超通俗易懂科普：什么是光通信

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超通俗易懂科普：什么是光通信？


｜什么是光通信？

光通信就是使用光，向对方传输信息的技术。




｜光通信的基本结构

大家身边的电脑和手机，通过电信号“0和1”发送信息。光通信是由将电信号转换成光信号的“发送机”、将光信号转换成电信号的“接收机”，以及传输光的回路“光纤”构成。




｜光通信的优点

1.传输距离长，经济节能
2.一次性传输海量信息
3.通信速度快

1）传输距离长，经济节能

假设1秒钟内要传输10Gb的信息（100亿个信号），如果使用电通信的话，每隔100米就要调整一次信号。与此相比，使用光通信的话，需要调整间隔可为100千米以上。调整信号的次数越少，所使用的机器数量也越少，因此具有经济节能的效果。



比如说，现在和国外的朋友通话或上网聊天时，感觉与在国内通话没什么两样。不像以前那样声音会滞后。在只有电通信的时代，一次能传输的距离短而且传输的信息量少，国际间的通信主要通过人造卫星作为中继传输。但是，使用光通信的话，一次性传输的距离长而且传输的信息量多，因此，通过使用铺设在海底的光纤光缆，就能实现与海外自然畅通的通信。（电波和光的速度相同。但是，由于经由卫星的话传输路径会变长，信号到达较慢。海底电缆的距离短很多，所以信号会更快达到。）




2）一次性传输海量信息

大量用户可以同时接收需要的信息（影片或资讯等）。在1秒钟内，电通信最多只能传输10Gb（100亿个0和1信号）的信息，与此相比，光通信最多可以传输1Tb（1万亿个0和1信号）的信息。




3）通信速度快

电通信会因电噪声出现错误，导致通信速度下降。但是，光通信不会受到噪声的影响，因此可快速传输信号。



光通信用在什么地方


｜光通信存在于身边乃至世界

互联网、手机、IP电话等使用网络的设备，将每个人与其所在地区、与整个国家联系起来，甚至连接至全球通信网。比如说，电脑和手机发出的信号聚集在本地通信运营商的基站和网络供应商，再通过海底光缆中的光纤传输至世界各地。




｜连接网络的各种设备

大家平常所使用的各种设备都能联网。网络的出现，让大家的生活变得更加舒适便捷。



为什么需要光通信技术


｜通信量

大家的通信量每年都在增加。大家平时使用手机、短信、接收图像、网络（虚拟）商店时进行信息交流。设备性能逐年改善，使用方法也随之改变。大家可以想象，今后的通信量还会不断增大。光通信技术就运用于信息交流中。

｜传输量

随着整个社会通信量的增加，不断出现了只需1根光纤就能传输更多信息的技术。

表示传输量的单位
单位是bps。即bit per second的简称，表示1秒钟内可以传输的比特数。比如说，1bps表示的则是1秒钟内可以传输1比特的数据。





光通信中所使用的装置（光传输装置）

｜光传输装置是做什么的呢

光通信网的关键部位装有光传输装置。这个装置发挥着许多作用。
1.信号转换（发送信号）：将电信号转换成光信号。
2.信号复用：将多个窄的信号汇聚成一个宽的信号。
3.信号中继：远距离传输，中途中继信号。
4.信号转向：转换信号的传输方向。
5.信号解复用：将复用的信号分解成原来的单独信号。
6.信号转换（接收信号）：将光信号转换成电信号。




｜光传输装置

装置中安装了各种部件。
  

1. 转换（发送信号）

将接收的电信号转换成光信号。


2.复用

复用多个信号同时发送。
3.中继

传输过程中，信号的波形和强度发生劣化，因此需要将波形复原到原信号那样整齐的波形，加大光强。如果波形劣化严重，就需要暂时将光信号转换成电信号，波形错误修正后，重新转换成光信号进行传输。

4.转向

根据信号的去向，光开关切换光信号的传输方向。

5.解复用
将复用的信号分解成原来的单独信号。

6.转换（接收信号）

将接收的光信号转换成电信号。


通信方式（现在与将来）

下面通过汽车和车道来说明通信方式。假设汽车代表占有车道的时间（1区间）、货物代表每次搬运的信息量（比特数）、车道代表光的一个波长。


｜现在的通信速度：每波长传输10Gbps、40Gbps

・时分复用法（TDM: Time Division Multiplexing)

