四元化合物的長波長半導(dǎo)體激光器件和半導(dǎo)體光電探測器件以及Ge半導(dǎo)體光電探測器件的發(fā)展。

綜上所述，光纖通信的發(fā)展經(jīng)歷了從20世紀(jì)60年代的準(zhǔn)備階段，70年代的實驗和試用階段，80年代的實際商業(yè)運行階段發(fā)展到了90年代的世界范圍大規(guī)模使用階段的發(fā)展過程。

二、光通信的概念及系統(tǒng)的基本組成

圖31　電磁波頻譜圖

所謂通信，就是互通信息，互相傳遞信息。信息的含義很廣，聲音是信息，圖像是信息，數(shù)據(jù)也是信息。因此，通信不僅是打電話，傳電視、傳數(shù)據(jù)也是通信。通信的基本目的是將信息盡可能不失真地從一個用戶傳遞給另一個用戶，或者反過來進行傳送。而光通信，顧名思義，就是利用光波來進行通信。光通信是相對于電通信而言的。以往的電通信，包括有線電通信和無線電通信，是利用電磁波來進行通信的。當(dāng)然，光波也是一種電磁波，只不過它的頻率更高，波長更短。圖31是電磁波頻譜圖。由圖中可以看出，光波只占整個電磁波頻譜中的一部分。我們現(xiàn)在所說的光通信中的光波，不是狹義上的只為肉眼所能看見的可見光，而是廣義上的包括紅外線在內(nèi)的整個部分。整個電通信的發(fā)展過程，是從長波到短波，從低頻到高頻，即從低頻無線電波到高頻微波的發(fā)展過程。從圖31可以看出，光波，包括紅外線，它們的波長比微波更短，頻率比微波更高，因此，從電通信中的微波通信向光通信方向發(fā)展，是一種自然的，也是必然的趨勢。

光通信是利用光波來進行通信，光通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)框圖如圖32所示：在A端將各個從用戶來的信息，包括電報、電話、傳真、圖表文字、圖像、電視、可視電話、數(shù)據(jù)等各種信息，以電信號的形式送到電終端，電終端將所有這些電信號信息組合起來變成復(fù)合電信號。這種組合過程又稱為復(fù)用。然后，這種復(fù)合電信號再送到光終端中去調(diào)制，使這些電信號變成光信號，以光信號的形式進入傳輸介質(zhì)進行傳送。傳輸介質(zhì)可以是大氣或真空，也可以是光纖或光波導(dǎo)。由于光信號經(jīng)過一定距離傳輸后不可避免地會受到各種衰減，光信號將變得越來越弱；同時，由于傳輸路徑上的各種干擾，還會引起信號失真。需要中繼器對被衰減并產(chǎn)生失真的光信號進行放大、整形，然后再進行傳輸。中繼器就象加油站一樣，使接力賽跑的接力棒一次一次地往下傳。中繼方式有光—電—光方式和光—光方式兩種。在光—電—光方式中，首先需要將光信號變成電信號，然后對電信號進行放大整形，最后再用放大整形后的電信號去驅(qū)動光源而得到新的幅度較強、波形較好的光信號，再進行下一級傳送。光—光方式是直接將光信號進行光放大，而無須先將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。近年來迅速發(fā)展起來的摻鉺光纖放大器，就可以用于光—光中繼方式。當(dāng)光信號傳送到B端以后，首先進入B端的光終端，在光終端中將光信號解調(diào)出來變成電信號，經(jīng)過放大整形后再送到電終端進行解復(fù)用，同時還將對信號進行交換，使其正確無誤地到達指定的用戶；反過來，信息由B端傳送到A端，是完全類似的相反的過程。當(dāng)然，實際的光通信系統(tǒng)比這復(fù)雜得多，但基本組成是沒有多大變化的。

圖32　光通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)框圖

從光通信系統(tǒng)的基本組成可以看出，雖然光波是屬于整個電磁波頻譜中的一部分，但光通信畢竟和一般的電通信不同，其主要差別在于光終端和傳輸介質(zhì)，即在光終端中使用的光源、光電探測器和其它一些光學(xué)元件，而傳給介質(zhì)使用的是由光纖構(gòu)成的光纜，不是一般的電纜等。

