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一种崭新的光通信技术问世光导纤维通信

发布时间 2020-12-30 18:33

  光通信技术对大家来说是十分熟悉的,如古时的烽火台、中古欧洲的急报站、现代船舰的旗语等等,都是光通信。由于光传播时衰减快,只能直线行进,不易反映复杂的通信内容,因此光通信技术长期停滞不前。

  激光技术的出现,为光通信的发展打开了新的局面。在空间传递激光来进行通信(即所谓激光通信)的技术发展很快,现已用于许多短距离通信,并将用于卫星通信和星际通信。但空间传递的激光通信因雨雾等影响有时不能很好进行,还存在着易遭遮挡、空间传输难于保密等问题,因此人们联系到有线电信利用电线电缆传电的经验,于六十年代开始寻求利用某种“导体传光而进行通信的新途径。于是崭新的光导纤维通信技术出现了,所谓光导纤维通信就是利用具有特殊光学性能的细丝传光而进行通信的技术,所用的细丝叫做光导纤维。光导纤维的作用与电线电缆的作用相仿。所不同的是电线、电缆传播的是电信号,光导纤维传播的是光信号。因此光导纤维通信也是一种崭新的光通信技术。这种新技术的问世很快就显现出广阔的前景。

  光纤维通信怎样把声音、图像传到远方?又怎么能同时传许多声音、图像呢?现阶段的光纤通信与电信有许多共同和类似之处。通信时,声音或图像进入电话机或摄像机产生相应变化的电流或电波。电波经过交换复用设备进入发信光端机,使光源发出的光产生与电波相对应的变化。经过光导纤维传播到收信光端机,收信光端机“复制”出变化的电波,并经过复用交换设备分别进入相应的电话机或电视机,再“复制”出声音和图像来。在远程通信时,中途要用中继器将逐渐减弱的光增强一下,以免收信端收到的光太微弱。

  在光端机中怎样使光与电对应变化呢?在发信光端机中,用半导体激光器、发光管作光源,将变化的电波加于其上,其发光强度就能随着变化;用固体激光器作光源时,也可用附加某种特殊晶体而使光相应变化。在收信光端机中,用大家熟悉的光电管就可以由光变化而产生变化的电动势,但应是具备通信要求性能的光电管。

  在空间或在一对导体上同时传送多个声音、图像的电信技术,其基本方法有两种:一种是不同通信对象的声音或图像,利用不同频率的电波传送,许多不同频率的电波虽然同时传送,在收信端可以根据频率差别而分别开来,这称频分制另一种是把送出的电波按时间顺序分成许多组,每组分别传送不同通信对象的声音或图像。在收信端按时间顺序就可以分别开来,这称为时分制。现阶段的光纤通信是用时分制方法,使光按时间顺序分组而同时传递许多声音、图像。

  光纤是什么东西?它是怎样发挥作用的呢?光纤是用具有特殊光学性能的材料(现在一般用超纯石英或特种光学玻璃)拉成很细的丝,直径从几微米到一百微米左右,细丝的内部构造要符合一定的光学要求。光在任何物质中传导时都会不断减弱,减弱的快慢取决于所通过的物质。光在通常认为透明的物质如玻璃、水晶中行进时减弱得慢些。透明度最好的光学玻璃,光在其中传导1公里后,就要减弱到原来十的一百次方分之一(1/100)要用光纤传光到远方去,首先要解决这个衰弱问题。

  通过研究知道,光在物质中衰减是由于被吸收和被散射逸失。不同物质的原子和分子吸收不同波长的光。通常认为透明的物质,其主要成分对某些波长的光很少吸收,但它们都还含有一些吸收光能多的杂质。光的散射逸失来源于物质内部状态和结构的不均匀性以及原子、分子的微观运动,而物质微观运动带来的光散射随光波长的增长而减少。因此,人们就从减少传光物质的有害杂质、改进其内部状态和结构以及采用较长波长的光着手,研制出光在其中传导1公里只减弱强度到百分之几以至千分之几的非常透明的光纤。

