通俗科普光通信技術

科技 08-27

使用光網路將每個人發送的信息，傳播到世界各地。接下來介紹可以一次性快速傳輸海量信息的技術。

什麼是光通信

｜什麼是光通信？

簡而言之，光通信就是使用光，向對方傳輸信息的技術。

｜光通信的基本結構

我們身邊的電腦和手機，通過電信號「0和1」發送信息。光通信是由將電信號轉換成光信號的「發送機」、將光信號轉換成電信號的「接收機」，以及傳輸光的迴路「光纖」構成。

｜光通信的優點

1.傳輸距離長，經濟節能

2.一次性傳輸海量信息

3.通信速度快

1）傳輸距離長，經濟節能

假設1秒鐘內要傳輸10Gb的信息（100億個信號），如果使用電通信的話，每隔100米就要調整一次信號。與此相比，使用光通信的話，需要調整間隔可為100千米以上。調整信號的次數越少，所使用的機器數量也越少，因此具有經濟節能的效果。

比如說，現在和國外的朋友通話或上網聊天時，感覺與在國內通話沒什麼兩樣。不像以前那樣聲音會滯後。在只有電通信的時代，一次能傳輸的距離短而且傳輸的信息量少，國際間的通信主要通過人造衛星作為中繼傳輸。但是，使用光通信的話，一次性傳輸的距離長而且傳輸的信息量多，因此，通過使用鋪設在海底的光纖光纜，就能實現與海外自然暢通的通信。

電波和光的速度相同。但是，由於經由衛星的話傳輸路徑會變長，信號到達較慢。海底電纜的距離短很多，所以信號會更快達到。

2）一次性傳輸海量信息

大量用戶可以同時接收需要的信息（電影或新聞等）。在1秒鐘內，電通信最多只能傳輸10Gb（100億個0和1信號）的信息，與此相比，光通信最多可以傳輸1Tb（1萬億個0和1信號）的信息。

3）通信速度快

電通信會因電雜訊出現錯誤，導致通信速度下降。但是，光通信不會受到雜訊的影響，因此可快速傳輸信號。

光通信用在什麼地方

｜光通信存在於身邊乃至世界

互聯網、手機、IP電話等使用網路的設備，將每個人與其所在地區、與整個國家聯繫起來，甚至連接至全球通信網。比如說，電腦和手機發出的信號聚集在本地通信運營商的基站和網路供應商，再通過海底光纜中的光纖傳輸至世界各地。

｜連接網路的各種設備

我們平常所使用的各種設備都能聯網。網路的出現，讓我們的生活變得更加舒適便捷。

為什麼需要光通信技術

｜通信量

我們的通信量每年都在增加。我們平時使用手機、簡訊、接收圖像、網路（虛擬）商店時進行信息交流。設備性能逐年改善，使用方法也隨之改變。我們可以想像，今後的通信量還會不斷增大。光通信技術就運用於信息交流中。

｜傳輸量

隨著整個社會通信量的增加，不斷出現了只需1根光纖就能傳輸更多信息的技術。

傳輸量的單位

傳輸單位是bps，即bit per second的簡稱，表示1秒鐘內可以傳輸的比特數。比如說，1bps表示的則是1秒鐘內可以傳輸1比特的數據。

光通信中所使用的裝置（光傳輸裝置）

｜光傳輸裝置是做什麼的呢

光通信網的關鍵部位裝有光傳輸裝置。這個裝置發揮著許多作用。

1.信號轉換（發送信號）：將電信號轉換成光信號。

2.信號復用：將多個窄的信號匯聚成一個寬的信號。

3.信號中繼：遠距離傳輸，中途中繼信號。

4.信號轉向：轉換信號的傳輸方向。

5.信號解復用：將復用的信號分解成原來的單獨信號。

6.信號轉換（接收信號）：將光信號轉換成電信號。

｜光傳輸裝置

裝置中安裝了各種部件。

1. 轉換（發送信號），將接收的電信號轉換成光信號。

2.復用，復用多個信號同時發送。

3.中繼，傳輸過程中，信號的波形和強度發生劣化，因此需要將波形復原到原信號那樣整齊的波形，加大光強。如果波形劣化嚴重，就需要暫時將光信號轉換成電信號，波形錯誤修正後，重新轉換成光信號進行傳輸。