由于光通信和一般的電通信主要差別在于光終端和傳輸介質(zhì)，即在光終端中使用的光源、光電探測器和其它一些光學(xué)元件以及光纖等，因此，下面用圖33來進一步說明光信號的處理和傳遞過程：待傳送的信號經(jīng)過編碼器編碼后加到調(diào)制器上去調(diào)制光源發(fā)出的光，被調(diào)制后的光由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)送出去。因為光波也是一種電磁波，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)所起的作用和無線電發(fā)射天線所起的作用完全相同，因此，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)又稱發(fā)射天線。由發(fā)射天線發(fā)送出去的光信號經(jīng)過傳輸介質(zhì)，如大氣、光纖等，到達接收端。在接收端，由接收光學(xué)系統(tǒng)或接收天線將光聚焦到光電探測器上，光電探測器的作用是將光信號轉(zhuǎn)變成電信號。由于光信號經(jīng)過長距離傳輸后會衰減和失真，因此需先用前置放大器將其放大整形，然后送解碼器進行解碼，最后由終端顯示器，如電話、傳真機、電視等將原始信號顯示出來。

圖33　光信號的處理和傳遞過程

三、光通信系統(tǒng)的分類

光通信系統(tǒng)可以按不同的方式來進行分類。

若按傳輸介質(zhì)來進行分類，可分為大氣光通信系統(tǒng)和光纖通信系統(tǒng)。大氣光通信系統(tǒng)是屬于無線通信系統(tǒng)，它的傳輸介質(zhì)是大氣或真空。由于地球表面大氣層對光衰減很嚴(yán)重，因此地面大氣光通信的發(fā)展受到限制。但是今后衛(wèi)星之間的光通信，即空間或深空光通信系統(tǒng)，仍然是非常有前途的。因為在宇宙空間中，傳輸介質(zhì)幾乎是真空，沒有大氣干擾和衰減的問題。光纖通信系統(tǒng)是屬于有線通信系統(tǒng)，它的傳輸介質(zhì)是光纖。

若按調(diào)制方式來進行分類，可分為模擬光通信系統(tǒng)和數(shù)字光通信系統(tǒng)。模擬光通信系統(tǒng)傳送的是模擬信號，數(shù)字光通信系統(tǒng)傳送的是數(shù)字信號。所謂模擬信號，是指在幅度上和時間上都是連續(xù)變化的信號；所謂數(shù)字信號，是指在幅度上和時間上都是不連續(xù)變化的、離散的信號。對于一般的脈沖信號，雖然它在時間上是間斷的、不連續(xù)的，但它在幅度或?qū)挾壬先允沁B續(xù)變化的，我們一般也認(rèn)為它們是模擬信號而不是數(shù)字信號。因此，不能將脈沖調(diào)制方式一律看作是數(shù)字調(diào)制方式，不能將兩者簡單地等同起來。但是，數(shù)字調(diào)制方式必然是脈沖調(diào)制的。模擬調(diào)制方式有許多類型，如強度調(diào)制（IM）、幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制（FM）、相位調(diào)制（PM）、脈位調(diào)制（PPM）、脈寬調(diào)制（PWM或PDM）、脈幅調(diào)制（PAM）、脈沖頻率調(diào)制或脈沖數(shù)調(diào)制（PFM或PNM）等等。數(shù)字調(diào)制方式主要有脈沖編碼調(diào)制（PCM）、差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）、增量調(diào)制（△M）等。由于數(shù)字通信系統(tǒng)所占的帶寬比較寬，而帶寬非常寬又是光纖的主要優(yōu)點之一，因此，光纖通信系統(tǒng)特別適合于采用數(shù)字調(diào)制方式的數(shù)字通信系統(tǒng)，光纖通信的發(fā)展極大地促進和推動了數(shù)字通信的發(fā)展。雖然光纖通信和數(shù)字通信兩者是密切相關(guān)的，但光纖通信和數(shù)字通信畢竟是兩個不同的概念，兩個不同的范疇，不能將兩者等同起來，混為一談。

若按信號的復(fù)用方式來進行分類，可分為頻分復(fù)用系統(tǒng)（FDM）、時分復(fù)用系統(tǒng)（TDM）、波分復(fù)用系統(tǒng)（WDM）和空分復(fù)用系統(tǒng)（SDM）。所謂頻分、時分、波分和空分復(fù)用，是指按頻率、時間、波長和空間來進行分割的光通信系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)說，頻率和波長是緊密相關(guān)的，頻分也即是波分，但在光纖通信系統(tǒng)中，由于波分復(fù)用系統(tǒng)分離波長是采用光學(xué)分光元件，它不同于電通信中一般采用的濾波器，所以許多人仍將兩者分成兩個不同的系統(tǒng)。

