（香樟推文）飞鸽传书通信系统的三要素

前言：飞鸽送信很有趣。 相传楚汉战争时，刘邦被项羽包围。 这时，刘邦利用飞鸽向总部发送消息求救，最终成功逃脱。

其实这是为了利用鸽子的归巢能力。 因此，古代行军打仗时，都会携带良种鸽子。 当有紧急情况向指挥部报告时，他们就会从鸽笼里取出一只鸽子，把信塞进鸽子脚上的小竹筒里，然后用手摸摸鸽子的头。 头，扔向天空，鸽子就会立即飞向目标。 当对方抓起鸽子，拿出信函时，他皱起了眉头。 这样就完成了一次通讯。

在飞鸽传递消息的通讯方式中，某个地方是“消息的来源”，总部是“消息的发送者”，鸽子是“通道”。 这就构成了我们通信系统的三个要素：源（发送设备）、宿（接收设备）和通道（传输介质）。

当然，现代通讯并不是那么简单。 基于上述模型，在发送、接收和传输媒体方面做了很多工作。 例如，我们必须提前讨论发送端和接收端的通信协议，选择合适的传输介质（无线和有线），尽量使信道尽可能宽和快，同时处理好复杂的内外环境造成的信息失真。 （做好抵抗噪音和干扰的准备）。 这些内容我会在这个系列中慢慢讲。

回到文章的主题，根据所使用的传输介质的不同，我们将通信分为有线通信和无线通信。 顾名思义，有线通信必须有真实的物理介质，例如电缆、网线或光纤。

无线通信使用电磁波。 这里，进一步总结一下，使用光纤的有线通信方法和使用电磁波的无线通信方法本质上都是使用光的通信，并且统称为光通信。 其中以光纤为介质的有线通信，即光纤通信，就是我们今天的主题。

那么为什么光纤会被用作通信介质并成为主流，尤其是长距离通信呢？

要成为通信传输介质，主要考核两个指标：传输距离和信息容量。

传输距离和损耗密切相关。 当然，损失越低越好。 同轴电缆的传输损耗达到每公里十几分贝，而光纤的损耗要低得多。 根据最新的G.654E光纤，窗口内衰减已达到0.17dB/km以下，这将有利于400G光纤通信系统的发展。 部署也是海底通信传输介质的最佳选择。

另一个因素是“信息能力”，也就是沟通能力。 这里，通信容量是指单位时间内传输的数据量。 频率越高，单位时间内可传输的数据量越大，通信容量也越大。 一般通信电缆使用的​​最高频率约为106Hz，光纤的工作频率在1014Hz至1014Hz之间。 可以看出光纤的频率高了好几倍。

对于光纤通信，我们一般采用比特率与距离的乘积，即BL乘积（Bitrate-），其中B为比特率，L为中继间隔。 其单位为百万赫兹×千米（MHz×km）。 之所以使用这两个值的乘积作为指针，是因为通常这两个值不会同时变得更好，必须有一个权衡。

由此可见，光纤作为传输介质具有相当大的优势。 特别是光纤还具有很强的抗电磁和抗干扰性能，这将在后面讨论。

解释为什么光纤已成为有线通信的首选传输介质。 我们来看看多年来无数科学家为实现光纤通信所做的努力。

仍然基于上面的通信模型。 对于光纤通信，通信模型变为：

在上述系统中，主要器件是参与接收和接收光源的激光器； 中间传输介质是光纤和光放大器，以增强传输距离。

就激光器而言，光源分为半导体激光器、半导体发光二极管和非半导体激光器三种。 在实际的光纤通信系统中，常用的是半导体激光器，也称为激光二极管，记为LD。 它是由前苏联科学家H.И发明的。 Basov于1960年提出。半导体激光器的结构通常由P区、N区和有源区组成双异质结。 工作波长在700至900nm之间。

几年后，贝尔实验室成功研制出工作温度为1200°的砷化铟镓磷激光器，为光纤通信找到了更合适的光源。 这使得光纤通信中波分传输技术得以发展。 同时，光接收端器件也从PIN光电二极管发展到APD雪崩二极管，具体取决于具体的应用场景。

对于光纤，大家可能都很熟悉，俗话说得好。 突破性的理论进展是中国科学家高锟发表的论文《光频介质纤维表面波导》，使利用光纤作为传输介质成为可能。

后来，美国康宁公司（成立于1851年的老牌玻璃制造厂，最早生产爱迪生电灯用的玻璃灯泡）低调地开始研发，成功生产出1970年，光纤损耗约为20dB/km。不久之后，康宁制造出了损耗低至4dB/km的多模光纤，从此推动光纤通信从理论走向应用。 让我们简单看一下光纤损耗减少的速度：

如上所述，目前商用G.654E光纤的损耗已达到0.17dB/km以下。 下面附上光纤损耗图，方便理解。

最后一个关键因素是光放大器。 当然，并不是所有的光纤通信都会用到光放大器，比如SDH、CWDM，大家可以先了解一下。

光纤通信工作在光纤的低损耗区域，即一定波长范围内。 为了传输更远的距离，需要在中间某处对信号进行放大（有两种：电中继和光中继，这里我们说的是光中继）。 这就像我们开车长途时，需要到服务区给车加油或者充电一样。

有的车需要加数字92，有的车需要加数字95，有的车是充电式的。 对于光纤通信长距离传输系统，主流的密集波分系统DWDM主要工作在C波段。 那么什么物质可以为C波段信号“加油”呢？

就像爱迪生发明灯泡一样，科学家们在元素周期表中“挖呀挖”。 最后，1985年，英国南安普顿大学首先研制成功掺铒光纤放大器EDFA，它由掺铒光纤（长约30米）组成。 10-30m）和泵浦光源。 掺铒光纤是在纯光纤中掺杂少量稀土元素铒（Er）离子，然后通过泵浦光和铒离子的受激辐射来放大光信号。

以以上三个主要方面为基础，光纤通信系统才能得到发展和推广。 第一个光纤通信系统是美国研制的，码率为45Mb/s，中继距离为10km。 1980年，美国研制出140Mb/s多模光纤通信系统。 1989年，世界第一条跨太平洋海底光缆系统建成。 1993年，SDH技术产品开始商用。 1997年，波分WDM技术20Gb/s和40Gb/s产品取得重大突破。

可见光纤通信的演进速度相当快。 直到今天，我们仍在寻找提高光纤通信系统传输容量的方法。 我在之前的文章中专门说过，主要是基于香农公式，目前主要的方法有以下几种。

让我们用高速公路系统来类比。

首先是提高单波长速率，让汽车跑得更快。 波分系统已经从目前大规模部署的10G、40G、100G、200G，以及即将大规模部署的400G传输系统演进。 未来还有800G、1.2T等，对频谱也有更高的要求。

第二是调制格式。 高阶调制可以大大提高频谱效率。

三是扩谱方向。 当单波发展到400G及以上时，需要更宽的频谱资源。 目前，对于400G来说，在波特率左右时，通道带宽会达到最大。 这就像在高速公路上驾驶一辆超大型汽车一样。 原来的车只有50GHz车道，但现在更宽了。 因此，要传输80波甚至96波/120波，就需要更宽的频谱。 现在已经实现了C+L的扩展，频谱带宽达到了12THz。

（此图来源于网络）

四是在光纤上做文章。 要想富，必须先修路，光纤通信系统也是如此。 目前光纤增容主要有两条路线：减少光纤损耗、增加有效面积、减小光纤尺寸等较为成熟的路线； 采用多芯光纤、少模光纤、空心光纤等创新路线。