4.轉向，根據信號的去向，光開關切換光信號的傳輸方向。

5.解復用，將復用的信號分解成原來的單獨信號。

6.轉換（接收信號）。將接收的光信號轉換成電信號。

通信方式（現在與將來）

下面通過汽車和車道來說明通信方式。假設汽車代表佔有車道的時間（1區間）、貨物代表每次搬運的信息量（比特數）、車道代表光的一個波長。

｜現在的通信速度：每波長傳輸10Gbps、40Gbps。

?時分復用法（TDM: Time Division Multiplexing)

因為每次可以傳輸的信息有限，所以需要分時段傳輸。比如說，多個用戶同時發送信息時，搬運信息的車道只有一條，因此裝載不同信息包裹的貨車需要排成一列進行搬運。車道出現堵塞時，傳輸速度就會變慢。

?波分復用法(WDM: Wavelength Division Multiplexing)

一次能傳輸的信息量較多，通過改變波長，可同時傳輸多位用戶的信息。比如說，即使多位用戶同時發送信息，只要分布著多條車道就不易造成堵塞，能夠流暢地運送貨物（比特數），而且傳輸速度比較平穩。

?多級調製法 (MM:Multi-level Modulation)

在1波長的1個區間傳輸多個信號的方法。通過改變光的波形，在同一波長上傳輸多位用戶的信息。具有代表性的技術是四相差分相移鍵控調製法（DQPSK:Differential Quadrature Phase-Shift-Keying)。通常情況下，每輛貨車裝載的貨物是1比特，但是，使用「DQPSK」時，每輛貨車可裝載2比特貨物。

｜將來的通信速度：每波長傳輸100Gbps

100Gbps相當於約0.4秒傳輸一張DVD的速度。（假設換算成容量為4.7GB的DVD）

?偏振復用法(Polarization multiplexing)

光在振動的同時向前進。振動的方向叫做「偏波」，分成垂直振動前進的光（垂直偏波）和水平振動前進的光（水平偏波）兩種。偏波中包含的信息不會互相干擾，可傳輸大量信息。比如說，1條車道上同時行駛著2輛貨車，這2輛貨車在傳輸信息時不會發生碰撞。

神通廣大的光網路（實例介紹）

光纖遍布全世界，我們在各種場合都能獲得高質量的服務。接下來介紹相關實例。

小故事

｜為什麼天空是藍色的，夕陽是紅色的呢？

你有沒有想過，為什麼天空看起來是藍色的呢？天空呈現藍色是有原因的。光的波長不同，呈現的顏色也不盡相同。太陽光進入地球的空氣層（大氣層）後會與空氣中的灰塵（分子）發生碰撞，因此會改變光的朝向。也就是說，因為波長較短的光（比起紅光藍光波長更短）更容易與灰塵發生碰撞，所以光線容易到處擴散。天空之所以看起來是藍色，是因為波長較短的藍光擴散至整片天空。

｜太陽光的波長

太陽光看上去泛白，實際上因為混雜著從紅光到藍光的各色光。也就是說，太陽光中的光的波長各不相同。

｜天空呈現藍色的原因（太陽光與灰塵發生碰撞）

1)太陽光進入空氣層。空氣層中漂浮著許多灰塵。

2)波長較短的藍光容易與灰塵發生碰撞，光就向四周擴散。

另外，波長較長的紅光在灰塵間自由穿梭。

3)藍光擴散至整片天空，從遠處看，天空呈現藍色。

｜夕陽呈現紅色的原因

為什麼藍色的天空在傍晚時分會呈現紅色呢？這與太陽光穿過空氣層的距離有關。太陽下山時，太陽的位置從我們的正上方向水平方向移動。於是，太陽光穿過空氣層的距離，比起在正上方時，水平方向時變得更長，之前從灰塵縫隙中穿過的波長較長的紅光開始與灰塵發生碰撞。而且，由於藍光的波長較短，無法到達遠處，只有被紅光覆蓋的天空映入我們的眼帘，因此，夕陽看上去是紅色。