光纖通信是怎么實現的？
前言：飛鴿傳書很有意思。據說楚漢戰爭時期，劉邦被項羽包圍，這時候劉邦就是采用飛鴿傳書的方式向總部求援，最終成功脫險。
其實這是利用鴿子的歸巢性。因此古時候行軍打仗會攜帶培育好的鴿子，當有緊急事情給總部匯報時，就會從鴿籠里取出一只鴿，把書信塞進鴿子腳上的小竹管，再用手撫摸一下鴿子的頭，往天空一拋，鴿子立刻就會飛往目標對象手中。當對方抓住這只鴿子，取出信件，眉頭一皺。這樣就完成了一次通信。
在飛鴿傳書的通信方式中，某地是“信源”，總部為“信宿”，鴿子則“信道”。這就構成了我們通信系統的三要素：信源（發送端設備）、信宿（接收端設備）和信道（傳輸媒介）。
當然，現代通信沒有這么簡單，基于上面的模型，在發送、接收和傳輸媒介上是做了相當多的工作的。比如說咱們得提前在發送端和接收端商量好通信協議，選擇合適的傳輸媒介（無線和有線），盡量把信道整的又寬又快，同時還要應對外部和內部環境復雜造成的信息失真（做好抗噪防干擾）。這些內容我將在這個系列中慢慢來說。
回到文章主題，根據使用的傳輸媒介的不同，我們將通信分為有線通信和無線通信。顧名思義，有線通信必須要有實實在在的物理介質，比如說電纜、網線或者光纖等。
無線通信則使用電磁波。這里，進一步歸納，使用光纖的有線通信方式和電磁波的無線通信方式，本質上都是利用光的通信，統稱為光通信。其中，以光纖為媒介的有線通信，即光纖通信，就是我們今天的主題。
那么，為什么會使用光纖作為通信媒介，并成為特別是長距離通信的主流呢？
能成為通信的傳輸媒介，主要評估兩個指標：傳輸距離和信息容量。
其中傳輸距離與損耗是密切相關的，當然是損耗越低越好。同軸電纜的傳輸損耗達十幾dB每公里，而光纖的損耗要低的多，據最新G.654E光纖，在1550nm窗口的衰減已經達到0.17dB/km以下，這將有利于400G光纖通信系統的部署，也是海底通信傳輸媒介的最佳選擇。
另一個因素“信息容量”，也就是通信容量。這里，通信容量是指在單位時間內傳輸的數據量，頻率越高，意味著在單位時間內能夠傳輸的數據量就越大，通信容量也就越大。一般通信電纜最高使用頻率約106Hz，光纖工作頻率在1014-1015Hz之間?？梢钥闯?，光纖的頻率要高出幾倍。
對于光纖通信來說，我們一般用比特率與距離的積即BL積（Bit rate-Distance product）表示，其中B為比特率，L為中繼間距。它的單位是百萬赫茲×千米（MHz×km），使用這兩個值的乘積做為指針的原因是通常這兩個值不會同時變好，而必須有所取舍。
因此，可以看得出來，光纖做為傳輸媒介是相當大的優勢，特別是光纖還有很強的抗電磁抗干擾性，這在后面另說。
解釋了為什么光纖會成為有線通信中傳輸媒介的首選。下面我們來看看為了實現光纖通信，這么多年無數的科學家主要做了哪些事情。
還是基于上面的通信模型來說。對光纖通信來說，通信模型變為：
上面這個系統中，主要的器件是涉及收發光源的激光器；中間的傳輸媒介則是光纖以及為了增強傳輸距離的光放大器。
激光器方面，光源有三種：半導體激光器、半導體發光二極管和非半導體激光器。在實際的光纖通信系統中，用的比較多的是半導體激光器，即為激光二極管，記作LD。它是前蘇聯科學家H.Γ.巴索夫于1960年發明的。半導體激光器的結構通常由P區、N區和形成雙異質結的有源區構成，工作波長在700~900nm之間。
稍后幾年，工作在1200~1650nm的銦鎵砷磷激光器在貝爾實驗室里研制成功，為光纖通信找到了更合適的光源。使得光纖通信中的波分傳輸技術等得以發展。同時光接收端的器件，也從PIN光二極管發展APD雪崩二極管，取決于具體應用場景場景。
