光通信(以光波为载波的通信方式)

来源：互联网

光通信（Optical Communication），是以光波为载波的通信方式，光纤通信技术是现代光通信的主要支柱之一。光通信按光源特性，可分为激光通信和非激光通信；按传输媒介的不同，可分为有线光通信和无线光通信（也叫大气光通信）。常用的光通信包括大气激光通信、光纤通信、蓝绿光通信、红外线通信、紫外线通信。

光通信历史悠久，公元前两千多年，中国祖先通过烽火台烟火传递敌情，这是一种古老的光通信方式，夜间信号灯、航标灯也属此类。1854年，英国的廷德尔证实光线可沿弯曲管道传输。1960年，世界首台红宝石激光器问世。1961年，中国研制出首台红宝石激光器。1966年，英籍华人高锟提出光导纤维激光通信设想。1974年，中国开始了低损耗光纤和光通信的研究工作。1977年，全球首条商用光纤通信系统在美国投入商用。进入21世纪，出现了以40Gbit/s和100Gbit/s为基础的波分复用（WDM）系统的应用。2023年12月，中国开通全球首条1.2T超高速下一代互联网主干通路。2026年，中国在光通信和6G领域取得突破性进展，在国际上率先实现光纤通信和无线通信系统间的跨网络融合。

增加光通信光路带宽的方法有两种，提高光纤的单信道传输速率和增加单光纤中传输的波长数。光纤通信发生了多次重大变革。其中，波分复用系统对速率没有特别的要求，因此它成为使用最广泛的复用技术。光纤通信工作时，首先要在发射端将需传送的电话、电报、图像和数据信息进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经过光纤传输到接收端，接收端将收到的光信号转变成电信号，最后还原成原信号。构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。由于光通信使用的光纤是用高纯二氧化硅和塑料制成的，是极好的绝缘体，而且光信号在光缆中传输时不易产生泄漏，所以不存在电气危害、电磁干扰、接地、屏蔽和保密性差等问题，但光纤通信存在接口昂贵、强度差、不能传送电力等缺点。

定义

光通信（Optical Communication）是以光波为载波的通信方式，光纤通信技术是现代光通信的主要支柱之一。增加光路带宽的方法有两种：一是提高光纤的单信道传输速率；二是增加单光纤中传输的波长数，即波分复用技术（WDM）。

发展历史

中国

公元前两千多年以前，中国的祖先就在首都和边境堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟火传递受到入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来救援，这种土丘叫作烽火台，它就是一种古老的光通信设备。其中“姬宫湦烽火戏诸侯”的故事流传甚广，昏君周幽王为了让自己的爱妃开怀一笑，在无敌情的情况下，点燃烽火令各路诸侯派兵救援。然而当真正有敌人入侵时，再一次点燃烽火，却没人理会。另外，夜间的信号灯、水面上的航标灯也是古老光通信的实例。

1961年9月，由中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功中国第一台红宝石激光器。在70年代国外的低损耗光纤获得突破以后，中国从1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作，并于70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。1979年分别在北京和上海市建成了市话光缆通信试验系统，这比世界上第一次现场试验只晚两年多。这些成果成为中国光通信研究的良好开端，并使中国成为当时少有的几个拥有光缆通信系统试验段的国家之一。到80年代末，中国的光纤通信的关键技术已达到国际先进水平。

从1991年起，中国已不再建长途电缆通信系统，而大力发展光纤通信。在“八五”期间，建成了含22条光缆干线、总长达33000公里的“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网。1999年1月，中国第一条最高传输速率的国家一级干线（济南市——青岛市）8×2.5Gb/s密集波分复用（DWDM）系统建成，使一对光纤的通信容量又扩大了8倍。2010年，中国生产的光器件已占全球25%以上的市场份额，市场规模达93亿元，2011年超过了110亿元。2017年1月25日，中华人民共和国国家发展和改革委员会发布了《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》2016版，其中光通信设备位列下一代信息网络产业网络设备清单。

2022年10月，中国信科集团光通信技术和网络全国重点实验室实现全球首次3.03Pbit/s单模19芯光纤传输系统实验。2023年5月，该实验室又实现了总传输容量4.1Pbit/s、净传输容量3.61Pbit/s的单模19芯光纤传输系统实验，相比2022年的纪录，传输容量提升近40%。同年12月，中国开通全球首条1.2T（传输速率每秒1200G比特）超高速下一代互联网主干通路。该主干通路总长3000多公里，连接北京、武汉、广州市。这是未来互联网试验设施（FITI）项目的重大技术试验成果。它是国家重大科技基础设施未来网络试验设施的重要组成部分，由清华大学联合中国移动通信集团、华为和赛尔网络有限公司共同协作研制。