若按光電探測方式來進行分類，可分為直接探測光通信系統(tǒng)和相干探測光通信系統(tǒng)。直接探測是將光作為粒子，即光子來處理的；而相干探測則是將光作為波，即光波來處理的。

若按傳輸距離的長短來進行分類，可分為長距離干線光纖通信系統(tǒng)、中短距離局間光纖通信系統(tǒng)和短距離用戶光纖通信系統(tǒng)。長距離干線光纖通信系統(tǒng)一般是幾百公里、上千公里、甚至幾千公里陸地或跨洋海底光纖通信系統(tǒng)。局間光纖通信系統(tǒng)一般只有幾公里或幾十公里。隨著光纖光纜成本的下降，光纜甚至可以直接到用戶，這種超短距離使用的用戶光纖通信系統(tǒng)一般只有幾十米到幾百米，同時這種超短距離使用的光纖通信系統(tǒng)在光纖傳感通信方面也是有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景的。

四、光纖通信的特點

光通信和普通的電通信相比，有許多獨特的優(yōu)點：

1．光通信使用光載波的信息容量特別大

我們曾經(jīng)指出，光波和一般電磁波相比，它的頻率更高，波長更短。例如，對于波長λ為0．6μm的紅光，其頻率高達5×10¹³Hz。而一般電磁波的頻率為3×10⁵Hz～3×10⁸Hz，即使電磁波中波長更短的微波，其頻率也僅為10¹⁰Hz。我們知道，在載波通信中，如果載波的頻率越高，則它的信息容量就越大?；蛘吆唵蔚卣f，它容許通話的路數(shù)就越多。如果用光波作載波，由于光波的頻率很高，所以它的信息容量就非常巨大。我們可以這樣簡單來估算一下光通信中光載波的信息容量：一個標(biāo)準(zhǔn)電話話路所占的頻帶寬度為3kHz，即帶寬△f為3×10³Hz，而光載波的頻率為5×10¹³Hz。因此，從理論上講，對于頻分復(fù)用（FDM）光通信系統(tǒng)，它能容許的最多的通信話路的路數(shù)N＝f／△f＝5×10¹³／3×10³＝1．25×10¹¹。即可以通1250億路電話。若用它來傳電視，因一路電視的帶寬△f為6×10⁶Hz，即6MHz，通過同樣簡單的計算可以知道，它可以傳送10⁸路，即1億路電視。這幾乎是令人難以置信的神仙數(shù)字。這是激光剛一問世就令科學(xué)家們歡欣鼓舞的重要原因之一。但這只是理想的情形，事實上由于許多技術(shù)上的困難，是不可能達到這樣高的信息容量的。不過無論如何，信息容量大的確是光通信的一個非常突出的優(yōu)點。

