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光通信基础
光通信基础是指利用光作为传输介质进行通信的技术。
光通信作为一种高速、高带宽、低延迟的通信方式，已经成为现代通信领域的重要组成部分。
本文将从光通信基础的原理、应用和未来发展等方面进行探讨。
光通信的基础原理是利用光纤作为介质传输信息。
光纤是一种细长的玻璃纤维，能够将光信号沿着其传输，具有低损耗、高带宽、抗干扰等优点。
光通信系统一般包括光源、调制器、光纤、接收器等部分。
光源可以是激光器或LED 灯等，通过调制器将电信号转换成光信号，经过光纤传输到接收器，再将光信号转换为电信号进行解码。
这样就实现了信息的传输。
光通信在各个领域都有广泛的应用。
在通信领域，光通信可以实现高速、高带宽的数据传输，适用于互联网、移动通信等场景。
在医疗领域，光纤传感技术可以实现对人体内部的观测和检测，用于医学诊断和治疗。
在军事领域，光通信可以实现安全、抗干扰的通信，保障国家安全。
在工业领域，光通信可以实现工业自动化和智能制造，提高生产效率和质量。
未来，随着5G、物联网、人工智能等技术的发展，光通信将迎来更广阔的发展空间。
未来的光通信系统将更加智能化、高效化，能够适应复杂多变的通信环境。
同时，光通信的成本也将进一步降低，普及范围将更广。
总的来说，光通信基础是现代通信领域不可或缺的一部分。
其高速、高带宽、低延迟等优点使其在各个领域都有广泛的应用前景。
随着技术的不断进步和发展，光通信将为人类社会带来更多的便利和发展机遇。
希望在未来的发展中，光通信技术能够更好地服务于人类社会的发展和进步。
一、光纤通信的基本知识（一）光纤通信的概念1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。
结果使观众们大吃一惊。
人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。
这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是由于全反射的作用，由于水等介质密度由于比周围的物质（如空气）大，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。
表面上看，光好像在水流中弯曲前进。
后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。
由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。
（视频）光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。
（视频）（二）光纤通信的发展光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。
采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信。
中国光纤通信已进入实用阶段。
（三）光纤通信的优缺点1、光纤通信的优点现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信，而其中光纤通信是主体，这是因为光纤通信本身具有许多突出的优点：①频带宽，通信容量大。
光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输30000多路电话。
频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要。
光纤通信的基本概念光导纤维，是一种介质光波导，能把光封闭其中并且使光沿轴向进行传播的导波结构。
由石英玻璃、合成树脂等材料制成的极细的纤维。
单模光纤：纤芯8-10um、包层125um多模光纤：纤芯51um、包层125um利用光导纤维传输光信号的通信方式称为光纤通信。
光波属于电磁波的范畴。
可见光的波长范围是390-760nm，大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。
光波的工作窗口（三个通信窗）：光纤通信中应用的波长范围是在近红外区短波长区（可见光，肉眼看是一种橘黄色的光）850nm橘黄色的光长波长区（不可见光区）1310nm（理论上的色散最小点）、1550nm （理论上的衰减最小点）光纤的结构与分类1. 光纤的结构理想的光纤结构：纤芯、包层、涂覆层、护套构成。
纤芯和包层用石英材料制作，机械性能比较脆弱，容易断，故一般会加两层涂覆层，一层树脂型、一层尼龙型，使得光纤柔性性能达到工程实际运用的要求。
2.光纤的分类（1）光纤按照光纤横截面的折射率分布划分：分为阶跃型光纤（均匀光纤）和渐变型光纤（非均匀光纤）。
