光纤通信及光放大器技术 / 开普饭

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1 最新商用案例

2020年工信部和国家发改委多次发声在“新基建”建设中需加快打造千兆光纤网络等信息基础设施，然而，由于用户家庭网络情况复杂，如百兆网线、单频路由器、老旧光猫等问题，导致Wi-Fi速率低、覆盖差、稳定性不佳，无法满足智慧家庭的要求。

于2020年11月12在湖北召开的第六届武汉国际光谷论坛上，华为传送与接入产品线副总裁王丽彪表示：”华为创新研发的FTTR千兆全光组网方案，将光纤铺设到每一个房间，再通过华为星光系列Wi-Fi 6智能光猫，可为用户提供高达千兆的全屋Wi-Fi 6信号覆盖。解决带宽瓶颈和覆盖问题，保障在线教育、居家办公和家庭娱乐等应用的优质体验。”

据了解，华为FTTR千兆全光组网方案亮点包括：

全屋真千兆：光纤是目前传输速度最快的有线介质，Wi-Fi6是目前最新的第六代Wi-Fi技术，二者结合可以实现每个房间1Gbps的千兆Wi-Fi 网络全覆盖，保障低时延和高稳定，VR直播、点播、追剧、办公、游戏和网课都可拥有“真千兆”畅快体验。

多设备稳定连接：相比Wi-Fi 5，Wi-Fi 6技术支持128台多设备同时连接和传输数据，同时具备智能抗干扰技术，保证每台智能终端都能稳定、高速的连接和交互。

无缝漫游业务0卡顿：全屋一张Wi-Fi网络，切换漫游无感知，微秒级切换时延，0丢包率，让智能终端在多房间和多楼层间移动时都能始终连接到最好的Wi-Fi信号，保证视频通话、扫地机器人等移动式业务流畅。

智能化运维：支持华为iMaster NCE精准识别家庭Wi-Fi网络拓扑，提供远程智能诊断和质差路由器识别能力，并提供远程修复和调优功能，帮助运营商降低故障上门率。

另外，FTTR千兆全光网络支持暗管和明线多种改造方案，适用与新老多样户型，改造简单；柔性光纤和智能穿管工具，保证安装效率高；光纤布网，最高带宽支持万兆以上，一次部署支持未来30年可演进。

很显然FTTR千兆全光网络的优势依赖于光纤通信技术, 那么什么是光纤通信呢？

2 光纤通信

在介绍光纤通信技术之前，作为一个科普文，我们必须提到一位在光纤通信技术发展过程中起到了重要作用的华裔科学家——高锟，其因为在光纤通信领域的突破性成就被授予了2009年诺贝尔物理学奖（for groundbreaking achievements concerningthe transmission of light in fibers for optical communication），国际媒体通常将其称为“光纤通信之父”。

光纤通信是指一种利用光与光纤传递信息的一种方式，属于有线通信的一种。光波经过调制（Modulation）后便能携带信息。（我们都知道光信号有强度、频率、相位、偏振态等参数，请感兴趣的读者留言讨论光的哪些参数可以用来调制携带信息。）

光纤通信具有传输容量大、保密性好等许多优点。光纤通信线在已经成为当今最主要的有线通信方式。将需发送的信息在发送端输入到发送机中，将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上，然后将已调制的载波通过传输媒质发送到远处的接收端，由接收机解调出原来的信息。根据信号调制方式的不同，光纤通信可以分为数字光纤通信、模拟光纤通信。

显然光通信需经过下列几个步骤：

（1）发射机（Transmitter）产生光信号；

（2）光纤传递信号，同时必须确保光信号在光纤中不会衰减或严重变形；

（3）接收机（Receiver）接收光信号，并且转换成电信号；

虽然，通信在人类历史中一直发挥着重要作用（起源于烽火台传递情报），但是直到二十世纪中叶，人们才意识到光能够被用来传递信息，并且能带来很多过去所没有的显著好处。

然而，当时并没有相干性高的光源，也没有适合作为传递光信号的介质，也所以光通信一直只是概念。直到1960年代，激光（laser）的发明才解决第一项难题。1970年代康宁公司（Corning Glass Works）发展出高质量低衰减的光纤则是解决了第二项问题，此时信号在光纤中传递的衰减量第一次低于光纤通信之父高锟所提出的每千米衰减20分贝（20dB/km）关卡，证明光纤作为通信介质的可能性。与此同时使用砷化镓（GaAs）作为材料的半导体激光（semiconductor laser）也被发明出来，并且凭借着体积小的优势而大量运用于光纤通信系统中。1976年，第一条速率为44.7Mbit/s的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。

经过五年的研发期，第一个商用的光纤通信系统在1980年问市。这个人类史上第一个光纤通信系统使用波长800nm的砷化镓激光作为光源，传输的速率（data rate）达到45Mb/s（bits per second），每10千米需要一个中继器增强信号。

