光纤在通信和其它方面的应用

徐长发，华中科技大学，2019.10.3

光纤通信是利用光波作载波的，用光纤把光信号从一处传至另一处，其传输方式类似于电流通过电缆传输，所以光纤通信被称之为“有线”的光通信。因为用光纤传输信号远优于电缆的传输，所以它已成为世界通信中的主要传输方式。

英籍华人高锟1976年，早就发明了光纤，但在很长一段时间内不能实用；随着高速度的微电子技术和高速度的激光技术的发展，才真正把光纤传输商用起来，人们这才认识到“光纤的发明引发了通信技术的一场革命!”，所以，直到2010年，时隔24年，高琨才获得诺贝尔奖。

光纤现在是家喻户晓了，可是光纤是如何用于光通信的，这里面存在许多高新科技的问题，本文介绍光纤通信的原理，关键技术，还介绍光纤在其它方面的一些应用。

一．光纤通信的优点和不足

我们知道光纤通信有很多优点：

1.通信容量大、传输距离远。一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。光纤传输信号的损耗极低，比任何其它传输媒质的损耗都低。通常使用光纤传输的距离可达几十、甚至上百公里。

2.信号干扰小、保密性能好。外界信号不会影响光纤内的信号。

3.抗电磁干扰、传输质量佳。电缆通信不能解决各种电磁干扰问题，但光纤通信不受各种电磁干扰。

4.无辐射，难于窃听。用电缆传输信号，可以在电缆外面获取这些传输信号；可是光纤传输的光波不能跑出光纤以外，人们无法在光纤外面窃取传输信号。 

5.材料来源丰富，环境保护好，有利于节约金属导体铜。

6.光纤尺寸小、重量轻，便于铺设和运输。

7.光缆适应性强，寿命长。

光纤也有些缺点：

8.质地脆，机械强度差。

9.光纤的切断和连接需要特殊的工具、设备和技术。

10.分路、耦合不够灵活。

11.光纤光缆的弯曲半径不能过小（>20cm）。

现在，光纤通信也普遍了，但是光纤通信是怎么实现的？粗略地说，光纤通信需要如下设备：

信号发送端设备。它的作用是，把电信号转变为光信号，用于光纤传输。它它主要由电端机、光发信机组成。

信号中继设备。它的作用是，传输光信号，让光信号传递更远。它由中继器和光纤光缆组成。

信号接受端设备。它的作用是，把光信号转换为电信号，转变为人们所认知的信号。它主要由光收信机和电端机组成。

目前已研制出各种用途的医用光纤内窥镜。除胃镜外,还有膀胱镜、直肠镜、食道镜、支气管镜、腹腔镜、结肠镜、小儿专用内窥镜等。

内窥镜还可以配置其它的用途。

例如，作胃镜检查时,可配置活体取样钳，直观地钳取组织标本；可配置 ph 计,可直接测出食道或胃粘膜的 ph 值。

例如，在内窥镜下可作局部止血处理,可避免通常手术止血的复杂过程。

例如，内镜可配置治疗工具，如对肠息肉,可使用激光切除，减轻手术给病人造成的痛苦。

4.光纤技术的在军事领域的应用

1）光纤技术的军事通信应用

光纤技术在陆上的军事通信应用主要包括三个方面：①战略和战术通信的远程系统；②③基地间通信的局域网；③卫星地面站、雷达等设施之间的连接。

2）光纤技术在雷达和微波系统方面的应用

雷达天线和雷达控制中心之间的通信连接，其技术要求高，要求更小的传输损耗，更快的传输速度，更宽的频段，更高的信号频率。原来用同轴电缆，不能满足那么多高要求，特别是信号传输损耗大，信号频率不能太高，连接距离只能300 m左右；但现在用光纤连接，传输损耗低、频带宽的优点就体现出来了，连接距离扩大到2～5 km。

3）光纤系绳武器   

例如，系留光缆的气球载有雷达，气球升空高度600m～6000m，有效载荷100kg～2000kg，持续滞空时间15～3O天，可起到类似高空预警机的功能。

例如，系留光纤的导弹，制导打击坦克和武装直升飞机。

例如，用光纤控制无人战车，可将各种侦察装置及武器送到危险战区，执行诸如侦察、探雷、排雷、清除障碍和弹药补给等任务。

例如，用光纤控制水下无人深潜器，利用各种设备可进行地形测绘、调查打捞沉船和坠海飞机、营救潜艇、反潜监听、布设和排除水雷等。

4）光纤水听器系统

水听器是接受水下声波，把声波转换成电信号，像分析雷达信号那样，对水下目标进行探测、定位与识别。如果采用声-电-光技术，即把把声波转换成电信号，再采用光通信的方法，将声信号改变为调制激光信号，再采用光纤传输，这就做成了光纤水听器。

光纤水听器灵敏度高、频带范围宽、信号传输损耗小、抗电磁干扰能力强、适应恶劣环境、结构轻巧等优点。特别地，在大范围水域内，用光纤水听器构成列阵，可以检测静噪潜艇，适应国家反潜战略的要求，是国防技术的重点内容之一。

5）光纤用于飞行器内部

对于战术飞机来说，机内有长达数公里的电缆，其电磁辐射将会被雷达所发现，现在采用机载光纤系统，不仅减轻重量，而且对“隐形”有帮助。

6）光纤技术在安防监控领域的应用

监控技术，在全球得到关注，我国也发展的很快。监控系统主要由这几部分组成：摄像头，传输线，存储和信号处理器。

摄像头的信号传输采用光纤会带来很多好处。

1）易于隐蔽地布设光纤监控网络系统。

2）具有防破坏性。因为隐蔽性和抗电磁干扰，所以光纤监控系统可以规避损毁，也能够止破坏。

3）因为传输信号的损耗小，可以无中继长距离传输，对能源依赖小，所以整个监控区域的传感网络均无需要电力供应，即使拉闸断电也不会瘫痪安防系统。

八．小结

光电信号转换、光信号调制、光信号传输、光纤制作、光信号放大等等，处处都存在高技术含量的问题。虽然现在应用光纤已经比较广泛了，但是，光通信无论在应用扩展方面，还是在技术研究发展方面，都还处在发展过程中，还有很多问题有待解决。

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