光纤通信传输原理详解

图2 光纤光缆（图片来源于网络）

所谓光纤，光导纤维的简称，是一种由玻璃或者其他材料制成的光波导。光能够在光纤中传输最基本的原理就是全反射。 众所周知，全反射是当光从光密介质（折射率相对较高）入射到光疏介质（折射率相对较低）时，光不再发射折射，全部反射到原介质中去。 光纤最基本且最重要的原理已经讲完了，要求纤芯折射率n1>n2，其次反射角θ大于全反射临界角，这样才能保证光能够在光纤中一直传输下去（注：这里讲的都是阶跃型折射率光纤，就是最普通的光纤）。

图3 光纤的基本结构

那么第一个问题来了， 是不是只要满足全反射这个条件的光都能在光纤中传导下去？答案：不是，还需要满足一个条件：相位匹配条件 。怎么又是相位，哎，没办法，只要涉及到光，涉及到干涉，必定出现相位匹配这个东西！上一期非线性光学中也提到过相位匹配，干涉条件里面也有一项要求是相位差恒定。好，接下来进入高能时间。

首先，光纤中的光传输要求满足全反射条件，即图4中θi角要大于全反射临界角，那么是否所有大于全反射临界角入射的光线都能传输，换句话说，入射角度是否和相位匹配条件有关？好，接下来我们分析图4。

图4 光纤传输相位匹配计算

图4中绿色和紫色的表示某一个角度的一系列平行光，蓝色虚线是等相面（与入射光垂直），我们要的相位匹配条件就是让这系列平行光满足同相位，也就是BC和EF光程差走过的相位差要是2π的倍数，根据公式2π/λ×光程差=相位差，我们得到了以下公式：

上式中为什么多减了2项，那是因为全反射的时候，并不是在界面处就直接反射，而是存在倏逝波，会有一定的深度，这是会引起一定的相位变化，这个相位变化大小与两种材料的折射率有关，是个固定值，所以需要把2次反射的相位差给减掉。然后再根据几何原理计算BC-EF用纤芯直径d和入射角θi表示，于是得到如下公式：

好，公式结束，如果你没看懂，这个不重要，重要的是我们得到了这个相位匹配条件跟什么有关系， 显然，如果光纤确定的情况下（直径d和折射率n），不同的m值，会对应不同的入射角θi，这就是我们所说的多模（式） ，而且这个入射角是离散的。

图5 光纤不同模式光斑分布图（图片来源于网络）

反推，如何实现单模光纤？根据上面公式，让光纤纤芯直径d在某一个范围内，使得m取值只能等于0，不能等于1，那么这根光纤就是单模光纤。 所以正常情况下，单模光纤的纤芯直径较小，在4~10 μm；多模光纤的纤芯直径较大，在50 μm以上 。

光纤特性

前面阐述了光纤的传输原理，接下来再介绍光纤最重要的2个特性。第一个：损耗，即衰减。为什么光纤通信最近几十年才发展起来，因为之前光在材料中损耗太严重，导致没太大的利用价值，直到高琨先生实现了光波损耗在20 dB/km以下的光通信要求。

好，第二个问题来了， 光在光纤中传输的损耗是由什么造成的？很简单，大部分人都能想的到，可以分为三类：吸收、散射以及弯曲。

吸收损耗，就是指材料对光的吸收。制造光纤的二氧化硅材料本身就吸收光，所以会造成一部分的损耗，其次杂质对光的吸收，例如一些有害的金属杂质铜、铁、铬、锰等，所以通过对光纤材料的提纯，可以大大减低光纤的吸收损耗。石英光纤中还有个重要的吸收源：氢氧根（OH-），我们知道水在红外波段有吸收峰，所以氢氧根对光纤的影响也非常大，而且不易被清除。例如，在1.39 μm波段，含量仅为万分之一的氢氧根吸收损耗能高达33 dB/km。

散射，在第8期：光的散射中详细介绍过，光纤中也会有散射，包括瑞利散射，强光下的非线性散射：拉曼散射、布里渊散射等。这是正常的材料散射，另外还有一种就是波段散射，即因为光纤结构的不完善引起的散射衰减，比如光纤熔接时候的散射、光纤本身材质不均匀、有气泡等。

第三种：弯曲。弯曲为什么会产生损耗？因为光在光纤中传输是基于全反射原理，如果弯曲过度会造成弯曲部分会因为不满足全反射角的条件导致一部分光透射到包层中去，从而造成一部分光的损失。

