探討光纖通信的大功率和高速應用

作為一個行業(yè)，電信行業(yè)經(jīng)常因技術(shù)慣性而陷入困境。各種法規(guī)和相關(guān)性意味著，新的創(chuàng)新通常不會上市將近十年，而且采用起來可能會很慢，尤其是在電視，電話和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)呆滯的情況下。自從1970年代中期以來，一直在進行光纖信息的傳輸，這是在康寧玻璃廠進行的研究工作之后進行的。然而，直到最近，大多數(shù)家庭電信連接仍保持為經(jīng)典的銅線，限制了美國互聯(lián)網(wǎng)的平均速度。根據(jù)從SpeedTest.net獲取數(shù)據(jù)的“網(wǎng)絡索引（Net Index）”，美國平均下載速度排名第33位，平均下載速度接近領(lǐng)先者香港平均速度的三分之一。

直到最近，一些公司才開始提供到居民地址的連接，這是該國多年來的首次電信通訊動搖。Verizon，Google和AT＆T都在某些地區(qū)提供服務，這些服務可以使企業(yè)和居民都可以訪問世界范圍內(nèi)享有的高速連接。特別是去年在堪薩斯城推出的Google Fiber，這是Google首次涉足服務供應領(lǐng)域，它使用一些特別先進的新技術(shù)來提供對稱的1 Gbps下載和上傳速度。在很大程度上，全國范圍的互聯(lián)網(wǎng)訪問改變了企業(yè)運作的方式以及人們互動和娛樂的方式，廣泛的光纖（以及驅(qū)動它的迷人技術(shù)）只能推動我們的國家前進。

用于光纖通信的光源

光纖通信開始，超過已知為長纖維玻璃絲束通信信息的光脈沖。在最初的一端，電子信息通過LED或激光二極管在特定波長下的脈沖內(nèi)插到光中，該波長用于最小化光在整個光纖中的分散。發(fā)光二極管作為正向偏置的pn結(jié)，通過自發(fā)發(fā)射以與發(fā)射的光相關(guān)聯(lián)的特定帶寬發(fā)射光。通常，LED光源用于速度不是很關(guān)鍵并且可以接受100 Mbps或更低速率的局域網(wǎng)連接中。這些LED最常用的半導體材料是磷化砷化鎵銦和磷化砷化鎵。

另一方面，激光二極管通過受激發(fā)射工作，調(diào)制的激光二極管可以達到數(shù)百毫瓦的功率。激光還產(chǎn)生相干的光，從而提高了能夠通過LED耦合到光纖的光的效率。激光二極管最常用于光纖通信的大功率和高速應用中。如今，最常用的光源是垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL），它以類似的成本比LED提供更大的功率和速度，同時可以更好地耦合到多模光纖。VCSEL具有兩個平行于器件晶圓的分布式布拉格反射器，在該晶圓上制造了產(chǎn)生光子的量子阱。VCSEL的示意圖如下圖1所示。

簡單的VCSEL二極管圖（由Wikimedia Commons用戶The Photon提供）

光纖電纜

然后必須將一端產(chǎn)生的光耦合到光纖中，這是一個困難的過程，其中光的相干性極其有用。這些電纜由玻璃制成，由于具有全內(nèi)反射特性，因此可以遠距離傳輸光。光纖電纜通常由芯線，包層和緩沖材料組成，就像受保護的波導一樣。纖芯的折射率低于包層的折射率，這意味著光以最小的損耗穿過包層。緩沖器可保護包層的外部免受可能導致瑕疵的損壞。有時，光纖電纜還具有稱為護套的另一層，其作用類似于包裹銅線的塑料。光纖電纜的層圖如下圖2所示，其中層1是芯層，層2是包層，

光纖層相對尺寸圖（由Wikimedia Commons用戶Bob Mellish提供）

光纖被構(gòu)造為兩種主要的子類型，即多模和單模。多模光纖具有較大的纖芯，并允許較少的相干光耦合，這意味著它們通常用于廉價的應用中。但是，多模光纖的不利之處在于，由于多模色散，它們嚴重限制了連接的帶寬和長度。單模光纖允許更長和更快的光鏈路，同時需要更昂貴的材料和制造技術(shù)。光纖必須用專門的工具劈開，以形成一個平坦的表面，光可以耦合到其中而不會發(fā)生散射。創(chuàng)建和安裝高性能光纜非常昂貴，并且是阻止許多服務提供商將光纖安裝到家庭中的最大成本之一。例如，Emerald Atlantis和Hibernia Atlantic在2011年安裝的跨大西洋海底通信電纜耗資約3億美元，但它們能夠在70毫秒內(nèi)將數(shù)據(jù)從紐約市傳輸?shù)絺惗?。這些光纜在需要放大時會變得更加昂貴，因為光放大器是通過在光纖的長度上摻入昂貴的稀土材料（例如）制成的。

光纖接收器

在線路的另一端，光接收器檢測通過光纜發(fā)送的信息。通常，這些是通過光電效應將光轉(zhuǎn)換為電的半導體光電二極管。由于良好的發(fā)射器也是良好的吸收器，因此用于制造這些二極管的材料通常與LED中的材料相似-最常見的是砷化銦鎵。為了驗證接收到的信息，使用了各種信號處理技術(shù)，然后將其轉(zhuǎn)換回電信號。就像銅一樣，光纜可以承載多種類型的通信，并且目前用于電話，互聯(lián)網(wǎng)，甚至與Verizon和Google Fiber一起用于電視。

光纖與電纜

光纖通信和電纜都存在于我們賴以生存的世界中。對于帶寬不是很重要的近距離應用，銅纜布線和電氣傳輸?shù)膬r格相對便宜，而光纖在高帶寬應用（尤其是多路復用）中則表現(xiàn)出色。雖然銅線一次只能傳送一個信號，但是不同波長的多路復用信號可能會在同一根光纜中傳播，從而大大增加了一根光纖所具有的總吞吐量。光纖電纜最適合用于可能引起高壓的問題，并且光纖中的光不受電磁輻射的影響，而銅電纜則受到某些機器可能引起的任何感應電流的影響。纖維不會產(chǎn)生火花，難以插入（與電纜線不同），并且基本上無腐蝕性。簡而言之，光纖非常適合安全，高精度，惡劣環(huán)境下的應用。此外，在帶寬不斷增加的世界中，必須使用光纖來確保我們的信息服務不斷發(fā)展。

為什么要使用光纖來發(fā)展未來？

對于不斷發(fā)展的電信，幾乎可以肯定，信息將主要由光纖承載。隨著消費者和企業(yè)要求更快，更可靠的互聯(lián)網(wǎng)和電話服務，更好的制造工藝正在使這項技術(shù)每天都變得更便宜?？梢愿默F(xiàn)有的電話，電視和Internet網(wǎng)絡以使用光纖來實現(xiàn)更高的吞吐量，尤其是在引入多路復用信號時。從我們落后的互聯(lián)網(wǎng)速度可以看出，在我們遍布美國的銅網(wǎng)上很難（如果不是不可能）流式傳輸4K和藍光質(zhì)量的視頻。拒絕投資網(wǎng)絡的電信公司聲稱，沒有應用需要對稱的千兆位速度-就像電力公司堅持認為在20世紀初期不需要國家電網(wǎng)一樣。為了實現(xiàn)創(chuàng)新，娛樂和整體進步，美國需要充分利用光纖布線背后的技術(shù)所帶來的好處。

編輯：hfy