光纤如何传递信号

光纤通信通过光脉冲在玻璃或塑料纤维中传输信息，其核心原理是利用全反射现象防止光信号逸出。信号发送端将电信号转换为光信号，经光纤传输后由接收端还原为电信号。这种技术具有高带宽、低损耗和抗干扰等优势，已成为现代通信网络的骨干技术。

       光通信的物理基础

       光信号在光纤中的传输依赖于全反射原理。当光线从高折射率介质射向低折射率介质时，若入射角大于临界角，光线将完全反射回原介质。光纤由核心和包层构成，核心折射率高于包层，这使得光信号能在数十公里距离内保持强度，实现高效传输。根据国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）制定的G.652标准，单模光纤的典型核心直径为8-10微米，包层直径为125微米。

       光纤的结构设计

       现代通信光纤采用三层结构：最内层为高纯度二氧化硅玻璃构成的核心，中间层是掺杂氟元素的包层，最外层则是丙烯酸树脂涂层。这种设计使光信号被严格限制在核心内传输。根据中国信息通信研究院发布的《光纤通信技术白皮书》，通过精密控制核心与包层的折射率差，可将信号衰减降至0.15分贝每公里以下。

       信号调制技术

       在发送端，电信号通过直接调制或外调制技术转换为光信号。直接调制通过改变激光二极管驱动电流来实现，而外调制则采用马赫-曾德尔调制器等独立器件。根据IEEE光子学杂志研究数据，外调制方式可实现最高100吉比特每秒的单波长传输速率，有效避免频率啁啾现象。

       光源器件的演进

       半导体激光器是光通信的核心光源，其发展历经法布里-珀罗激光器、分布反馈激光器到量子点激光器的演进。现代密集波分复用系统采用可调谐激光器，单个器件可输出1525-1565纳米波段内任意波长的光信号。国家工信部测试数据显示，最新磷化铟激光器寿命已超过10万小时。

       信号衰减机理

       光信号在传输过程中主要面临三种衰减：材料吸收、瑞利散射和弯曲损耗。羟基离子吸收峰值出现在1383纳米波段，现代脱水工艺已将其影响降至0.25分贝每公里以下。瑞利散射与波长的四次方成反比，因此长波长窗口（1550纳米）的传输损耗更低。

       色散补偿技术

       色散导致光脉冲展宽，限制传输距离。单模光纤存在材料色散和波导色散，在1310纳米附近出现零色散点。对于1550纳米窗口，采用色散补偿光纤或布拉格光栅进行补偿。中国移动通信集团部署的干线网络中，色散补偿模块可将40吉比特每秒系统的传输距离延伸至80公里。

       光电转换过程

       接收端采用半导体光电探测器将光信号还原为电信号。PIN光电二极管和雪崩光电二极管是主流器件，后者通过内部增益机制可检测单光子量级的微弱信号。根据国家光电产品质量监督检验中心测试，现代锗镓砷探测器在25吉比特每秒速率下的接收灵敏度达-18分贝毫瓦。

       波分复用系统

       波分复用技术通过在单根光纤中同时传输多个波长信号提升容量。密集波分复用系统可实现C波段（1530-1565纳米）80个波长以上的传输，间隔为0.8纳米。中国电信的骨干网已部署192波长的系统，单光纤容量达19.2太比特每秒。

       光纤放大器应用

       掺铒光纤放大器彻底改变了光中继技术，可在1550纳米窗口直接放大光信号而不需要光电转换。现代放大器增益带宽已达80纳米，噪声系数低于4分贝。华为技术有限公司推出的分布式拉曼放大器，结合遥泵技术可实现跨段长度超过400公里的无中继传输。

       偏振模式色散控制

       在40吉比特每秒及以上速率系统中，偏振模式色散成为主要限制因素。通过精密控制光纤圆对称性和减少内部应力，可将偏振模式色散系数控制在0.05皮秒每平方根公里以下。中兴通讯采用的自适应光学补偿模块，实时跟踪并补偿动态偏振模式色散变化。

       非线性效应管理

       高功率密度引发非线性效应，包括受激布里渊散射、受激拉曼散射和自相位调制等。通过优化功率预算和控制信道间隔，可将非线性效应影响降至最低。中国联通研究院实验表明，采用非线性补偿算法可提升单波400吉比特每秒系统传输距离30%。

       空分复用技术

       为突破单模光纤容量极限，多芯光纤和少模光纤等空分复用技术应运而生。七芯单模光纤可使容量提升7倍，而少模光纤利用不同模式作为独立传输通道。中国信息通信科技集团已实现19芯光纤的规模化生产，单光纤容量突破1拍比特每秒。

       海洋通信系统

       海底光缆采用特殊设计抵御水压和腐蚀，最深部署于8000米海沟。中继器间隔约70公里，采用冗余电源设计和钛合金外壳。根据中国海底电缆建设有限公司数据，最新跨太平洋系统设计寿命25年，可用率达99.999%。

       量子通信融合

       量子密钥分发系统利用光纤传输单光子态实现绝对安全通信。中国科学技术大学研发的京沪干线采用相位编码方案，在2000公里范围内实现每秒千比特级的密钥分发。抗偏振扰动技术的突破使系统在商用光纤环境中稳定运行。

       光纤传感应用

       除通信外，光纤作为分布式传感器广泛应用于基础设施监测。基于布里渊散射的应变测量精度达1微应变，温度精度0.1摄氏度。国家电网公司已在8000公里输电线上部署光纤测温系统，实现山火预警和负荷监控。

       塑料光纤发展

       聚甲基丙烯酸甲酯塑料光纤在短距离通信中展现优势，其1毫米直径便于连接且成本低廉。日本电子信息技术产业协会标准显示，梯度折射率塑料光纤在100米距离内可支持10吉比特每秒传输，特别适合家庭网络和汽车总线系统。

       未来技术趋势

       多波段传输系统将可用频谱扩展至O、E、S、C、L五个波段，总带宽超过50太赫兹。人工智能驱动的光网络可实现故障预测和智能路由。工信部《信息通信行业发展规划》指出，2025年单纤容量将突破100太比特每秒，支撑万物互联时代的数据洪流传输需求。