通信工程中光纖技術(shù)的設(shè)計應(yīng)用和發(fā)展趨勢

王文萃

（中國人民解放軍31401部隊，遼寧 大連 116000）

0 引 言

所謂“通信”，是指對生活中的事物進行解讀后得出的相關(guān)認知，然后再將之傳遞給他人的過程。在古代，“烽火狼煙”和“飛鴿傳書”等，都是信息傳遞的常見方式，而在信息時代，通信的精髓在于：提高信息傳輸效率、保證信息傳遞過程的安全性。自2009年諾貝爾獎得主高錕和George A.Hockham提出光纖可用于通信傳輸?shù)脑O(shè)想以來，光纖逐漸取代電纜，成為有線寬帶網(wǎng)絡(luò)通信過程的核心材料。

1 通信工程中光纖技術(shù)的主要作用及實現(xiàn)原理分析

通信工程的實質(zhì)是將信息轉(zhuǎn)換成信號后，進行定向傳輸。盡管現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)已經(jīng)突飛猛進，但是想要提升信息傳輸?shù)男?，依然要依托能源供?yīng)（電能）和特定的載體才能完成。在光纖出現(xiàn)之前，有限寬帶網(wǎng)絡(luò)依靠電纜進行信息傳輸。彼時，由于帶寬不足以及電纜材料自身的性能限制，用戶普遍感覺“網(wǎng)速慢”“網(wǎng)卡”。高錕等科學(xué)家經(jīng)過多年研究，提出將光纖用于通信傳輸?shù)脑O(shè)想。這一設(shè)想提出后，隨之而來的問題是如何解決輸電問題。美國拉里安公司給出的解決方案如下：首先，在信號發(fā)送端，運用半導(dǎo)體激光二極管將電能轉(zhuǎn)換為激光，并通過光纖完成傳播；然后，將太陽能電池改造成接收端，實現(xiàn)光纖輸電。這一過程即為光纖技術(shù)應(yīng)用于通信工程領(lǐng)域的初始模式。而進一步提升激光二極管的功率，并搭配完善的電能傳輸系統(tǒng)，光纖輸電（信號）的應(yīng)用范圍理論上可以無限擴大。但是，隨著研究的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)，僅僅將光纖作為一種用于傳遞電信號的載體，傳輸速度的提升幅度并不明顯。根據(jù)物理學(xué)原理：在外力作用下，電信號可以定向轉(zhuǎn)換為其他形式的信號，以提升傳輸速度。此種理念一經(jīng)提出，研究人員圍繞光纖進行調(diào)整，逐步形成了完善的光纖技術(shù)。原則上，完整的光纖傳輸系統(tǒng)應(yīng)由如下三部分組成。

1.1 光信號發(fā)送端

通過發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光管等元器件，盡管可以實現(xiàn)電信號與光信號的互相轉(zhuǎn)化，但核心問題在于：此類元器件的輸出光功率過低，有效作用范圍僅限于局域網(wǎng)內(nèi)。如果空間范圍局限于此，便無法實現(xiàn)光纖傳輸?shù)木薮髢r值。基于此，以多模石英光纖為代表的傳輸光纖應(yīng)運而生，其作用原理為：以發(fā)光二極管為核心元器件，對電路進行驅(qū)動和調(diào)試，在信號調(diào)制方式方面有所調(diào)整，轉(zhuǎn)換為光強度調(diào)制。在該系統(tǒng)中，發(fā)送光強度調(diào)節(jié)電位器能夠?qū)α鬟^LED的靜態(tài)驅(qū)動電流進行定向調(diào)整，通過調(diào)整發(fā)光二極管的發(fā)光功率，使音頻等信號經(jīng)過電容、電阻網(wǎng)絡(luò)、運放跟隨隔離后，耦合至負輸入端；之后在發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流疊加的作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枴?/p>

1.2 光信號接收端

光信號發(fā)出并傳遞至目標(biāo)位置之后，需要有相應(yīng)的設(shè)備完成對該信號的接收，將之轉(zhuǎn)換為電信號后，解析其中搭載的信息。在此過程中，光電二極管的作用不可忽視，否則轉(zhuǎn)換后的電信號很可能出現(xiàn)與光信號不成正比的情況，從而導(dǎo)致信息丟失。同時，光電二極管的運放響應(yīng)頻率與系統(tǒng)整體的運行頻率息息相關(guān)，在接收信號時必須重點監(jiān)控。

1.3 傳輸光纖

石英光纖做為光信號的直接載體，在實質(zhì)上發(fā)揮介質(zhì)波導(dǎo)的作用，將光信號“限制”在光纖內(nèi)部，使之無法“泄露”，必須沿著光纜的架設(shè)方向進行傳輸。相較之下，電纜的芯徑達到毫米級別，而光纜的芯徑為微米級（幾微米到幾百微米不等）?；趥鬏斈Ｊ降牟煌?，單模、多模傳輸光纖各自擁有特定的應(yīng)用范圍[1]。

