無線通信使用電磁波，進(jìn)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(zhì)上都是利用光的通信，統(tǒng)稱為光通信。其中，以光纖為媒介的有線通信，即光纖通信。
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(gè)指標(biāo)：傳輸距離和信息容量。
其中傳輸距離與損耗是密切相關(guān)的，當(dāng)然是損耗越低越好。同軸電纜的傳輸損耗達(dá)十幾dB每公里，而光纖的損耗要低的多，據(jù)最新G.654E光纖，在1550nm窗口的衰減已經(jīng)達(dá)到0.17dB/km以下，這將有利于400G光纖通信系統(tǒng)的部署，也是海底通信傳輸媒介的最佳選擇。
另一個(gè)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(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，頻率越高，意味著在單位時(shí)間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(gè)值的乘積做為指針的原因是通常這兩個(gè)值不會同時(shí)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(dāng)大的優(yōu)勢，特別是光纖還有很強(qiáng)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(shí)現(xiàn)光纖通信，這么多年無數(shù)的科學(xué)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?yōu)椋?/p>
上面這個(gè)系統(tǒng)中，主要的器件是涉及收發(fā)光源的激光器；中間的傳輸媒介則是光纖以及為了增強(qiáng)傳輸距離的光放大器。
激光器方面，光源有三種：半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體發(fā)光二極管和非半導(dǎo)體激光器。在實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)中，用的比較多的是半導(dǎo)體激光器，即為激光二極管，記作LD。它是前蘇聯(lián)科學(xué)家H.Γ.巴索夫于1960年發(fā)明的。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由P區(qū)、N區(qū)和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源區(qū)構(gòu)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(shí)驗(yàn)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(shù)等得以發(fā)展。同時(shí)光接收端的器件，也從PIN光二極管發(fā)展APD雪崩二極管，取決于具體應(yīng)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(jìn)展是華裔科學(xué)家高錕發(fā)表的《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》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(gè)制造愛迪生發(fā)明電燈的玻璃燈泡），低調(diào)啟動研發(fā)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(yīng)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(xiàn)在的商用的G.654E光纖的損耗已經(jīng)達(dá)到0.17dB/km以下了。下面附上一張光纖損耗圖以方便理解。
光纖通信是工作在光纖的低損耗區(qū)域的，也就是一定的波長范圍內(nèi)的。為了能傳輸更遠(yuǎn)的距離，就需要在中間某個(gè)位置對信號進(jìn)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(wù)區(qū)給汽車加油或者充電一個(gè)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(tǒng)來說，主流密集波分系統(tǒng)DWDM，它主要工作在C波段。那么有什么物質(zhì)可以給C波段的信號“加油”呢？
這跟愛迪生發(fā)明燈泡一樣，科學(xué)家就在元素周期表中“挖啊挖”，終于在1985年的時(shí)候，英國南安普頓大學(xué)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(gòu)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(jìn)行放大。
有了以上主要三個(gè)方面的鋪墊，光纖通信系統(tǒng)，才得以發(fā)展和推動。第一個(gè)光纖通信系統(tǒng)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(tǒng)。1989年，建成了世界上第一條跨太平洋的海底光纜系統(tǒng)，1993年，SDH技術(shù)產(chǎn)品開始商業(yè)化部署，1997年，波分WDM技術(shù)20Gb/s和40Gb/s產(chǎn)品取得重大突破。
可以看得出光纖通信的演進(jìn)速度是相當(dāng)快的。到如今，我們?nèi)匀辉谙朕k法提升光纖通信系統(tǒng)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(nóng)公式，現(xiàn)在的主要手段下面幾個(gè)。
我們以高速公路系統(tǒng)類比。
一是提高單波速率，讓汽車跑的更快一些，波分系統(tǒng)已經(jīng)從10G，40G，100G，當(dāng)前大規(guī)模部署的200G，以及即將規(guī)模部署的400G傳輸系統(tǒng)。往后再就是800G，1.2T等，這同時(shí)也對頻譜有了更高的要求。
二是調(diào)制格式，高階調(diào)制可以大大提升頻譜效率。
三是頻譜擴(kuò)展方向。當(dāng)單波發(fā)展到400G及以上時(shí)，需要更寬的頻譜資源。當(dāng)前對于400G來說，在波特率130GBaud左右時(shí)，波道帶寬將達(dá)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(xiàn)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(xiàn)在已經(jīng)做到C+L的擴(kuò)展，頻譜帶寬達(dá)到12THz。