假设，纤芯折射率为n1，包层折射率为n2为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤的必要条件是n1>n2均匀光纤的折射率分布是个常数非均匀光纤的折射率分布规律：其中，△——相对折射率差α——折射指数，α=∞——阶跃型折射率分布光纤，α=2——平方律折射率分布光纤（一种渐变型光纤）这种光纤比起其他渐变型光纤，模式色散最小最优（2）按纤芯中所传输的模式数量来划分：分为多模光纤和单模光纤这里的模式是指：在光纤中所传输的光线的一种电磁场的分布，不同的场分布就是一种不同的模式。
单模（光纤中只传输一种模式）、多模（光纤中同时传输多种模式）目前由于对传输的速率要求越来越高、传输的数量要求越来越多，城域网向高速大容量方向发展，所以采用的多是单模阶跃型光纤。
（本身传输特性优于多模光纤）（3）光纤的特性：①光纤的损耗特性：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降。
光纤通信原理及基础知识光纤通信是一种利用光信号传输信息的通信技术。
它基于光波在光纤中的传输，具有高带宽、低损耗、抗干扰等优点，因此在现代通信领域得到广泛应用。
下面将介绍光纤通信的原理和一些基础知识。
1.光纤通信原理光纤通信的原理基于光的全内反射。
光纤是由一个或多个折射率不同的材料构成，光信号通过光纤中的光核进行传输。
当光信号从一个折射率较高的材料传到折射率较低的材料时，会发生全内反射，光信号会在光纤中沿着光核一直传输。
光纤通信系统主要包括光源、光纤和光接收器三个部分。
光源产生光信号并将其注入光纤中，光纤将光信号传输到目标位置，光接收器将光信号转化为电信号进行处理。
这样就完成了光纤通信的整个过程。
2.光纤类型根据应用场景和使用材料的不同，光纤可以分为多种类型。
常见的光纤类型有单模光纤和多模光纤。
单模光纤（Single-Mode Fiber，SMF）是一种具有较小光纤芯径的光纤，适用于远距离传输。
它可以在光纤中传输一个光模式，具有较低的传输损耗和较小的色散效应。
单模光纤主要用于长距离通信和数据传输。
多模光纤（Multi-Mode Fiber，MMF）是一种具有较大光纤芯径的光纤，适用于短距离传输。
多模光纤可以在光纤中传输多个光模式，但由于折射率不同，不同光模式的传输速度会有差异。
多模光纤主要用于局域网、数据中心等短距离通信场景。
3.光纤连接方式光纤连接主要有两种方式：直连和连接器。
直连是将两根光纤通过激光焊接技术直接连接起来。
直连具有较低的插损和回波损耗，但连接时需要专业操作，一旦连接失败将无法更换。
连接器是将光纤端面抛光并用连接器将两根光纤连接在一起。
连接器具有灵活性，连接和更换方便，但具有一定的插损和回波损耗。
4.光纤通信的关键参数光纤通信中，有几个重要的参数需要关注。
带宽是指光纤传输信号的频率范围。
带宽越大，传输速率越高。
损耗是光信号在光纤中传输时丢失的能量。
损耗越小，信号传输的距离越远。
色散是指光信号在光纤中传输时信号传播速度与光波长之间的关系。
一， 光纤通信基础1-光纤裸纤一般分为三层：纤芯，包层和保护套2-光纤分类：按最佳传输频率窗口:常规型单模光纤和色散位移型单模光纤按材料分类：- 玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；- 胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；- 塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。
多用于家电、音响，以及短距的图像传输。
3-光缆接续一般可分为两大类：一、光纤的固定接续（俗称死接头）。
一般采用光纤熔接机；用于光缆直接头。
二、光纤的活动接头（俗称活接头）。
用能够拆卸的连接器连接（俗称活接头）。
用于光纤跳线、设备连接等地方4-光纤连接损耗的监测方法有三种：1、在熔接机上进行监测。
2、光源、光功率计监测。
3、OTDR测量法5-光纤接续操作一般分为：1、光纤端面的处理。
2、光纤的接续安装。
3、光纤的熔接。
4、光纤接头的保护。
5、余纤的盘留五个步骤。
1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/Km1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km850 nm : 2.3 ~ 3.4 dB/Km光纤熔接点损耗：0.08dB/点光纤熔接点 1点/2km6---基本光纤系统的构架及其功能介绍：1.发送单元：把电信号转换成光信号；2.传输单元：载送光信号的介质；3.接收单元：接收光信号并转换成电信号；4.连接器件：连接光纤到光源、光检测以及其它光纤。
7--光纤通信中常用单位的定义：1. dB = 10 log10 ( Pout / Pin )=10lgPout-10lgPinPout :输出功率 ; Pin :输入功率2. dBm = 10 log10 ( P / 1mw)是通信工程中广泛使用的单位；通常表示以1毫瓦为参考的光功率；example: -10dBm表示光功率等于100uw。
3. dBu = 10 log10 ( P / 1uw)8-光纤收发器。
光纤通讯基础简介(上)一、光通讯简介1、使用光通讯技术的优点︰它是以光当作载波，透过光纤当传输介质将信息传递至远方。