好，前面讲了光的损耗，接下来讲另外一个特性：色散。色散，顾名思义，颜色散开了，也就是不同波长（频率）的光传播速度不一致，导致跑得不一样快，脉冲就会展宽。

图6 材料色散图（图片来源于网络）

其实色散可以分为三种：材料色散、模式色散、波导色散。图5就是材料引起的色散；模式色散是指在不同模式情况下，光走过的路程长短是不一样的，因此到达终点的时间不一致，这也会引起色散；最后一种波导色散是指在同一个模式下，一部分光（与频率无关，所以不是材料色散）因为在纤芯和包层没发生全反射，而在包层和涂覆层之间反射全反射，所以导致这部分光通过了包层然后再回到纤芯中传播，所以与另一部分同频率的光只在纤芯中传播的传输距离不一致，从而导致了同频率光的色散。

光纤传感与通信

接下来，让我们从理论回到现实中吧。光纤最初的用途是用来通信的，所以现在我们来回答第三个问题：通常我们会说，人太帅拖网速，啊不，网速（10M，20M，50M等）有快有慢，那这网速到底指的是什么，由什么决定？

举个例子，10M的带宽，下载速度就是10Mbit/s，对应网速就是1.25MByte/s。所以如果要提高网速，其实就是要增加光纤的带宽。那带宽又是啥？很好理解，带宽就是频率带的宽度，也就是光在光纤中传输的时候，我们最基本的要求肯定是传输信号要正确的，不能误码，否则不就出错了嘛。但是由于色散特性的存在，不同频率的光跑得不一样快，所以在时域频带会展宽，这导致各码元之间会重叠，为了保证正确性，就需要加大码元之间的时间间隔，自然会降低容量。 所以，影响光纤带宽的因素是光纤的色散特性，光纤的色散愈小，光纤的带宽愈宽。

最后一个问题，光纤除了传输光信号，还能用来做啥？用来做传感，检测各种物理条件。小的时候，我经常在想，你把光缆全部埋在地底下或者海洋底下，如果某一点坏了，你怎么知道哪里坏了？

图7 光纤瑞利散射回波信号图

从图7可以看到，利用瑞利散射的特性，我们可以得到散射回来光信号的分布图，损耗是随着距离增大逐渐增加的，如果在某一处有跳变，说明这个地方损耗比较严重，应该是节点之类的。如果在某个节点彻底断了，没有回波信号，那么根据距离=速度*时间的原理，通过测得这个点回来信号的时间，就能大致计算出这个断点的位置。

另外，光纤所在的外部环境：压力或者温度都会对光纤的衰减产生一定的影响，所以就可以利用这一特性来检测外部环境条件。以分布式布里渊散射传感为例，众所周知，当在强光作用下光纤会产生非弹性散射，包括布里渊散射，而布里渊散射会受到压力和温度的影响。所以，我们根据布里渊频移的量，就能得到一个方程，关于压力和温度的二元一次方程。如果要解出这二个变量，我们还需要再来一个不相关的函数，否则谁知道压力和温度这二个量变化的贡献大小。恰好，瑞利散射强度也会随着压力和温度的变化而变化，而布里渊散射的强度刚好是瑞利散射强度的常数（理论证明是一个定值）倍，这样联立这2个方程组，我们就能解出压力和温度这2个未知数。

科普：6G是什么？(2)为什么太赫兹波是6G通信的必然选择？

在上一篇“6G是什么”文章中，大家已经了解了6G通信技术的基本知识。本篇文章，我们将为您深入介绍“太赫兹波”以及“香农定理”。

【文/江湖事务所 浆糊狼中】

为什么6G通信要选择太赫兹波频段呢？

要回答这个问题，我们要从目前5G通信技术中，为了增加网络带宽所采用的主要技术说起，其中包括：1024QAM，OFDMA，5G信道编码技术，高频率的大带宽，以及MU-MIMO。我们分别来看一下他们是什么？

1024QAM

1024QAM技术，又叫做“1024正交幅度调制模式”。与传统256QAM相比，1024QAM可以在一个点上表达10个二进制位数据（2的10次方=1024）。传统256QAM只能在一个点上表达8个二进制位数据（2的8次方=256）。因此1024QAM可以比传统256QAM快1.25倍（10/8=1.25）。虽然更高的调制水平可以提高传输速度，但是更高的调制水平也需要更高的信噪比，在系统设计方面挑战极大，因此提升空间有限。