2．光纖通信中光纖的帶寬寬，傳輸數(shù)據(jù)速率高

光通信系統(tǒng)中，除了要求使用的光載波的信息容量大而外，還需傳輸介質(zhì)的頻帶寬度也要寬，否則信息容量就會受到信道傳輸介質(zhì)的頻帶寬度的限制。在光纖通信中，傳輸介質(zhì)是光纖。光纖的特點之一就是它的帶寬非常寬，可達幾千兆赫茲乃至更高，比一般的通信電纜的頻帶寬度要寬得多。所謂信道傳輸介質(zhì)的頻帶寬度，可以通俗形象地將它比作公路的路面寬度。公路的路面寬，自然允許通過的車流量就大。正因為如此，現(xiàn)在有人將光纖通信系統(tǒng)比喻為信息高速公路，在這種信息高速公路上，不僅允許通過的“車”流量，即信息容量大，而且允許許多占“公路”的路面很寬的“大車”，即占頻帶寬度很寬的信號通過。比如在前面所舉的例子中，一個標(biāo)準(zhǔn)電話話路所占的頻帶寬度為3kHz，即帶寬△f為3×10³Hz，它只相當(dāng)于一輛自行車所占的公路的路面寬度，而一路電視的帶寬△f為6×10⁶Hz，即6MHz，它將占用1500路（6×10⁶Hz／3×10³Hz）電話話路所占的頻帶寬度。簡直象是一輛特大的卡車，它所占路面寬度相當(dāng)于1500輛自行車所占路面寬度。盡管如此，由于光纖的帶寬非常寬，即使對這樣占頻帶很寬的信號，它也是不在乎的。另外，正是由于光纖的帶寬非常寬，所以它還特別適合于進行數(shù)字通信。數(shù)字通信具有中繼過程中噪聲不累加、噪聲可以壓制到任意小等優(yōu)點，是一種先進的通信方式。但是數(shù)字通信所占傳輸信道的帶寬較寬，也就是說，它的優(yōu)點是以犧牲信道帶寬為代價的。由于光纖帶寬很寬，因此它完全能夠承受這種犧牲。在數(shù)字通信中，是以每秒能傳輸?shù)谋忍兀╞it）數(shù)，即0或1的個數(shù)，來表示它的信息流最或信息容量的。很明顯，每秒能傳輸?shù)谋忍財?shù)越高，0或1所占的時間間隔就越小，或者簡單地說，它要求信號脈沖越窄。而信號脈沖越窄，它所占的信道的帶寬就越寬。由于光纖的帶寬非常寬，所以它允許將光脈沖信號壓縮得很窄。在光纖數(shù)字通信中，它允許每秒傳送的比特數(shù)非常高，可達上千兆比特。換句話說，光纖傳送的數(shù)據(jù)速率（每秒比特數(shù)）很高。需要說明的是，光纖傳送的數(shù)據(jù)速率高和光的傳播速度快是兩個概念。光的傳播速度和電磁波的傳播速度是一樣的，不存在所謂快和慢的問題，在介質(zhì)中它們的速度都為c／n，其中n介質(zhì)的折射率。有人把傳送速度快看作是光纖通信的優(yōu)點，這實際上是一種誤解。光纖的折射率n一般約為1．5，即傳播速度約每微秒200m，這幾乎是恒定的值。而光纖的數(shù)據(jù)傳送速率則是以每秒能傳輸?shù)谋忍財?shù)來表示的。

3．光纖損耗低，中繼距離長

由于傳輸介質(zhì)對光的吸收和散射，光纖總有一定的損耗存在，使光信號通過光纖后變得越來越弱。由于技術(shù)和制作工藝的進步，目前已使光纖損耗降至很低，每公里僅零點幾乃至零點零幾分貝（dB）。因此，光纖通信系統(tǒng)的中繼距離可以非常長，一般幾十公里乃至上百公里才需中繼放大一次。這是電纜根本無法與之相比的。一般電纜的損耗是以百米為單位來計算的，每百米幾分貝甚至十幾分貝。在電纜通信系統(tǒng)中，中繼距離僅一兩公里。所以光纖通信特別適合于長距離干線通信，包括跨洋海底通信。由于目前光纖的損耗降得越來越低，以至于光纖的損耗已不再是阻礙中繼距離加長的主要和關(guān)鍵因素，因此，許多中繼距離受光纖損耗限制的光纖通信系統(tǒng)，現(xiàn)已變成受光纖帶寬限制的光纖通信系統(tǒng)了。因為受光纖帶寬限制，光脈沖會變寬。當(dāng)傳送數(shù)據(jù)速率高時，脈沖之間間隔很小，若在傳輸過程中因為受光纖帶寬的限制而使脈沖寬度變寬，會導(dǎo)致前后脈沖無法分辨。在這種情況下，即便光纖損耗再低，到達終點的脈沖幅度再大，也是無法分辨的。這就是受光纖帶寬所限制的光纖通信系統(tǒng)。因此，為了增大中繼距離，降低光纖損耗和擴展光纖帶寬，兩者是缺一不可的。

4．光纖通信的保密性好，不易被竊聽

由于在傳輸過程中光纖是將光信號束縛在光纖芯內(nèi)傳播的，光信號向外輻射、泄漏極小，光纖之間串音很小，在傳輸途中很難被竊聽，所以光纖通信保密性很好。這在國防、軍事、經(jīng)濟上都有重要意義。

