探讨光纤通信的大功率和高速应用

作为一个行业，电信行业经常因技术惯性而陷入困境。各种法规和相关性意味着，新的创新通常不会上市将近十年，而且采用起来可能会很慢，尤其是在电视，电话和互联网行业呆滞的情况下。自从1970年代中期以来，一直在进行光纤信息的传输，这是在康宁玻璃厂进行的研究工作之后进行的。然而，直到最近，大多数家庭电信连接仍保持为经典的铜线，限制了美国互联网的平均速度。根据从SpeedTest.net获取数据的“网络索引（Net Index）”，美国平均下载速度排名第33位，平均下载速度接近领先者香港平均速度的三分之一。

直到最近，一些公司才开始提供到居民地址的连接，这是该国多年来的首次电信通讯动摇。Verizon，Google和AT＆T都在某些地区提供服务，这些服务可以使企业和居民都可以访问世界范围内享有的高速连接。特别是去年在堪萨斯城推出的Google Fiber，这是Google首次涉足服务供应领域，它使用一些特别先进的新技术来提供对称的1 Gbps下载和上传速度。在很大程度上，全国范围的互联网访问改变了企业运作的方式以及人们互动和娱乐的方式，广泛的光纤（以及驱动它的迷人技术）只能推动我们的国家前进。

用于光纤通信的光源

光纤通信开始，超过已知为长纤维玻璃丝束通信信息的光脉冲。在最初的一端，电子信息通过LED或激光二极管在特定波长下的脉冲内插到光中，该波长用于最小化光在整个光纤中的分散。发光二极管作为正向偏置的pn结，通过自发发射以与发射的光相关联的特定带宽发射光。通常，LED光源用于速度不是很关键并且可以接受100 Mbps或更低速率的局域网连接中。这些LED最常用的半导体材料是磷化砷化镓铟和磷化砷化镓。

另一方面，激光二极管通过受激发射工作，调制的激光二极管可以达到数百毫瓦的功率。激光还产生相干的光，从而提高了能够通过LED耦合到光纤的光的效率。激光二极管最常用于光纤通信的大功率和高速应用中。如今，最常用的光源是垂直腔表面发射激光器（VCSEL），它以类似的成本比LED提供更大的功率和速度，同时可以更好地耦合到多模光纤。VCSEL具有两个平行于器件晶圆的分布式布拉格反射器，在该晶圆上制造了产生光子的量子阱。VCSEL的示意图如下图1所示。

简单的VCSEL二极管图（由Wikimedia Commons用户The Photon提供）

光纤电缆

然后必须将一端产生的光耦合到光纤中，这是一个困难的过程，其中光的相干性极其有用。这些电缆由玻璃制成，由于具有全内反射特性，因此可以远距离传输光。光纤电缆通常由芯线，包层和缓冲材料组成，就像受保护的波导一样。纤芯的折射率低于包层的折射率，这意味着光以最小的损耗穿过包层。缓冲器可保护包层的外部免受可能导致瑕疵的损坏。有时，光纤电缆还具有称为护套的另一层，其作用类似于包裹铜线的塑料。光纤电缆的层图如下图2所示，其中层1是芯层，层2是包层，

光纤层相对尺寸图（由Wikimedia Commons用户Bob Mellish提供）

光纤被构造为两种主要的子类型，即多模和单模。多模光纤具有较大的纤芯，并允许较少的相干光耦合，这意味着它们通常用于廉价的应用中。但是，多模光纤的不利之处在于，由于多模色散，它们严重限制了连接的带宽和长度。单模光纤允许更长和更快的光链路，同时需要更昂贵的材料和制造技术。光纤必须用专门的工具劈开，以形成一个平坦的表面，光可以耦合到其中而不会发生散射。创建和安装高性能光缆非常昂贵，并且是阻止许多服务提供商将光纤安装到家庭中的最大成本之一。例如，Emerald Atlantis和Hibernia Atlantic在2011年安装的跨大西洋海底通信电缆耗资约3亿美元，但它们能够在70毫秒内将数据从纽约市传输到伦敦。这些光缆在需要放大时会变得更加昂贵，因为光放大器是通过在光纤的长度上掺入昂贵的稀土材料（例如）制成的。

光纤接收器

在线路的另一端，光接收器检测通过光缆发送的信息。通常，这些是通过光电效应将光转换为电的半导体光电二极管。由于良好的发射器也是良好的吸收器，因此用于制造这些二极管的材料通常与LED中的材料相似-最常见的是砷化铟镓。为了验证接收到的信息，使用了各种信号处理技术，然后将其转换回电信号。就像铜一样，光缆可以承载多种类型的通信，并且目前用于电话，互联网，甚至与Verizon和Google Fiber一起用于电视。

光纤与电缆

光纤通信和电缆都存在于我们赖以生存的世界中。对于带宽不是很重要的近距离应用，铜缆布线和电气传输的价格相对便宜，而光纤在高带宽应用（尤其是多路复用）中则表现出色。虽然铜线一次只能传送一个信号，但是不同波长的多路复用信号可能会在同一根光缆中传播，从而大大增加了一根光纤所具有的总吞吐量。光纤电缆最适合用于可能引起高压的问题，并且光纤中的光不受电磁辐射的影响，而铜电缆则受到某些机器可能引起的任何感应电流的影响。纤维不会产生火花，难以插入（与电缆线不同），并且基本上无腐蚀性。简而言之，光纤非常适合安全，高精度，恶劣环境下的应用。此外，在带宽不断增加的世界中，必须使用光纤来确保我们的信息服务不断发展。

为什么要使用光纤来发展未来？

对于不断发展的电信，几乎可以肯定，信息将主要由光纤承载。随着消费者和企业要求更快，更可靠的互联网和电话服务，更好的制造工艺正在使这项技术每天都变得更便宜。可以更改现有的电话，电视和Internet网络以使用光纤来实现更高的吞吐量，尤其是在引入多路复用信号时。从我们落后的互联网速度可以看出，在我们遍布美国的铜网上很难（如果不是不可能）流式传输4K和蓝光质量的视频。拒绝投资网络的电信公司声称，没有应用需要对称的千兆位速度-就像电力公司坚持认为在20世纪初期不需要国家电网一样。为了实现创新，娱乐和整体进步，美国需要充分利用光纤布线背后的技术所带来的好处。

编辑：hfy