通信工程中光纤技术的设计应用和发展趋势

王文萃

（中国人民解放军31401部队，辽宁 大连 116000）

0 引 言

所谓“通信”，是指对生活中的事物进行解读后得出的相关认知，然后再将之传递给他人的过程。在古代，“烽火狼烟”和“飞鸽传书”等，都是信息传递的常见方式，而在信息时代，通信的精髓在于：提高信息传输效率、保证信息传递过程的安全性。自2009年诺贝尔奖得主高锟和George A.Hockham提出光纤可用于通信传输的设想以来，光纤逐渐取代电缆，成为有线宽带网络通信过程的核心材料。

1 通信工程中光纤技术的主要作用及实现原理分析

通信工程的实质是将信息转换成信号后，进行定向传输。尽管现代科学技术已经突飞猛进，但是想要提升信息传输的效率，依然要依托能源供应（电能）和特定的载体才能完成。在光纤出现之前，有限宽带网络依靠电缆进行信息传输。彼时，由于带宽不足以及电缆材料自身的性能限制，用户普遍感觉“网速慢”“网卡”。高锟等科学家经过多年研究，提出将光纤用于通信传输的设想。这一设想提出后，随之而来的问题是如何解决输电问题。美国拉里安公司给出的解决方案如下：首先，在信号发送端，运用半导体激光二极管将电能转换为激光，并通过光纤完成传播；然后，将太阳能电池改造成接收端，实现光纤输电。这一过程即为光纤技术应用于通信工程领域的初始模式。而进一步提升激光二极管的功率，并搭配完善的电能传输系统，光纤输电（信号）的应用范围理论上可以无限扩大。但是，随着研究的不断深入，研究人员发现，仅仅将光纤作为一种用于传递电信号的载体，传输速度的提升幅度并不明显。根据物理学原理：在外力作用下，电信号可以定向转换为其他形式的信号，以提升传输速度。此种理念一经提出，研究人员围绕光纤进行调整，逐步形成了完善的光纤技术。原则上，完整的光纤传输系统应由如下三部分组成。

1.1 光信号发送端

通过发光二极管、半导体激光管等元器件，尽管可以实现电信号与光信号的互相转化，但核心问题在于：此类元器件的输出光功率过低，有效作用范围仅限于局域网内。如果空间范围局限于此，便无法实现光纤传输的巨大价值。基于此，以多模石英光纤为代表的传输光纤应运而生，其作用原理为：以发光二极管为核心元器件，对电路进行驱动和调试，在信号调制方式方面有所调整，转换为光强度调制。在该系统中，发送光强度调节电位器能够对流过LED的静态驱动电流进行定向调整，通过调整发光二极管的发光功率，使音频等信号经过电容、电阻网络、运放跟随隔离后，耦合至负输入端；之后在发光二极管静态驱动电流叠加的作用下，转变为光信号。

1.2 光信号接收端

光信号发出并传递至目标位置之后，需要有相应的设备完成对该信号的接收，将之转换为电信号后，解析其中搭载的信息。在此过程中，光电二极管的作用不可忽视，否则转换后的电信号很可能出现与光信号不成正比的情况，从而导致信息丢失。同时，光电二极管的运放响应频率与系统整体的运行频率息息相关，在接收信号时必须重点监控。

1.3 传输光纤

石英光纤做为光信号的直接载体，在实质上发挥介质波导的作用，将光信号“限制”在光纤内部，使之无法“泄露”，必须沿着光缆的架设方向进行传输。相较之下，电缆的芯径达到毫米级别，而光缆的芯径为微米级（几微米到几百微米不等）。基于传输模式的不同，单模、多模传输光纤各自拥有特定的应用范围[1]。

在50M～100M宽带得到普及的背后，光纤技术发挥了巨大的作用，如果此种材料及配套技术未能被及时发现，有限宽带网络乃至移动互联网的发展必然受到较大的影响。

2 通信工程中光纤技术的设计应用简析

2.1 光缆防护领域的光纤振动预警技术

得益于移动智能设备的普及，移动互联网对有线宽带网络造成了极大的冲击。此种网络的“方便”之处在于：用户的终端设备无需借助光缆完成连接，只需借助内置的无线信号接受装置，即可与移动互联网的基站完成信息的无线传递与接收。虽然移动互联网逐渐普及，但是在短时间内，传统的光纤技术通信模式依然拥有大量用户。尤其是在三网融合背景下，高清数字电视端依然需要通过光纤完成信号的传输。在通信工程领域的光纤技术，除了保证正常状态下的信息安全与信号平稳、高效传输外，其面临的最大问题在于如何保护光缆的安全。例如，大型机械设备之间通过移动互联网进行信号传输时，容易在噪声或其他强烈信号的干扰下，造成信息失真，导致工作效率降低，故在有线连接模式下，保护光缆的安全，意味着保证信息传递的安全。

