1.3 光纤通信系统
做事固执、冥顽不化，可能不是个好品质，但所有的科学家都应该固执己见，一旦认准的路，就要百折不回走到底，撞上南墙也不回头，否则的话，你永远不会成功。
——高锟（K.C.Kao）
1.3.1 光纤是怎样传光的
大气传输容易受到天气的影响，透镜波导传输又容易受外界影响产生变形和振动，由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，所以光通信的研究曾一度走入低谷。
那么能不能找到一种介质，就像电线电缆导电那样来传光呢？
古代希腊的一位吹玻璃工匠观察到，光可以从玻璃棒的一端传输到另一端。1930年，德国人拉出了石英细丝，人们就把它称为光导纤维，简称光纤或光波导，并论述了它传光的原理。接着，这种玻璃丝在一些光学机械设备和医疗设备（如胃镜）中得到应用。
现在，为了保护光纤，在它外面包上一层塑料外衣，所以它就可以在一定程度上弯曲，而不会轻易折断。那么，光能不能沿着弯曲的光纤波导传输呢？答案是肯定的。
光纤由纤芯和包皮两层组成，它们都是玻璃，只是材料成分稍有不同。一种光纤的芯径只有50～100μm，包皮直径约为120～140μm，1μm=10-3mm，所以光纤很细，比头发丝还细。假定光线对着纤维以一定入射角射入光纤，如图1.3.1所示，当光线传输到芯和皮的交界面上时，会发生类似镜子反射光的现象，又一次反射回来。当光线传输到光纤的拐弯处时，来回反射的次数就会增多，只要弯曲不是太厉害，光线就不会跑出光纤。光线就是这样在光纤内往返曲折地向前传输。
图1.3.1 光线在光纤里传输的示意图
1.3.2 光纤通信系统组成
用光纤传输信息的过程大致如图1.3.2所示，在发送端，把用户要传送的信号（如声音）变为电信号，然后使光源发出的光强随电信号变化，这个过程称为调制，它把电信号变为光信号，最后用光纤把该光信号传送到远方；在接收端，用光探测器接收光信号，并把光信号还原为携带用户信息（如声音）的电信号，这个过程称为解调，最后再变成用户能理解的信息（如声音）。
目前，光源通常用半导体激光器及其光电集成组件。光纤短距离用多模光纤，长距离用单模光纤。光探测器用PIN光电二极管（即光/电转换二极管）或雪崩光电二极管（APD）及其光电集成组件。调制器有使光信号强度随电信号变化的直接调制，这就像调幅收音机使电载波的幅度随声音的强弱变化一样；而另外一种调制方式却不同，它不会使光信号强度随电信号强弱直接变化，而是使光源发出连续不断的光波，它的强度变化是通过一个外调制器实现的，这种调制方式叫外调制。光纤就像电线一样也有损耗，所以光信号在光纤内传输时，它的光强也逐渐减弱，为此，就像在电缆通信系统中有电中继器一样，在光纤通信系统中也有光中继器，使传输的光信号放大。光中继器有光-电-光中继器和直接对光放大的全光中继器。本书就对光纤通信系统所用到的各种器件和各个组成部分逐一加以介绍。
图1.3.2 光纤通信系统的组成
1.3.3 光纤通信优点
在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆损耗低得多，因此相对于电缆或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。
（1）频带宽、传输容量大
电缆基本上只适用于数据速率较低的局域网（LAN），高速局域网（传输速率≥100Mbit/s）和城域网（MAN）必须采用光纤。
（2）损耗小、中继距离长
电缆的每千米损耗通常在几分贝到十几分贝，而1.55μm光纤的损耗通常只有0.2dB/km，显然，电缆的损耗明显大于光纤，有的甚至大几个数量级。
（3）重量轻、体积小
由于电缆体积和重量较大，安装时还必须慎重处理接地和屏蔽问题，在空间狭小的场合，如舰船和飞机中，这个弱点更显突出。
（4）抗电磁干扰性能好
光纤是由电绝缘的石英材料制成的，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏，所以无金属加强筋光缆非常适用于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围、油田、煤矿和化工等易燃易爆的环境中。
（5）泄漏小、保密性好
在现代社会中，不但国家的政治、军事和经济情报需要保密，企业的经济和技术情报也已成为竞争对手的窃取目标。因此，通信系统保密性能往往是用户必须考虑的一个问题。现代侦听技术已能做到在离同轴电缆几千米以外的地方窃听电缆中传输的信号，可是对光缆却困难得多。因此，要求保密性高的网络不能使用电缆。
在光纤中传输的光泄漏是非常微弱的，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的工具，光纤是不能分接的，因此信息在光纤中传输非常安全，对军事、政治和经济具有重要的意义。
（6）节约金属材料，有利于资源合理使用
制造同轴电缆和波导管的金属材料，在地球上的储量是有限的；而制造光纤的石英（SiO2），在地球上的储量是多得无法估算的。
总之，由于通信用光纤都是用石英玻璃和塑料制成，是极好的电绝缘体，而且光信号在光缆中传输时不易产生泄露，所以不存在电气危害、电磁干扰、接地、屏蔽和保密性差等问题，再加上传输特性好的优点，使光纤成为迄今为止最好的信息传输媒质。因此不管是在干线网上，还是在接入网上，光纤通信都取得了飞速的发展。