2026年2月，中国科学家在光通信和6G领域取得突破性进展，在国际上率先实现光纤通信和无线通信系统间的跨网络融合，自主研发的“光纤—无线一体化融合通信系统”的数据传输速率刷新纪录。该成果于2月19日在《自然》杂志在线发表。

国际

早期光通信方法和设施为灯语、旗语。17世纪初，荷兰人发明了望远镜，它使得人们可以看得更远。1791年，法国人发明了灯信号，此后“灯语”通信在欧洲使用广泛；旗语产生于西方的大航海时代，舰船之间通过旗语来进行联络。1854年，英国的廷德尔在伦敦皇家自然知识促进学会的一次演讲中指出，光线能够沿盛水的弯曲管道进行反射而传输，并用实验证实了这个想法。1880年，贝尔发明了一种利用光波作为载波传递语音信息的“光电话”，它利用太阳光作为光源、大气作为传输介质，用硒晶体作为光接收器件，成功实现了光通话。虽然通话距离只有213米，但它验证了利用光波作为载波传递信息的可能性。

1881年，贝尔宣读了一篇题为《关于利用光线进行声音的产生与复制》的论文，报导了他的光电话装置。1930年至1932年间，日本在东京的日本电报公司与每日新闻社之间实现了3.6公里的光通信，但在大雾大雨天气里效果很差。第二次世界大战期间，光电话发展成为红外线电话，因为红外线肉眼看不见，更有利于保密。

1927年，英国的贝尔德首次利用光全反射现象制成石英纤维可解析图像，并且获得了两项专利。1951年，荷兰和英国开始进行柔软纤维镜的研制。1953年，荷兰人范赫尔把一种折射率为1.47的塑料涂在玻璃纤维上，形成比玻璃纤维芯折射率低的套层，得到了光学绝缘的单根纤维。但由于塑料套层不均匀，光能量损失太大。

1960年7月，世界上第一台红宝石激光器出现了。有的实验室用氦-氖气体激光器做了传送电视信号和20路电话的实验。也有的公司制成了语言信道试验性通信系统，最大传输距离为600米。1966年，英籍华人高锟博士首次明确提出利用光导纤维进行激光通信的设想，并为此获得了1979年5月由瑞士国王颁发的国际伊利申通信奖金。1968年，日本两家公司联合宣布研制成了一种新型无套层光纤，它能聚集和成像，称作聚焦纤维。同期，美国宣布制成液体纤维，它是利用石英毛细管充以高透明液构成的。这两种光纤的光耗损很难降低，所以实用价值不大。

1970年，康宁公司用高纯石英生产出世界上第一根耗损率为每公里20分贝的套层光纤，开创了光纤通信的新篇章，使通信光纤研究跃进了一大步。一根光纤可以传输150万路电话和2万套电视。1974年，美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法——CVD法（汽相沉积法），使光纤损耗降低到1dB/km。1976年，日本在大阪附近的奈良县开始筹建世界上第一个完全用光缆实现光通信的实验区。1977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时的半导体激光器，从而有了真正实用的激光器。1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥投入商用，速率为45Mb/s。

20世纪90年代，掺铒光纤放大器（EDFA）的应用迅速得到了普及，用它可替代光/电/光再生中继器，同时可对多个1.55μm波段的光信号进行放大，从而使波分复用（WDM）系统得到普及。

进入21世纪，由于多种先进的调制技术、超强前向纠错（FEC）技术、电子色散补偿技术、偏振复用相干检测技术、扩展到长波段（L波段）的共掺磷和铒放大器（P-EDFA）技术、低损耗和大有效面积光纤等一系列新技术的突破和成熟，以及有源和无源器件集成模块的大量问世，出现了以40Gbit/s和100Gbit/s为基础的WDM系统的应用。

类型

光通信按光源特性，可分为激光通信和非激光通信；按传输媒介的不同，可分为有线光通信和无线光通信（也叫大气光通信），常用的光通信如下：

大气激光通信

信息以激光束为载波，沿大气传播。它不需要敷设线路，设备较轻，便于机动，保密性好，传输信息量大，可传输声音、数据、图像等信息。大气激光通信易受气候和外界环境的影响，一般用作河湖山谷、沙漠地区及海岛间的视距通信。

光纤通信

光纤通信是一种有线通信，光波沿光导纤维传输。光源可以是激光器（又称半导体激光二极管），也可以是发光二极管。光纤通信传输衰减小、容量大、不受外界干扰、保密性好，可用于大容量国防干线通信和野战通信等。

蓝绿光通信

蓝绿光通信是一种使用波长介于蓝光与绿光之间的激光，在海水中传输信息的通信方式，是目前较好的一种水下通信手段。

红外线通信

红外线通信是利用红外线传输信息的通信方式，可传输语言、文字、数据、图像等信息，适用于沿海岛屿间、近距离遥控、飞行器内部通信等。其通信容量大、保密性强、抗电磁干扰性能好、设备结构简单、体积小、重量轻、价格低。但在大气信道中传输时易受气候影响。