光缆振动预警技术的核心原理相对简单，即在光纤网络中相对特殊的区域，分别安装精度极高的光纤振动传感器，并在其他监控设备的配合下，共同形成完整的智能系统。当光缆受到来自外界的不明作用力时，光纤即时产生振动。此时，基于光的干涉原理，光缆受任何微小振动均会出现相位变动，系统中的传感器和智能数据分析体系将会开展即时分析，从而有效识别破坏力的危险程度。此技术无需人工介入，并可实现24 h不间断监测。计算机总控端的数据库内存有大量针对外部侵害的信息，并完成详细分级，故对外力入侵的判断十分准确，出现误判、误报的概率极低。一旦判断为“高风险”，在具体位置的锁定方面，计算机总控端能够将极其精准的信息提供给防护人员[2]。

2.2 光纤传感技术

作为衡量一个国家信息化程度的重要参数，光纤传感技术的发展时间虽然已经超过了40年，但对于军事、国防、航天航空等几乎全部领域的信息传输仍然在时刻发挥重要作用。光纤传感是指精确感知外界被测量的目标信号，并完成传输。其中，感知（敏感）是指当外界信号遵照一定的变化规律，通过光波进行传输时，必然具备一定规模的物理特征参量，如功率、波长、相位以及偏振态等。通过观测光参量变化的情况，实时了解外界信号的变化，本质上是外界信号对光纤中传播的光波进行实时调制。而“传输”，并非常规意义的光信号传播，而是光纤系统将受外界信号调制处理后的光波，传输至系统自带的光探测器端进行检测，通过解调过程，将外界的信号（不一定是干扰，也可能是通过特殊形式传递而来的信息）进行剥离或提取，围绕其中蕴藏的信息展开分析。由此可见，光纤传感技术的本质是对外部信号进行调制和解调。

2.3 光纤接入技术

上述两种光纤技术在通信工程领域中虽然拥有重要地位，但与大众用户的关联并不深。相较之下，光纤接入技术直接与用户对接，产生的影响更加直观。光纤接入技术利用光纤传输模式，围绕本地交换机、远端模块以及用户，形成完整或局部的光纤通信系统。通常，光纤接入网络借助数字基带传输技术，开展双向交互式传输业务，为用户提供信息分享服务。同其他技术一样，尽管移动互联网+智能手机的模式已经成为个人用户的首选，但智能手机、笔记本电脑在很多方面依然无法完全取代台式机+有线宽带网络模式。随着宽带接入网进入高速发展时期，光纤接入技术也得到了普及。接入网络主要存在FTTN、FTTC以及FTTH共3种系统结构环路。3种方案在初期的构想中，分别对应不同的需求。其中，LAN为局域网，对小区用户进行整体接入控制。但随着通信技术的不断升级，三网融合等重大战略规划逐渐完成，有线与无线之间、不同设备之间智能化程度的区别正在逐渐减弱，光纤直接接入用户端的模式已经成为主流，每个独立用户均可以根据自身需要，选择理论上最小为2M，最高达到155M的带宽[3]。

3 通信工程中光纤技术未来的发展趋势

3.1 光纤材料及技术与5G技术的协调发展

5G全称为第五代移动通信技术，根据上文所述，移动通信、移动互联网以及有线宽带互联网间存在着直接竞争关系，与广播电视网络并称为“三网”，理论上的业务重点分别为移动设备（智能手机、平板及笔记本电脑）、大型数字设备（台式电脑、工业领域的机组设备）以及传统的数字媒体（电视的信号收集模式升级后，转变为高清数字电视）。“三网”各有侧重点的服务模式持续了数年时间，时至今日，已经到了技术通用和协调发展的历史新阶段。基于此，同样处于通信工程领域，光纤技术未来的重要发展方向，除了继续为忠实客户提供稳定的信息传输分享服务外，还需在光纤材料方面着手，与5G以及未来的6G、7G等移动通信技术协调发展。5G智能手机对其外壳的信号传输能力提出了极高的要求，因此，光纤技术的发展方向需要不断扩展，避免受到传统思维的制约[4]。

3.2 基于物联网广泛应用背景下光纤技术的发展方向

物联网被称为“下一代互联网”，其特性为，在信息的传播方式方面谋求“一致”。尽管物联网的发展会使人类生活进一步发生变化，但真正广泛应用后，数据信息传播方式的发展走向尚属未知，届时，光纤材料以及技术已经发展至何种程度，与物联网的契合程度是否符合大众消费者及特殊消费群体的预期，需要仔细考量。笔者认为，相较于5G技术，物联网的概念尽管早已存在，但具体运营模式仍过于抽象化，各大厂商目前给出的物联网架设雏形究竟能否成功布置、何时完成布置，对光纤技术提升会提出何种具体要求等，均缺乏系统性的理论支撑。因此，光纤技术与5G及之后的移动通信技术合作发展在一段时间内将会成为主流趋势，但必须对于物联网有关的所有信息进行实时收集、分析，避免错过良机。

4 结 论

通信的核心发展思路在于用更具效率的方式实现信息的定向传送。在宽带互联网领域内，光纤材料及技术的应用已经证明了其效率远远超过电缆。但信息经由“传播源头-载体-传输终端”实现传输的传统模式已经出现了较大的改变，如“载体”逐渐抽象化（无线对有线的冲击，无需借助实物材质完成“连接”）。故光纤技术未来的发展方向在于探索与移动互联网领域合作的更多可能性。