在50M～100M寬帶得到普及的背后，光纖技術(shù)發(fā)揮了巨大的作用，如果此種材料及配套技術(shù)未能被及時發(fā)現(xiàn)，有限寬帶網(wǎng)絡(luò)乃至移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必然受到較大的影響。

2 通信工程中光纖技術(shù)的設(shè)計應(yīng)用簡析

2.1 光纜防護領(lǐng)域的光纖振動預(yù)警技術(shù)

得益于移動智能設(shè)備的普及，移動互聯(lián)網(wǎng)對有線寬帶網(wǎng)絡(luò)造成了極大的沖擊。此種網(wǎng)絡(luò)的“方便”之處在于：用戶的終端設(shè)備無需借助光纜完成連接，只需借助內(nèi)置的無線信號接受裝置，即可與移動互聯(lián)網(wǎng)的基站完成信息的無線傳遞與接收。雖然移動互聯(lián)網(wǎng)逐漸普及，但是在短時間內(nèi)，傳統(tǒng)的光纖技術(shù)通信模式依然擁有大量用戶。尤其是在三網(wǎng)融合背景下，高清數(shù)字電視端依然需要通過光纖完成信號的傳輸。在通信工程領(lǐng)域的光纖技術(shù)，除了保證正常狀態(tài)下的信息安全與信號平穩(wěn)、高效傳輸外，其面臨的最大問題在于如何保護光纜的安全。例如，大型機械設(shè)備之間通過移動互聯(lián)網(wǎng)進行信號傳輸時，容易在噪聲或其他強烈信號的干擾下，造成信息失真，導(dǎo)致工作效率降低，故在有線連接模式下，保護光纜的安全，意味著保證信息傳遞的安全。

光纜振動預(yù)警技術(shù)的核心原理相對簡單，即在光纖網(wǎng)絡(luò)中相對特殊的區(qū)域，分別安裝精度極高的光纖振動傳感器，并在其他監(jiān)控設(shè)備的配合下，共同形成完整的智能系統(tǒng)。當(dāng)光纜受到來自外界的不明作用力時，光纖即時產(chǎn)生振動。此時，基于光的干涉原理，光纜受任何微小振動均會出現(xiàn)相位變動，系統(tǒng)中的傳感器和智能數(shù)據(jù)分析體系將會開展即時分析，從而有效識別破壞力的危險程度。此技術(shù)無需人工介入，并可實現(xiàn)24 h不間斷監(jiān)測。計算機總控端的數(shù)據(jù)庫內(nèi)存有大量針對外部侵害的信息，并完成詳細分級，故對外力入侵的判斷十分準確，出現(xiàn)誤判、誤報的概率極低。一旦判斷為“高風(fēng)險”，在具體位置的鎖定方面，計算機總控端能夠?qū)O其精準的信息提供給防護人員[2]。

2.2 光纖傳感技術(shù)

作為衡量一個國家信息化程度的重要參數(shù)，光纖傳感技術(shù)的發(fā)展時間雖然已經(jīng)超過了40年，但對于軍事、國防、航天航空等幾乎全部領(lǐng)域的信息傳輸仍然在時刻發(fā)揮重要作用。光纖傳感是指精確感知外界被測量的目標(biāo)信號，并完成傳輸。其中，感知（敏感）是指當(dāng)外界信號遵照一定的變化規(guī)律，通過光波進行傳輸時，必然具備一定規(guī)模的物理特征參量，如功率、波長、相位以及偏振態(tài)等。通過觀測光參量變化的情況，實時了解外界信號的變化，本質(zhì)上是外界信號對光纖中傳播的光波進行實時調(diào)制。而“傳輸”，并非常規(guī)意義的光信號傳播，而是光纖系統(tǒng)將受外界信號調(diào)制處理后的光波，傳輸至系統(tǒng)自帶的光探測器端進行檢測，通過解調(diào)過程，將外界的信號（不一定是干擾，也可能是通過特殊形式傳遞而來的信息）進行剝離或提取，圍繞其中蘊藏的信息展開分析。由此可見，光纖傳感技術(shù)的本質(zhì)是對外部信號進行調(diào)制和解調(diào)。

2.3 光纖接入技術(shù)