5．光纖通信的抗電磁干擾能力強

一般的電磁輻射的頻譜，和光波的頻譜相距甚遠(yuǎn)，它不會疊加到光信號上或混入光信號中，也很難進入光纖芯內(nèi)影響光信號的傳送，而光電探測器又只對一定波段上的光頻信號才響應(yīng)，對一般的電磁波不響應(yīng)，因此，光纖通信抗電磁干擾能力很強。這使光纖通信系統(tǒng)特別適合于在有強烈電磁干擾的地區(qū)或場合中使用，諸如電力系統(tǒng)、電氣化鐵道中的通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)中使用。這一優(yōu)點是一般電纜通信無法比擬的。

6．光纖通信系統(tǒng)的絕緣性能好

由于光纖是由不導(dǎo)電的二氧化硅等材料制成，因此它的絕緣性能好。這使得光纖通信系統(tǒng)特別適合于在強電系統(tǒng)中使用。

7．在光纖通信系統(tǒng)中不存在接地和共地的問題

接地和共地的問題，在通信和電子儀器設(shè)備中，是非常重要而麻煩的問題。由于在光纖通信系統(tǒng)中不存在接地和共地的問題，這在兩端電位差較大而又無法共地的系統(tǒng)中，諸如在一些高壓電力測試、監(jiān)測系統(tǒng)中進行通信或傳感，是很有用的。

8．采用光纖通信系統(tǒng)有巨大的經(jīng)濟意義

光纖的主要材料是二氧化硅，二氧化硅在地球上資源十分豐富。而電纜主要材料是金屬銅，相比之下銅較稀少，價格較貴。因此，在光纖通信系統(tǒng)中使用光纖可節(jié)省大量的銅材。另外，因光纖通信系統(tǒng)信息容量很大，故平均每個話路的價格就比較便宜。所以采用光纖通信系統(tǒng)在經(jīng)濟價值上是非常有意義的。

9．光纖通信系統(tǒng)的化學(xué)穩(wěn)定性好，壽命長

由于光纖的主要材料是二氧化硅，所以它比以銅為材料的電纜抗化學(xué)腐蝕和氧化等性能強，特別適宜在有腐蝕的區(qū)域，如化工廠等地區(qū)使用。因此光纖通信系統(tǒng)的化學(xué)穩(wěn)定性好，壽命長。

10．光纖的尺寸小，重量輕

光纖的尺寸小，重量輕，因此光纖通信系統(tǒng)特別適合在一些空間有限的地方使用，如船艦、飛機、車輛、火箭、導(dǎo)彈等場合使用，這在國防軍事上有十分重要的意義。

光纖通信的優(yōu)點不可能一一列舉完，但僅從以上分析，已足以說明它是一種非常有前途的通信方式。事實上，近二十多年來，光纖通信已在全世界范圍得到迅速發(fā)展，已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

五、光纖通信的展望

在整個光纖通信的發(fā)展過程中，可將光纖通信的發(fā)展方向大致歸納為下面幾個方面：

1．光纖通信系統(tǒng)從小容量、中容量朝大容量或超大容量方向發(fā)展

開始是基群（2．038Mh／s），二次群（8．338Mb／s），三次群（33．368Mb／s）和四次群（139．263Mh／s），后來發(fā)展到280Mh／s，560Mb／s，現(xiàn)在發(fā)展到1．12Gb／s和2．23Gb／s乃至8Gb／s。更高傳輸速率的系統(tǒng)實驗也正在積極進行。傳輸速率越高，光脈沖越窄。于是要求光纖的帶寬越寬，光源的調(diào)制速度越高，光源的譜線寬度越窄，光電探測器的響應(yīng)也要越快。

2．光纖通信系統(tǒng)從多模光纖向單模光纖以及單模單偏振光纖即保偏光纖方向發(fā)展。

隨著光纖通信系統(tǒng)容量不斷增大，中繼距離不斷增長，不僅要求光纖的損耗要越來越低，而且要求光纖的色散也要越來越小。光纖的色散主要分為模間色散、材料色散和波導(dǎo)色散。模間色散是多模光纖中產(chǎn)生色散的主要因素。采用單模光纖就不存在模間色散的問題。對于單模光纖來說，特別有意義的是由于材料色散和波導(dǎo)色散可能相互抵消，而在1．32μm附近出現(xiàn)所謂光纖的“零色散點”。另外，研究表明，在1．55μm附近光纖的損耗比1．3μm附近還要低，因此又出現(xiàn)將零色散點從1．3μm向1．55μm方向移動的所謂色散飄移型光纖和兼顧色散和損耗兩者的所謂色散平滑型光纖。由于波長越短，散射損耗越大，因此為了減小瑞利散射所產(chǎn)生的固有損耗，光纖有可能向2μm～10μm的超長波段方向發(fā)展。對于這種超長波長的光纖，光纖的連接耦合問題也較容易解決。再有，隨著相干光通信的發(fā)展，要求光纖能保持光的偏振方向，保證相干探測效率。因此，保偏光纖也是一個重要研究方向。