若以铜质同轴电缆与光纤作一比较，同轴电缆是搭配电磁波以数百MHz至数个GHz频率，以模拟的方式来传递信息，但其载波频率会受到20GHz理论值的限制；若以长距离光纤通讯而言，光的载波频率可达193,000GHz。
而传输信息的频宽取决于载波频率，因此，若同轴缆线最大上限可以传输两个10GHz的频道，理论上，光纤则可以传输数以千计的10GHz的频道。
此外，光纤质轻直径小，在光缆铺设过程中可以节省空间，加上在传输的过程中的衰减比铜质导线低，以单模光纤而言，每公里衰减约为0.2~0.5dB，且对于光讯号在光纤传输过程中，对于电磁波的干扰较不敏感，因此适合高容量及长距离通讯。
2、应用的层次︰光通讯主要应用在电信网络、有线电视及数据传输方面，而电信方面的应用是最早的，例如越洋的通信，因其高容量及可靠度的优点，并可以在长距离(600km以上需要中继器，最大可达9000km)传输时载上数以万计的通话信号，因而有效的提升通话负载量及品质的问题。
有线电视方面，因所需求的频宽较高，每个频道的所需的影像频宽约为6MHz(声音频道约为8KHz)，以光纤传递模拟影像讯号，可以达到一百个以上的频道，其中包括声音、影像及互动的数据传输。
而数据通信(Datacommunication)上面，则是现在最热门的话题，随着信息时代的来临，网际网络需要大量的频宽来传递多媒体的信息，从短距离(1~500m)的Gigabit网络卡、LAN，到中距离(1~20km)的MAN以至于长距离(60~600km以上)的越洋光缆都需要光纤的大容量来解决频宽不足的问题，近年来，因网际网络Interent的盛行及远距教学等实施，对于数据通讯的需求每年以倍数成长，而光纤通信系统架构则是最佳的选择。
3、基本光纤通讯架构︰图一为点对点光纤通讯的基本架构，基本上是由光收发模块及光纤所组成，首先我们利用数字或模拟调变的方式将信息载在发射器上，以光波为载波透过光纤将讯号传递至远方，若距离较长，光纤则透过联结器(Connector)或接合器(splice)方式延长，最后到达光传感器端，在注重噪声与讯号比(S/N Ratio)情况下，并用clock recover的方式下将光讯号转回电讯号，而将信息解调回来。
4、数据传输趋势︰图二是数据通讯标准的演进过程示意图，近年来，通信标准所定义的容量有逐年增加趋势，主因是区域及全球对频宽速度及容量渴望的影响，而光纤通讯的解决方案，对传输每单位Mb所需的成本也会逐年的下降。
若以网络区域的大小来区分，会常见到几个名词︰WAN(Wide Area Network)—国对国或全球长距网络、MAN(Metropolitan Area Network)—区域性或城市间通讯网路、LAN(Local Area Network)—一般使用者的计算机网络或使用路由器(Router)连结Internet、Dial-up Network—即一般个人计算机的调制解调器或电话所联结的网络。
一般来说，前两者网络属于通讯公司所有，用来处理数以万计的电话通讯，而后两者则与PC及数据通信息息相关。
二、光学物理特性︰在光纤通信方面，我们是利用光当作载波(Carrier)，因此，再更进一步了解光通讯之前，应对光学的物理特性做一个概括性的了解，接下来，我们对光的物理特性应用在通信上基础的知识做一简单的介绍。
1、光通讯传输波段(Communication Band)︰基本上，我们可视光是电磁波的一种，若我们以sin波形来表示，则λ为其波长，如图三所示。
光速在真空中传递速率为3×108m/s，若在介电材质中传递(如玻璃)，会因折射率不同而速度变慢，波长也会因此而有所改变，但一般来说，波长皆是定义在真空的状态下。
图四则是一般常用的光谱波段示意图，其中横轴表示可为频率及波长。
因为光速=频率×波长，所以频率与波长对光速是为倒数关系，但在通讯上一般较常用波长来描述。
举例来说，若我们以现今DWDM通信波长1550nm(10-9m)来估计，频率约193THz(1THz=1000GHz)，如我们只利用到1%的频宽，则频宽可达193GHz！2、光的功率(Optical Power)︰传输用的Laser power也有它相对应的规范，如国际标准的IEC825-1或美规CFR 1040.10等。
一般光功率所使用的单位有mW及dBm两种，前者为线性，后者是取log值。
使用后者的好处是分析讯号时，可增加其动态范围(Dynamic Range)使吾人在同一坐标轴中分析时易于观察，例如1000mW与2mW的讯号，两者尺度差异为500倍，但若换成30dBm与3dBm，尺度在10倍左右而易于分析。
而当我们分析两个相对的功率时，则用dB来表示。
3、同调性及干涉效应(Coherent & Interferent)︰此效应属于光波动的特性，当考虑一同波长的光源，若组成光源的各光子间其相位(Phase)的相关程度越高，则表示同调性(Coherent)越高，而干涉或绕射的程度也会跟着提高。
若同调性越高，当传输时较能保持一定的相位，例如Laser；而相关程度越低，光子间的相位较不易保持，呈random的现象，例如自然光及LED皆是。
CL(Coherent Length)的定义则是光子间能维持相位同调的相关性长度。
