浅析光纤通信技术的原理及发展趋势

项秋实 王淼 谢东辰 周泽鑫

摘要：文章重点分析了光纤通信技术的基本原理，在此基础上给出了光纤通信系统的工作原理图，以期探究光纤通信技术的优化方案，并对其今后的发展趋势做出预测，为现代光纤通信的发展提供理论性参考。

关键词：光导纤维；光纤通信；现代信息技术；发展趋势

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.055

中图分类号：TN 913.7，TN 929.11          文献标志码：A           文章编码：1672-7274（2024）03-0-03

随着通信技术的飞速发展，我国于1992年开通第一个光纤通信系统，正式步入超远距离传输、超高效率传播的光纤通信时代。近年来，光纤通信成为现代信息技术的主要方式之一[1]。光纤通信技术主要是指光导纤维通信技术。利用光导纤维的低损耗、大容量、远中继、易耦合等特性，实现了对光波信号的加载与传输。

1   光纤通信技术原理

1.1 光纤概述

光纤，就是光导纤维，又叫作介质圆波导，它的典型结构为多层同轴圆柱体[2]，主要由折射率较高的纤芯与折射率较低的包层组成，最外面还有一层起到保护作用的涂覆层。即由外而内依次为涂覆层、包层、纤芯。

光导纤维由高纯二氧化硅制成，也就是我们常说的石英玻璃。并且在纤芯内部添加诸如磷、锗、氟化物等物质，以此提高纤芯内部折射率。同时在包层中掺入少量氧化硼，以此降低发生在包层中的折射率，最终使得发生在纤芯中的折射率na大于发生在包层中的折射率nb，从而达到发生全反射的效果。

1.2 光发射机工作原理

光纤通信技术解决了将电信号加载到光源上的问题。光发射机作为光端机的一种，大多数采用直接调制的方法。它的作用是将电端机送来的電信号调制成相应的光信号送入光纤中传输。目前我国的光发射端机的性能要求为入纤光功率要为0.01～10 mW，稳定性为5%～10%，消光比一般小于0.1。其中，消光比的定义如下：

光发射机一般由电路模块、驱动模块、温控模块、监测模块、保护控制模块五部分组成。具体如图1所示。

电信号进入电路模块，经过译码、扰码、编码等过程，电信号被变成适合在光纤线路中传输的线路码型，最终经过一系列处理将电信号转变为光信号在光纤中传输。其中，温控模块用来调整温度；监测模块用来检测光信号；保护控制模块用来调控与反馈信号。

1.3 光接收机工作原理

光接收机是一种电光转换设备，在光纤通信系统中，常被用来将经过光纤中传输的光信号还原为电信号输出。它主要由三个部分组成：接收模块、放大模块和检测模块。接收模块用于接收光信号；放大模块用于对信号进行放大，增强信号功率；检测模块则用于将放大后的电信号转化成数字信号或其他类型的信号输出。其工作原理如图2所示。

光信号进入光电检测器后会产生一种感光电流。感光电流在经过放大器的处理后，电流被放大，令其具有足够的能量来抵消传输线路中的噪声和损耗[3]。最后，信号经滤波器过滤以消除传输中的杂散信号，得到干净的信号，经数据恢复处理后得到所需要的电信号。其中，对于放大器的要求十分严格。因为在输入信号微弱的同时，还有噪声的干扰。噪声与所需信号经放大器处理后，被同时放大。因此，为了降低干扰，放大器必须具有低噪声、高增益的性能，同时可以适当增加滤波处理，从而得到较为理想的电信号。

1.4 光纤通信系统的设计

一个基础的光纤通信系统由光发送机、光纤适配器、活动连接器、光纤、光接收机组成。

活动连接器又叫作光纤连接器，一个单芯光缆加上两个高精度机械加工的活动连接器就构成了最简易的光纤跳线，而所谓的光纤尾纤则是一端带有光纤连接器的光缆[4]。它们组合在一起，构成了光纤通信系统的基本要素。

FC、SC、ST型光纤连接器需要利用相应的光纤适配器进行连接。光纤适配器由陶瓷套筒或铍青铜套与金属塑料外壳加工装配而成，适配器的主要类型有FC型光纤适配器、FC/ST型光纤适配器、FC/ST型光纤适配器以及FC/SC型光纤适配器。它们相辅相成，共同构成了一个基础的光纤通信系统，

