现代光通信系统（信息主动脉）中的若干关键技术综述（二）
上期文章中，我们提及：以光纤（或光缆）为信息传输物理媒介的高速通信系统，承载了全球90%以上的数据业务，成为信息社会的“主动脉系统”；因此，在2010年的顶级光通信会议（OFC）高锟专场上，高锟先生（2009年获得诺贝尔物理学奖）强调“光纤通信没有退出历史舞台，这项技术至少还能应用1000年”，如下图所示。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/9e0bbbe55f3c47b485fe73e2a9282c86~tplv-tt-large.image?x-expires=1989712756&x-signature=IqO4gXA4o0XqszxeEKpcneztDtM%3D
图1. 2011年的顶级光通信会议（OFC）的高锟专场
上面PPT图片中的内容，不但于2010年在全球顶级光通信会议（OFC）的高锟专场上放映过一次，而且在2009年的诺贝尔奖颁奖典礼上放映过；足以证明“光传输于纤维的光学通信领域的突破性成就”（诺贝尔物理学奖的颁奖词）。
值得注意的是：在高锟先生获得的诺贝尔奖牌和证书中，左侧是艺术家Sture Berglund贡献的画作：其中绘制的是冬至时分瑞典最北端的波罗的海，画中海平面上的一线曙光比喻高锟先生创造性地指明光纤用于高速通信的伟大成就带动了科技发展。
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图2. 高锟先生获得的诺贝尔奖牌和证书
如上期文章所述，因为现代光通信系统中涉及到的关键技术非常之多，本期笔者想跟读者再讲述以下四个问题，供大家阅读、交流并思考~
一、光纤通信系统的应用优势到底是什么？
制备光纤的基础材料是二氧化硅（地球上沙子的主要成分），这种资源取之不尽；还有一些光纤可以由透明塑料或其他易于得到的材料制造，光纤和与之等效的电线相比要便宜得多（有一个比喻是：一根面条的价钱现在都比同样长度的一根光纤的价格高）。尤其是以传送每单位信息的成本作为比较的基础时，采用光纤的优势就非常明显了。例如，对于一个电话线路，应该比较每米每个话路的成本，而不是比较每米的成本。之所以要这样考虑，是因为光纤和金属电缆相比有更大的信息传输容量。对于长途线路，光缆传输比金属电缆传输更为便宜，铺设也更容易。这是因为光纤更细和更轻。光纤和光缆有着惊人的机械强度，而且十分柔软。在拐弯较多的传输路径中铺设线路时，光纤的柔韧性是很重要的特点。对于大半径的弯曲，光纤导引光的损耗几乎可以忽略。但是对于半径很小的弯曲，会存在一些附加损耗。如果对光纤采取适当的保护措施，例如用塑料覆层包裹，要将光缆弯曲到足以使光纤断裂的小半径就很困难。置于光缆中的光纤是不容易断裂的。低传输损耗光纤的制造技术巳经完全成熟。当工作波长在 0.82µm附近时，依旧以 4dB/km 作为商用玻璃光纤衰减的典型值，当做光纤系统设计的依据。由于低损耗光纤的使用，从而使建设长距离的通信线路成为可能；较大的传输间隔，可以放置放大器来放大微弱信号。下图所示为各类电信级通信光缆及其架设简图。
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图3. 各类电信级通信光缆及其架设简图
对于高频应用而言，与光纤通信系统相比，电缆传输系统的线路长度和放大器之间的间隔距离要小得多。无论对于数字形式的信息还是模拟形式的信息，光纤都具有巨大的传输能力，足以满足绝大多数的数据传输需求。
光纤、玻璃或塑料都是绝缘体，所以无论是自身发送信号还是外部电磁辐射都不会在光纤中产生电流。另外，光纤中的信号限制在纤芯内，所以在传输过程中没有泄漏，也就不会干扰其他光纤中的信号。反过来说，也就是从光纤的外侧不能将光耦合进光纤中。由此可以得出结论，光纤能很好地防护来自其他通信信道的干扰和耦合，无论是电还是光形式的信号。光纤有极好的抗射频干扰(RFI, radio-frequency interference)和抗电磁干扰 (EMI, electromagnetic interference)能力 。其中，RFI是指由无线电广播、 电视台、 雷达或源自其他电子设备引起的干扰；EMI包括辐射源，以及那些由自然现象（例如闪电）或非人为因素（比如电火花）引起的干扰。光纤有极为优秀的抗背景噪声的能力。光纤所具有的将自身与其周围环境相隔离的能力，允许我们将多根光纤置于同一光缆中，从而实现在同一路由中多信息信道传输，而且不发生相互串扰。光纤是绝缘体，所以不会接收或传播由核爆炸引起的电磁脉冲(EMP, electromagnetic pulse), 核电磁脉冲在导电传输线上可能产生上百万伏的脉冲电压。这种电压脉冲可以随电线传输得相当远，并且由于其强度极高，会导致击毁其路径末端的电子设备。