  既然光纤非常透明,光在光纤中,特别是光纤弯曲时,就很易透逸掉。怎么办呢?学过光学的人都知道,当光从折射率大的物质进入折射率小的物质时,如果光的入射角符合一定条件,就会在两种物质的界面上发生“全反射”,光不进入折射率小的物质而返回折射率大的物质。利用这样的光学规律,使光纤的表面层的折射率比芯子部分小就可以把光关闭在光纤内并沿着光纤的方向行进。

  在同一物质中,不同波长的光的传导速度不同。用三菱玻璃把日光色散为多色光就是利用这种光速差异。不同波长和不同光能分布形式的光在光纤中行进,都要产生速度差异而带来通信上的失真。采用波长比较单一的激光,可以解决由于波长庞杂带来的光速差异。光能分布形式不同产生的光速差异、仅靠采用激光是不能解决的。一个办法是使光纤的直径尽量小,譬如只几微米,以减少光能分布形式差异,但这要增加不少具体困难。现较常用的办法是使光纤从中心到外皮的折射率按一定规律连续变化。

  众所周知,玻璃是脆的。那么光纤一定难弯易断不经拉罗!其实不然。玻璃丝越细越易弯而不断。光纤具有玻璃丝的这些机械性能。而且在实际使用时,光纤外面都要包上几层塑料,若干根外包塑料的光纤再采取一些防护和增强措施组合成有较厚包皮的光缆就可以像电线、电缆那样使用。

  光纤通信为什么会有很大的通信容量?所谓通信容量指的是:运用这种通信技术,通过同一个通信系统,可以允许多少个不同的通信活动同时进行。按频分制通信来说,允许同时进行的通信活动越多,需要同时传送的不同频率电波就越多,这些不同频率电波构成的频率区间(称为频带)就越宽。时分制通信也同样,所以,每一种通信手段的容量决定于它能传送的频带宽度。

  电波的频率,从直流、长波一直到微波,大致是0~1012赫。各种电信设备分别使用其中一小段,现用电信最高频率约在104赫以下。光波的频率,仅按红外光计算,约为10赫。可见,红外光的频带宽度为全部电波频带宽度的几百倍。为已用全部电波频带的几千倍。就理论上的潜力来说;红外光可同时传送几百上千亿个电话。光纤通信的容量还取决于光纤适于传送那一段频带。以现在常用的0.85微米波长的一段红外光为例,如果传的是0.845~0.855微米,则其频带宽度约为4×1042赫,理论上可同时传送几亿个电话。虽然,现阶段的光纤通信受许多限制,只能利用其中很小一部分,其通信容量已是空前巨大的了。

  光纤通信的优点是很突出的首先通信容量巨大其次通信保密性好。一般来说无线电信的保密要靠密码;有线电信泄漏较大,故难陟有意窃听。光在光纤中行进,不会泄漏出去,极难窃听。第三,电信通信以及运用电子技术的自动化系统,都有一个防止互相干扰的问题。光纤通信传送的是光,它不受任何电的干扰;光纤中的光不会泄漏,因而也就不会互相干扰。第四,光纤通信无需有色金属作导体,能节约大量有色金属,同时建设费用省,施工方便。光纤的材料耗用量很小公斤材料可制出几百公里或更长的光纤,用的是氧、硅等丰富易得的原料,许多光纤组成的光缆也不过钢笔粗细,每公里仅重几公斤到几十公斤,轻软可弯,易于运输和敷设。

  光纤通信的划时代,也许将以摆脱电信设备容量限制的程度为标志。不难设想,在解决光频分等理论和技术后,某些电信设备虽然还必须在系统中使用,但它们对光纤通信容量的限制就少了或不再存在了。再进一步,在光放大光调制和声-光转换等理论和技术解决后,电信设备将从通信系统中消失,电只是作为能源而使用。那时的通信将变成打“光话”、发“光报”、看“光视”…出现一个完整意义的“光通信”时代。

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