从宏观角度来看，一个完整的数字光纤通信系统主要由光端机（包括光发射机、光接收机）、光纤以及电线组成。完整的传输过程：电信号源输入电信号进入光发射机，经过驱动模块以及光学调制器调制处理后传入激光器，经激光器耦合发出光信号，最大限度地将光信号输入到光纤中。经过光纤传输的光信号进入光接收机，经过放大、滤波、转换处理后，将衰减的光信号转换为增益电信号，同时经由线路输出，达到通信的效果。如图3所示。

我们在原有光纤通信系统的结构基础之上，将多个前置放大器进行级联，构成一个多级放大器。目的在于使衰减的信号被放大增强。然而，正如上文所介绍的那样，在信号被放大的同时，噪声也会被放大。为了降噪，我们在光接收机后又增设一个滤波装置——滤波器，滤波器可以对电源线路中特有频率的频点进行滤除，以此来达到降噪的效果。

2   现代光纤通信的发展趋势

2.1 光纤通信技术的研究现状

近年来，波分复用技术的出现成为实现大容量传输信号的关键[5]。其原理是将不同频率的光信号通过一定的方式互不干扰地调制合在一起作为载波在同一根光纤中同时进行传输。布拉格光栅（FBG）的应用使得波分复用技术得到进一步发展，该技术可以用于密集波分复用（DWDM）、EDFA中。

光学调制器作为重要的光无源器件，解决了如何将信号加载到光波上的问题。随着全光调制器的出现，在信号调制上逐渐取代以往烦琐的光-电-光转换，进而可以实现光-光的直接调制。无论从信号的衰减还是传输速率方面来看，都明显优于以往烦琐的调制过程，成为光纤通信系统中提高传输速率的突破点。

但是随着智能终端设备[6]的出现，人们已经不再满足于简单的语音通话，而是追求高质量、低延时的视频通话。这对光纤通信的数据传输能力提出了更为严苛的要求。因此光纤通信技术的进一步发展成为重要课题之一。

2.2 光纤通信技术的发展趋势

为解决上述难题，未来的光纤通信技术应在以下几个方面寻求突破。

（1）超高速率超大容量超长距离传输。传统意义上的大容量、远距离、高速率通信已经逐渐不适用于互联网技术高速发展的社会。近10年来，互联网流量增速已大大超越光传输的容量增速[7]。通过对未来光纤通信传输技术的发展方向预测分析，空分复用相关技术的发展是增大传输容量、提高传输速率的有效途径之一。除此之外，频谱超级信道技术也会在需求的驱使下愈发成熟。

（2）集成技术与轻量化的实现。从系统结构来看，光纤通信系统主要由光端机、光纤以及其他一些相關器件组成。随着技术的不断升级，科研人员将这些器件集成在一起，组成光纤通信箱，在很大程度上降低了通信系统的复杂程度。未来也一定可以使用超细纤维以及先进的集成技术来进一步简化设备，在降低成本的同时提高信息传输的质量。

（3）全光通信技术的普及。全光通信可以有效避免烦琐的光-电转换，减少传输损耗，提高传输速率。现如今，我们已经实现了全光调制技术。相信在不久的将来，会在全光通信技术上有新的突破实现，真正意义上的全光通信。

3   结束语

互联网时代的到来促进光纤通信技术的不断发展。本文简要分析了基于光纤通信技术的基本原理，设计并提出了一种光纤通信系统。同时分析了光纤通信技术的现状，并在此基础上对未来光纤通信技术的发展以及突破点做出预测，为光纤通信的研究与发展提供一些理论依据和参考。

参考文献

[1] 李克，刘明勇．光纤通信的传输技术应用[J]．创新应用，2021（8）：148-149.

[2] 袁国良．光纤通信原理（第2版）[M]．北京：清华大学出版社，2012.

[3] 余少华，何炜．纤通信技术发展综述[J]．中国科学，2020（9）：1361-1376.

[4] 彭博文．现代光纤通信技术的特点及应用[J]．数字通信世界，2023（4）：104-106.

[5] 王金华．探讨光纤通信传输技术在现代通信中的应用[J]．价值工程，2020（5）：262-263.

[6] 李昊，邹曙光．光纤通信技术优越性探究[J]．科技风，2020（4）：94.

[7] 邹凤娇．我国光纤通信技术发展现状与展望[J]．电子技术，2020（8）：128-129.