OFDMA

OFDMA技术，又叫做“正交频分多址技术”。该技术可以将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址传输，以此提高数据传输速度。打个简单的比方，就好比是在一条公路上，划分出多个不同的车道，车辆根据车型、车速、行驶方向在不同的车道里同时行驶，互不干扰，以此提高通行效率。

5G信道编码

5G信道编码技术，事实上定义了5G移动通信的标准。信道编码可以实现模拟信号的数字化传输，提高数据传输效率，降低数据传输的误码率。目前5G时代主要的信道编码技术，有美国的LDPC码、欧洲的Turbo码，中国的Polar码。3GPP组织最终通过投票，分别将其中2个编码技术确定为数据信道和控制信道的编码标准。虽然在6G时代编码技术还将进一步发展，但是据说目前的编码技术已经达到了香农定理的极限，未来可以提升的空间也不是很大。关于香农定理，我们后面会进行说明。

MU-MIMO

MU-MIMO，翻译为“多用户并行多收多发技术”。MU-MIMO系统的特点是，将信号在时域、频域、空域三个维度上分成多个部分进行传输，互不干扰。同时利用更多的天线，来扩大系统的数据吞吐量，提高系统性能，不同天线的方向性增益还可以用来区分用户、消除干扰。

以上讲到的1024QAM、OFDMA、信道编码技术、MU-MIMO技术，虽然可以提高信号传输速率，但是对于下一代移动通信的总体速率提升影响没那么大。所以要想在5G基础上进一步提高信号传输速率，剩下最可行的办法就是继续提高信号频率，从而扩大传输带宽。为什么使用高频率的太赫兹波能获得更大的带宽，这就需要从香农定理说起。

香农定理，是通信界最著名的定理，甚至可与勾股定理、欧拉公式以及爱因斯坦质能公式相媲美。

香农定理的公式 并不复杂。C 代表信道容量，也就是信道可传输的最大数据速率；B 代表无线电频带宽度；S/N 代表接收信号的信噪比；log2 代表以2为底的对数关系。

根据香农定理 ，信道最大传输容量，与信道带宽和信噪比程正相关。信道带宽越大，信噪比越高，数据传输速率越高。

这里有个理解重点是 ，并不是信号频率越高，信道的传输速率就越高，而是信号传输的信道宽度越高，信道的传输速率才越高。

5G时代，我们在毫米波频段，以28GHz频段为例，其可用信道带宽为1GHz。而太赫兹波工作在1000GHz频率附近，频率比毫米波高数十倍，越高的频率，潜在的可用带宽越大。太赫兹波的潜在工作带宽，要比毫米波高至少一个数量级。

而太赫兹波的另外一个特性，就是时域频谱的信噪比非常高。因此，根据香农定理，由于具有更高的信道带宽，更高的信噪比，使用太赫兹波进行数据传输，可以获得比毫米波高得多得多的数据传输速率。这就是6G移动通信会选择太赫兹波的主要原因。

另外，太赫兹波还具有其他一些适合通信的特点。 比如：

第一、由于太赫兹波处于电子学向光子学过渡的阶段，因此它同时具备了微波通信和光通信的优点。 除了具有比微波更快的传输速度，还具有波束窄、方向性好的特点，可以实现更好的传输安全性和抗干扰能力。

第二、太赫兹波具有很强的穿透能力。 相对于光通信而言，太赫兹波不易受到烟雾、沙尘等不利环境因素影响。

第三、由于太赫兹波的波长只有0.03mm到3mm，因此终端设备的天线可以做得非常小 ，节省设备设计空间，天线的数量也可以进一步增加。

第四、太赫兹波特别适合卫星通信 ，在真空环境下，太赫兹波通信比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。我国也已经于2020年11月6日发射了全球首颗6G试验卫星“电子科技大学号”，该卫星重量70公斤，搭载了太赫兹卫星通信设备，可以在卫星上建立数据收发链路，并开展太赫兹通信试验。

第五、太赫兹波段由于尚未开发，因此具有丰富的频率资源 ，易于将来开展利用。

正是由于以上的特性，太赫兹波可能会成为6G通信系统的关键组成部分。虽然目前太赫兹波通信还有一些技术问题需要突破，但相信很快我们就能看到太赫兹波在通信领域的应用。

关于太赫兹波我们就先聊到这里。我还会在后面的文章和视频里为大家介绍更多关于6G的知识，欢迎小伙伴们关注江湖事务所。

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