3．光纖通信系統(tǒng)的中繼距離越來越長

光纖通信系統(tǒng)的中繼距離受光纖損耗和帶寬兩個因素的限制。因此，光纖通信系統(tǒng)分為受損耗限制的光纖通信系統(tǒng)和受帶寬限制的光纖通信系統(tǒng)。由于光纖損耗不斷降低，光纖帶寬不斷增寬，使得光纖通信系統(tǒng)的中繼距離越來越長，從十來公里一個中繼站發(fā)展到幾百公里一個中繼站。有人估計，若采用超長波長相干光通信系統(tǒng)，可實現(xiàn)跨洋無中繼通信。

4．光纖通信系統(tǒng)向波分復(fù)用系統(tǒng)方向發(fā)展

波分復(fù)用是光纖通信系統(tǒng)中的一種特殊的復(fù)用方式，采用波分復(fù)用可以充分利用光纖寬闊的低損耗區(qū)域，在不改變現(xiàn)有的已安裝好的光纖通信線路的基礎(chǔ)上，可以很容易成倍地提高系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)的容最。

5．光纖通信系統(tǒng)向相干光通信方向發(fā)展

目前大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)采用的都是直接探測方式，在相干光通信中將采用相干探測方式。相干探測方式的最大優(yōu)點是能提高光通信系統(tǒng)接收機的探測靈敏度。相干探測可分為自差法和外差法兩種。為了實現(xiàn)相干光通信，要求光源是相干性很好、譜線很純、頻率很穩(wěn)定的單頻激光器；光纖應(yīng)是單模單偏振的保偏光纖；還需要性能很好的光隔離器、偏振控制器等等。

6．光纖通信系統(tǒng)向全光通信方向發(fā)展

全光通信是指所有的信號都是用光學(xué)的方法來進行處理，不需要把它們變成電信號來進行處理。隨著光纖放大器的出現(xiàn)，中繼方式由光—電—光方式變?yōu)楣狻夥绞?，即在中繼器中不需要先用光電探測器將光信號解調(diào)成電信號來進行處理。

7．光纖通信系統(tǒng)向孤子光通信方向發(fā)展

隨著光纖損耗不斷下降，光信號幅度的衰減將越來越不成其為限制通信系統(tǒng)中繼距離的關(guān)鍵制約因素；相反，由于各種色散而造成的光脈沖在傳播過程中的脈沖展寬卻成為限制通信距離的關(guān)鍵因素。孤子是一種孤立波，它在傳播過程中沒有能量彌散，特別是超短激光脈沖，它通過光纖傳輸時將沒有任何色散而保持脈沖形狀不變，這在長距離光纖通信中是非常有吸引力的一種通信方式。

8．光纖通信系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)通信方向發(fā)展

有人將0．87μm短波長光纖通信系統(tǒng)稱為第一代光纖通信系統(tǒng)，將1．0pm波長光纖通信系統(tǒng)稱為第二代光纖通信系統(tǒng)，將1．55μm波長光纖通信系統(tǒng)稱為第三代光纖通信系統(tǒng)，將相干光光纖通信系統(tǒng)稱為第四代光纖通信系統(tǒng)，而將具有光纖放大器的全光通信光纖通信系統(tǒng)稱為第五代光纖通信系統(tǒng)，現(xiàn)在正向著第四、第五代實用化方向發(fā)展。

光纖通信正在蓬勃發(fā)展。我國幅員遼闊、人員眾多，需要交換的信息量極大，光纖通信具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，電話在家庭中已十分普及，我國急需鋪設(shè)大量的光纖通信系統(tǒng)這樣的高速信息公路，使我們迅速趕上世界先進水平，實現(xiàn)現(xiàn)代化。