紫外线通信

紫外线通信是利用紫外线传输信息的通信方式。其基本原理与红外线通信相似，与红外线通信同属非激光通信。

工作原理

光纤传输方式

古希腊建筑的一位吹玻璃工匠观察到，光可以从玻璃棒的一端传输到另一端。1930年，有人拉出了石英细丝，人们就把它称为光导纤维（简称光纤）或光纤波导，并论述了它传光的原理。接着，这种玻璃丝在一些光学机械设备和医疗设备（如胃镜）中得到应用。光纤由纤芯和包皮两层组成，它们都是玻璃，只是材料成分稍有不同。一种光纤的芯径只有50~100μm，包皮直径约为120~140μm，所以光纤很细，比头发丝还细。假定光线对着纤维以一定入射角射入光纤，当光线传输到芯和皮的交界面上时，会发生类似镜子反射光的现象，当碰到对面的交界面时，又一次反射回来。当光线传输到光纤的拐弯处时，来回反射的次数就会增多，只要弯曲不是太厉害，光线就不会跑出光纤。光线就是这样在光纤内往返曲折地向前传输。

光通信方式

光纤通信工作时，首先要在发射端将需传送的电话、电报、图像和数据信息进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经过光纤传输到接收端，接收端将收到的光信号转变成电信号，最后还原成原信号。从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。

优缺点

优点

在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆损耗低得多，因此相对于电缆或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。

频带宽、传输容量大

电缆基本上只适用于数据速率较低的局域网（LAN），高速局域网（≥100Mbit/s）和城域网（MAN），必须采用光纤。

损耗小、中继距离长

电缆的损耗通常在几分贝到十几分贝，而1.55μm光纤的损耗通常只有0.2dB，显然，电缆的损耗明显大于光纤，有的甚至大几个数量级。

重量轻、体积小

由于电缆体积和重量较大，安装时还必须慎重处理接地和屏蔽问题，在空间狭小的场合，如舰船和飞机中，这个弱点更显突出。

抗电磁干扰性能好

光纤是由电绝缘的石英材料制成的，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏，所以无金属加强筋光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围以及油田、煤矿和化工等易燃易爆环境中使用。

泄漏小、保密性好

在现代社会中，不但国家的政治、军事和经济情报需要保密，企业的经济和技术情报也已成为竞争对手的窃取目标。因此，通信系统的保密性能往往是用户必须考虑的一个问题。现代侦听技术已能做到在离同轴电缆几千米以外的地方窃听电缆中传输的信号，可是对光缆却困难得多。因此，要求保密性高的网络不能使用电缆。在光纤中传输的光泄漏是非常微弱的，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤是不能分接的，因此信息在光纤中传输非常安全，对军事、政治和经济具有重要的意义。

节约金属材料，有利于资源合理使用

制造同轴电缆和波导管的金属材料，在地球上的储量是有限的，而制造光纤的石英（SiO₂），在地球上的储量是多到无法估算的。

缺点

接口昂贵

在实际使用中，需要昂贵的接口器件将光纤接到标准的电子设备上。

强度差

光缆本身与同轴电缆相比，抗拉强度要低得多。这可以通过使用标准的光纤包层PVC得到改善。

不能传送电力

有时需要为远处的接口或再生的设备提供电能，光缆显然不能胜任，在光缆系统中还必须额外使用金属电缆。

需要专用的工具、设备以及培训

需要使用专用工具完成光纤的焊接以及维修；需要专用测试设备进行常规测量；光缆的维修既复杂又昂贵，从事光缆工作的技术人员需要通过相应的技术培训并掌握一定的专业技能。

应用领域

光纤通信的主要应用领域是公用电信网。由于光纤通信具有容量大、中继距离长等优点，首先在长途干线网和局间中继网得到了普遍的应用。在信息高速公路的发展中，光纤通信系统已成为主要的高速网络。除了公用电信网络外，在各种特殊场合的专用通信网中，光纤通信也得到了广泛的应用。例如在计算机局域网中，光纤通信因其通信容量大、不受电磁干扰等特点，得到越来越多的应用。迅速发展的有线电视干线网也越来越多地采用光纤传输系统。光纤通信在电力、石油、化工、铁路、采矿、军事等部门都有广泛的应用。由于光纤尺寸小、重量轻，因此在飞机、舰船中也采用了光纤传输系统。

发展趋势

随着半导体激光器寿命的不断延长和光纤损耗的不断降低，各种类型的光通信系统大量投入使用。光纤通信将朝着长波长、单模、超低损耗、密集波分复用、超大容量、相干外差检测、光集成和不用光电变换的全光通信等方向发展。

定义

发展历史

中国

国际

类型

工作原理

相关技术

优缺点

优点

缺点

应用领域

发展趋势

相关定律