上述兩種光纖技術(shù)在通信工程領(lǐng)域中雖然擁有重要地位，但與大眾用戶的關(guān)聯(lián)并不深。相較之下，光纖接入技術(shù)直接與用戶對接，產(chǎn)生的影響更加直觀。光纖接入技術(shù)利用光纖傳輸模式，圍繞本地交換機、遠端模塊以及用戶，形成完整或局部的光纖通信系統(tǒng)。通常，光纖接入網(wǎng)絡(luò)借助數(shù)字基帶傳輸技術(shù)，開展雙向交互式傳輸業(yè)務(wù)，為用戶提供信息分享服務(wù)。同其他技術(shù)一樣，盡管移動互聯(lián)網(wǎng)+智能手機的模式已經(jīng)成為個人用戶的首選，但智能手機、筆記本電腦在很多方面依然無法完全取代臺式機+有線寬帶網(wǎng)絡(luò)模式。隨著寬帶接入網(wǎng)進入高速發(fā)展時期，光纖接入技術(shù)也得到了普及。接入網(wǎng)絡(luò)主要存在FTTN、FTTC以及FTTH共3種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)環(huán)路。3種方案在初期的構(gòu)想中，分別對應(yīng)不同的需求。其中，LAN為局域網(wǎng)，對小區(qū)用戶進行整體接入控制。但隨著通信技術(shù)的不斷升級，三網(wǎng)融合等重大戰(zhàn)略規(guī)劃逐漸完成，有線與無線之間、不同設(shè)備之間智能化程度的區(qū)別正在逐漸減弱，光纖直接接入用戶端的模式已經(jīng)成為主流，每個獨立用戶均可以根據(jù)自身需要，選擇理論上最小為2M，最高達到155M的帶寬[3]。

3 通信工程中光纖技術(shù)未來的發(fā)展趨勢

3.1 光纖材料及技術(shù)與5G技術(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展

5G全稱為第五代移動通信技術(shù)，根據(jù)上文所述，移動通信、移動互聯(lián)網(wǎng)以及有線寬帶互聯(lián)網(wǎng)間存在著直接競爭關(guān)系，與廣播電視網(wǎng)絡(luò)并稱為“三網(wǎng)”，理論上的業(yè)務(wù)重點分別為移動設(shè)備（智能手機、平板及筆記本電腦）、大型數(shù)字設(shè)備（臺式電腦、工業(yè)領(lǐng)域的機組設(shè)備）以及傳統(tǒng)的數(shù)字媒體（電視的信號收集模式升級后，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咔鍞?shù)字電視）?！叭W(wǎng)”各有側(cè)重點的服務(wù)模式持續(xù)了數(shù)年時間，時至今日，已經(jīng)到了技術(shù)通用和協(xié)調(diào)發(fā)展的歷史新階段。基于此，同樣處于通信工程領(lǐng)域，光纖技術(shù)未來的重要發(fā)展方向，除了繼續(xù)為忠實客戶提供穩(wěn)定的信息傳輸分享服務(wù)外，還需在光纖材料方面著手，與5G以及未來的6G、7G等移動通信技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展。5G智能手機對其外殼的信號傳輸能力提出了極高的要求，因此，光纖技術(shù)的發(fā)展方向需要不斷擴展，避免受到傳統(tǒng)思維的制約[4]。

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用背景下光纖技術(shù)的發(fā)展方向

物聯(lián)網(wǎng)被稱為“下一代互聯(lián)網(wǎng)”，其特性為，在信息的傳播方式方面謀求“一致”。盡管物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展會使人類生活進一步發(fā)生變化，但真正廣泛應(yīng)用后，數(shù)據(jù)信息傳播方式的發(fā)展走向尚屬未知，屆時，光纖材料以及技術(shù)已經(jīng)發(fā)展至何種程度，與物聯(lián)網(wǎng)的契合程度是否符合大眾消費者及特殊消費群體的預(yù)期，需要仔細考量。筆者認為，相較于5G技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)的概念盡管早已存在，但具體運營模式仍過于抽象化，各大廠商目前給出的物聯(lián)網(wǎng)架設(shè)雛形究竟能否成功布置、何時完成布置，對光纖技術(shù)提升會提出何種具體要求等，均缺乏系統(tǒng)性的理論支撐。因此，光纖技術(shù)與5G及之后的移動通信技術(shù)合作發(fā)展在一段時間內(nèi)將會成為主流趨勢，但必須對于物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的所有信息進行實時收集、分析，避免錯過良機。

4 結(jié) 論

通信的核心發(fā)展思路在于用更具效率的方式實現(xiàn)信息的定向傳送。在寬帶互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)，光纖材料及技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)證明了其效率遠遠超過電纜。但信息經(jīng)由“傳播源頭-載體-傳輸終端”實現(xiàn)傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)模式已經(jīng)出現(xiàn)了較大的改變，如“載體”逐漸抽象化（無線對有線的沖擊，無需借助實物材質(zhì)完成“連接”）。故光纖技術(shù)未來的發(fā)展方向在于探索與移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域合作的更多可能性。