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图4. 光纤有极好的抗射频干扰和抗电磁干扰能力
光纤传输在一定程度上可以保证通信的安全性和私密性。因为光纤不向周围空间辐射能量，所以入侵者很难检测到光纤中传输的信号。要想得到光纤中的信号，必须与光纤发生物理接触。例如将光纤折断或是在发送光纤中接入一根新的光纤，这样能分出部分光束。如果对线路进行如此大的改变，则到达接收机的光功率会明显降低。灵敏的接收机可以检测到这个附加的损耗，并立即发出有入侵发生的报警信息。为了提高检测的成功率，必须不间断地监视传输系统。通信系统中，将信息馈送到信道以前或者到达接收终端以后，都要对其进行必要的处理；光通信系统中的信息处理过程与之相似。由于这种相似特性，只要做一些适当的改变，就可以将光纤并入到已经铺设好的电缆传输系统中。
二、什么是光纤色散？光纤色散主要有几种类型？其对光纤通信系统有何影响？
由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分在传输过程中，因为群速度不同相互散开，将引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。从理论上来讲，光纤色散分为材料色散、波导色散、模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种不是单一模式所引起。光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。
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图5. 光纤色散导致信号脉冲展宽
三、光纤通信外差探测系统的优点主要有哪些？实现外差探测要注意什么？
光纤通信外差探测系统如下图所示。外差探测的优点主要包括：使得对光纤通信系统的频率调制应用成为可能。外差接收机的灵敏度比直接检测接收机的灵敏度高得多，灵敏度更高的接收机能提供更好的接收信号质量和更长的无中继传输距离。即使需要中继，采用高灵敏度的外差接收机，可以使中继器之间的间隔距离比采用直接检测接收机要长得多。
外差系统的优点是用提高设备的复杂性和更高的成本换来的。首先，半导体激光器必须是单模器件。发射光源和本地振荡的半导体激光器必须采用频率稳定措施，以保证中频频率不发生漂移。 另外，信号光束和本地振荡器的光束对准（在混频器中）也是十分重要的，两个波的波前必须相同而且重合；同时，两束光的光斑尺寸、偏振方向和传播方向也必须相同。
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图6. 光纤通信外差探测系统
四、1.55µm发射波长的 InGaAsP DFB半导体激光器的光栅周期（InGaAsP材料的折射率是3.51）是多少呢？
InGaAsP材料的折射率是3.51 ，取等效折射率为 3.5, 并假设衍射模式级数是 1(m = 1)，光栅周期为：1.55/(2 x 3.5) = 0.22 µm；对于m=2的衍射模式，光栅周期为0.44µm。
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图7. DFB半导体激光器
以上内容供大家平时学习研究和实践应用时参考，本来还有许多要讲的，例如“光通信系统的非线性负面效应有哪些”等等，留待以后有机会再与大家分享所思所得，兼虑时间有限，晚上写作又有点犯困，谢谢大家理解，今后继续….
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