因为每次可以传输的信息有限，所以需要分时段传输。比如说，多个用户同时发送信息时，搬运信息的车道只有一条，因此装载不同信息包裹的货车需要排成一列进行搬运。车道出现堵塞时，传输速度就会变慢。


・波分复用法(WDM: Wavelength Division Multiplexing)

一次能传输的信息量较多，通过改变波长，可同时传输多位用户的信息。比如说，即使多位用户同时发送信息，只要分布着多条车道就不易造成堵塞，能够流畅地运送货物（比特数），而且传输速度比较平稳。


・多级调制法 (MM:Multi-level Modulation)

在1波长的1个区间传输多个信号的方法。通过改变光的波形，在同一波长上传输多位用户的信息。具有代表性的技术是四相差分相移键控调制法（DQPSKifferential Quadrature Phase-Shift-Keying)。通常情况下，每辆货车装载的货物是1比特，但是，使用“DQPSK”时，每辆货车可装载2比特货物。


｜将来的通信速度：每波长传输100Gbps

100Gbps相当于约0.4秒传输一张DVD的速度。（假设换算成容量为4.7GB的DVD）

・偏振复用法(Polarization multiplexing)

光在振动的同时向前进。振动的方向叫做“偏波”，分成垂直振动前进的光（垂直偏波）和水平振动前进的光（水平偏波）两种。偏波中包含的信息不会互相干扰，可传输大量信息。比如说，1条车道上同时行驶着2辆货车，这2辆货车在传输信息时不会发生碰撞。



神通广大的光网络（实例先容）


光纤遍布全世界，大家在各种场合都能获得高质量的服务。接下来先容相关实例。


小故事（为什么天空是蓝色的，夕阳是红色的呢）

｜为什么天空是蓝色的，夕阳是红色的呢？

你有没有想过，为什么天空看起来是蓝色的呢？ 天空呈现蓝色是有原因的。光的波长不同，呈现的颜色也不尽相同。太阳光进入地球的空气层（大气层）后会与空气中的灰尘（分子）发生碰撞，因此会改变光的朝向。也就是说，因为波长较短的光（比起红光蓝光波长更短）更容易与灰尘发生碰撞，所以光线容易到处扩散。天空之所以看起来是蓝色，是因为波长较短的蓝光扩散至整片天空。
｜太阳光的波长

太阳光看上去泛白，实际上因为混杂着从红光到蓝光的各色光。也就是说，太阳光中的光的波长各不相同。



｜天空呈现蓝色的原因（太阳光与灰尘发生碰撞）

1)太阳光进入空气层。空气层中漂浮着许多灰尘。


2)波长较短的蓝光容易与灰尘发生碰撞，光就向四周扩散。

另外，波长较长的红光在灰尘间自由穿梭。


3)蓝光扩散至整片天空，从远处看，天空呈现蓝色。

｜夕阳呈现红色的原因

为什么蓝色的天空在傍晚时分会呈现红色呢？这与太阳光穿过空气层的距离有关。太阳下山时，太阳的位置从大家的正上方向水平方向移动。于是，太阳光穿过空气层的距离，比起在正上方时，水平方向时变得更长，之前从灰尘缝隙中穿过的波长较长的红光开始与灰尘发生碰撞。而且，由于蓝光的波长较短，无法到达远处，只有被红光覆盖的天空映入大家的眼帘，因此，夕阳看上去是红色。


如上图所示，夕阳呈现红色的原因是，波长较长的光即使穿过厚厚的大气层后也不容易发生散射，具有能够到达远处的特性。光通信正是利用了这一原理，为了减少光纤中的散射，实现远距离传输，使用的是波长稍长的光。

预备常识（什么是波长）

｜什么是波长

从字面上看，“波长”就是“波的长度”。“波”包括声波、电波和光波等。波长是指一个波到下一个波之间的“一波”之长。


波长的差异随处可见。比如说，颜色的差异和声音高低的差异都取决于波长的“长短”。


｜波的伙伴

波长不同，种类各异。光通信中所使用的频率是1.3微米或1.55微米，属于红外线的一种。