而干涉及绕射效应是当两个不同的光子到达同一个位置时，因相位差异造成的建设性或破坏性干涉，使光强度有极大值或极小值的变化。
4、反射(Reflection)︰当光行进时遇到任何的断面或是折射率不连续的地方，例如air gap、misalignment时，就会造成反射，当利用光做数据传输时，反射会造成两个问题，第一是反射光源产生的噪声会抑制传输的S/N比，第二是反射能量会造成Laser Source端的不稳定。
若端面是两个以上，因折射率不连续之故，则会产生二次或三次的反射现象，且端面距离若在CL的范围内，则必需考虑光源强度或波长改变时造成周期性干涉的影响。
反射损耗(RL Return Loss)的定义如下，其值越大表示越不易在端面上产生反射。
5、偏极化(Polarization)︰光可视为电磁波的一种形式，偏极则表示行进波在传递时的脉动方向，因电磁波在传递时，电场与磁场方向为正交(orthogonal)，因此在表示偏极化时一般以电场方向来定义，即Ex及Ey，若行进波一直维持在Ex或Ey轴行进，则称此波为水平或垂直线性偏极，若行进波行进时会因时间改变做顺时针或逆时针旋转，则称此波为右旋或左旋圆偏极。
一般以SOP(State Of Polarization)来表示极化的状态。
而DOP(Degree Of Polarization)则表示单位能量所产生偏极程度，例如LED，其值相对的较小，表示偏极化程度较低，而自然光是各方同相性，视为无偏极化，但半导体雷射光源的极化程度较高，可达90%以上。
基本上，任一偏极可分成Ex及Ey两个分量，但两个分量的相位差为0或180度则为线性偏极，而圆偏极是由两个等量的Ex及Ey所形成，但当Ex及Ey分量在波行进时相位角相差90或270度时，因两分量相位差而使偏极会随时间有周期性的变化，若两分量大小相等称为圆偏极，若大小不等便是椭圆偏极。
另一种情况下，当两分量相位差并不为90度的整数倍时，都有可能形成椭圆偏极。
因此，当我们对偏极光源应用λ/4或λ/2的延迟片(使相位角延迟90或180度)，便可以将圆偏极分解成两个线偏极，或由某个偏极化状态转移至另一个偏极化状态。
对于偏极化系统的计算表示方式有许多种，如Muller Method 的矩阵或Jones’s矩阵方式，但因为是数学形式，我们不易从数学模式的换算中得到讯息，而Poincaré Sphere则提供了一个容易辨别极化状态及程度的图表，类似RF的Smith Chart，吾人从图中便能很快的知道极化的状态。
这是利用Stoke参数来表示，此参数共有四个值，分别为(S0,S1,S2,S3)，S0代表能量的大小，S1代表水平或垂直线性偏极，S2代表+45度或-45度线性偏极，S3表示右旋或左旋圆偏极，其如图九所示。
若相位差或强度不同的椭圆偏极，它就不会出现在这三个轴上，而可能在圆中的任一点，若点出现在三个轴的中心，就表示此为无偏极化，它的好处在于我们可以记录或分析极化从一个状态转变到另一个状态的过程。
一般来说，光会随着介质的边界条件而改变极化的状态，亦即当我们送入一偏极化光源至光纤中时，若对光纤做温度或应力的变化，便会改变极化的状态，若要维持极化的一定性，就需采用PM(Polarization Maintain)光纤。
另外，在光纤通讯方面，水平偏极与垂直偏极所传输的速度会有些许差异，这是我们因为可视光纤为一种birefrigent，这个差异，会在高速数据传输时造成信号延迟失真，一般称为PMD(Polarization Mode Dispersion)，关于这方面，我们在光纤部分再做解释。
6、数字及模拟讯号调变(Digital & Analog Modulation)︰数字调变︰利用两功率切换的方式做讯号的调变(即0与1)，若以Laser来说，P0并不一定代表无光源输出，而是比Threshold偏压稍高，如此Laser才能在高速反应下操作。
一般在Transcever 上会量测到消灭比例Extinction Ratio(ER=P1/P0)，这可以反映出S/N比，另外，在通信上常用到时域分工TDM(Time Division Multiplexing)，如同无线通信GSM的原理，将时域分成数个Channel，每隔一段周期性时间后便轮到下一位User，另外是常被鉴定为通信品质依据的位错误率Bit Error Ratio(BER=N error/N correct)，定义是传输一个数目的位资料下产生错误的数目比例，例如若传100个位，经过数字调变后产生一个位的错误，则BER为1E-2，一般在通信的标准为1E-9至1E-12甚至到1E-15。
模拟调变︰类似AM调变的方式，将RF讯号透过Mixer将资料利用模拟方式载在Laser上传输，以CA TV较为常用，因功率调变方式会使系统对于反射相当敏感，因此其光纤连接头大部分为斜角端面(如APC)，目的是使反射减少。
三、通讯规范(Communication Standard)︰通信规范的制定是为了提供系统及组件制造商能够整合为目的，大致包含测试设备的兼容性、各种通讯参数的定义、标准测试步骤及方法、各种资料协议间的联结、传输品质提升及合工/分工器(Multiplex/Demultiplex)系统效能提升等。