對于光纖，可能大家都比較熟悉了，老話常談。取得突破性理論進展是華裔科學家高錕發表的《光頻率介質纖維表面波導》的論文，讓光纖做為傳輸媒介成為了可能。
后來，美國的康寧公司（成立于1851年的老牌玻璃制造廠，曾第一個制造愛迪生發明電燈的玻璃燈泡），低調啟動研發且在1970成功制作出約20dB/km的光纖。而后沒多久，康寧公司制造出了一條損耗低至4dB/km的多模光纖，從此把光纖通信從理論推向了應用。下面簡單看看光纖損耗的降低速度有多快：
- 1970年：20dB/km
- 1972年：4dB/km
- 1974年：1.1dB/km
- 1976年：0.5dB/km
- 1979年：0.2dB/km
上面說到現在的商用的G.654E光纖的損耗已經達到0.17dB/km以下了。下面附上一張光纖損耗圖以方便理解。
最后一個關鍵因素是光放大器，當然并不是所有的光纖通信都會用到光放大器，比如說SDH和CWDM等，在這里大家先了解一下即可。
光纖通信是工作在光纖的低損耗區域的，也就是一定的波長范圍內的。為了能傳輸更遠的距離，就需要在中間某個位置對信號進行放大（有電中繼和光中繼兩種，這里說的是光中繼）。這就好比，咱們長途開車，需要在服務區給汽車加油或者充電一個道理一樣。
有的車要加92號，有的車要加95號，有的車是充電的。對光纖通信的長距離傳輸系統來說，主流密集波分系統DWDM，它主要工作在C波段。那么有什么物質可以給C波段的信號“加油”呢？
這跟愛迪生發明燈泡一樣，科學家就在元素周期表中“挖啊挖”，終于在1985年的時候，英國南安普頓大學首先研制成功，即摻鉺光纖放大器EDFA，由摻鉺光纖（長約10-30m）和泵浦光源構成。其中的摻鉺光纖是在純的光纖中摻入了少量的稀土元素鉺(Er)離子，然后通過泵浦光與鉺離子的受激輻射，對光信號進行放大。
有了以上主要三個方面的鋪墊，光纖通信系統，才得以發展和推動。第一個光纖通信系統是美國搞的，碼率為45Mb/s，中繼距離為10km。1980年，美國又搞出了140Mb/s的多模光纖通信系統。1989年，建成了世界上第一條跨太平洋的海底光纜系統，1993年，SDH技術產品開始商業化部署，1997年，波分WDM技術20Gb/s和40Gb/s產品取得重大突破。
可以看得出光纖通信的演進速度是相當快的。到如今，我們仍然在想辦法提升光纖通信系統的傳輸容量。我在以前的文章中也專門說過，主要是基于香農公式，現在的主要手段下面幾個。
我們以高速公路系統類比。
一是提高單波速率，讓汽車跑的更快一些，波分系統已經從10G，40G，100G，當前大規模部署的200G，以及即將規模部署的400G傳輸系統。往后再就是800G，1.2T等，這同時也對頻譜有了更高的要求。二是調制格式，高階調制可以大大提升頻譜效率。
三是頻譜擴展方向。當單波發展到400G及以上時，需要更寬的頻譜資源。當前對于400G來說，在波特率130GBaud左右時，波道帶寬將達到最大150GHz，這好比在高速公路上，跑了一輛超大型車，原來的小汽車只要50GHz車道，現在要150GHz寬了。因此，為了又能傳輸80波甚至96波/120波，這就需要更寬的頻譜?，F在已經做到C+L的擴展，頻譜帶寬達到12THz。
（此圖來源于網絡）四是光纖上做文章。要致富先修路，對光纖通信系統也一樣。目前有兩大路線來提升光纖的容量：較成熟的路線如降低光纖損耗、增大有效面積、減小光纖尺寸；創新路線如使用多芯光纖、少模光纖以及中空光纖等。
感謝閱讀，下一期我們將聊一聊波分技術。歡迎關注分享！同時在我們的知識星球中有很多相關文檔資料，現在加入最劃得來。