第二代的商用光纤通信系统也在1980年代初期就发展出来，使用波长1300纳米的磷砷化镓铟（InGaAsP）激光。早期的光纤通信系统虽然受到色散（dispersion）的问题而影响了信号质量，但是1981年单模光纤（single-mode fiber）的发明克服了这个问题。到了1987年时，一个商用光纤通信系统的传输速率已经高达1.7Gb/s，比第一个光纤通信系统的速率快将近四十倍之多。同时传输的功率与信号衰减的问题也有显著改善，间隔50千米才需要一个中继器增强信号。1980年代末，掺铒光放大器的诞生，堪称光通信历史上的一个里程碑似的事件，它使光纤通信可直接进行光中继，使长距离高速传输成为可能，并促使波分复用技术的诞生。因此，本文第三部分将对光放大器进行简要介绍！

第三代的光纤通信系统改用波长1550纳米的激光做光源，而且信号的衰减已经低至每千米0.2分贝（0.2dB/km）。之前使用磷砷化镓铟激光的光纤通信系统常常遭遇到脉冲延散（pulse spreading）问题，而科学家则设计出色散位移光纤（dispersion-shiftedfiber）来解决这些问题，这种光纤在传递1550nm的光波时，色散几乎为零，因其可将激光光的光谱限制在单一纵模。这些技术上的突破使得第三代光纤通信系统的传输速率达到2.5Gb/s，而且中继器的间隔可达到100千米远。

第四代光纤通信系统引进光放大器，进一步减少中继器的需求。另外，波分复用技术则大幅增加传输速率。这两项技术的发展让光纤通信系统的容量以每六个月增加一倍的方式大幅跃进，到了2001年时已经到达10Tb/s的惊人速率，足足是80年代光纤通信系统的200倍之多。

波分复用技术原理图

第五代光纤通信系统发展的重心在于扩展波分复用器的波长操作范围。传统的波长范围，也就是一般俗称的“C band”约是1530nm至1570nm之间，新一带的无水光纤（dry fiber）低损耗的波段则延伸到1300nm至1650nm间。另外一个发展中的技术是引进光孤子（optical soliton）的概念，利用光纤的非线性效应，让脉冲能够抵抗色散而维持原本的波形。

波带知识补充：

第一代光纤通信系统诞生以后的30多年间，学界、工业界的专家们总结出了一个“低损耗波长区域”，也就是1260nm~1625nm区域，这个区域的被进一步划分成了5个波段(如下图)，并研究了传输损耗与波带之间的关系。

光通信Band图

因为不同的损耗特点，不同band用途差异较大：

O-Original, 早期的光通信波段；

S-Short wavelength, 它经常被用于PON（无源光网络）系统的下行波长；

C-Conventional, 广泛用于城域网、长途、超长途以及海底光缆系统、WDM波分复用系统；

L-Long wavelength band: 当C波段不足以满足带宽需求的时候，也会采用L波段作为补充；

E-Extended, 损耗最大（见下图），最不常见的波段

损耗 VS Band

除了以上波段之外，其实还有一个主要用于网络监控的U波段（ultra-long-wavelength band，超长波段：1625-1675 nm）。U频段则

3光放大器

通过光纤的光的传输损耗是非常小的值，在1550 nm波段的光波长下，每公里小于0.2 dB。然而，当光纤的长度是长达10 km或100 km的距离时，该传输损耗就不能忽略。当在长距离光纤中传播的光（信号）变得非常微弱时，有必要使用光放大器来放大光（信号）。

光放大器直接放大光而不将光信号转换为电信号，是支持当今长距离光通信网络的极其重要的设备。光放大器的主要类型包括EDFA，FRA和SOA。

EDFA（掺铒光纤放大器）

如上所述，EDFA是OFA的一种，是一种将铒离子添加到光纤芯中的光放大器。它具有高增益和低噪声的特性，与偏振无关，可以放大1550nm波段或1580nm波段的光信号。

EDFA的放大原理与激光产生原理类似，光纤中掺杂的稀土族元素Er(3+)其亚稳态（meta-stable state）和基态（ground state）的能量差相当于1550nm光子的能量。当吸收适当波长的泵浦光能量（980nm或1480nm）后，电子会从基态跃迁到能阶较高的激发态，接着释放少量能量转移到较稳定的亚稳态、在泵浦光源足够时铒离子的电子会发生粒子数反转，即高能阶的亚稳态比能阶低的基态电子数量多、当适当的光信号通过时，亚稳态电子会发生受激辐射效应，放射出大量同波长光子、但因为存在振动能阶，所以波长不是单一而是一个范围，典型值为1530~1570nm。