通俗科普光通訊技術-知識星球

使用光網路將每個人傳送的資訊，傳播到世界各地。接下來介紹可以一次性快速傳輸海量資訊的技術。

什麼是光通訊

｜什麼是光通訊？

簡而言之，光通訊就是使用光，向對方傳輸資訊的技術。

｜光通訊的基本結構

我們身邊的電腦和手機，透過電訊號“0和1”傳送資訊。光通訊是由將電訊號轉換成光訊號的“傳送機”、將光訊號轉換成電訊號的“接收機”，以及傳輸光的迴路“光纖”構成。

｜光通訊的優點

1.傳輸距離長，經濟節能
2.一次性傳輸海量資訊
3.通訊速度快

1）傳輸距離長，經濟節能

假設1秒鐘內要傳輸10Gb的資訊（100億個訊號），如果使用電通訊的話，每隔100米就要調整一次訊號。與此相比，使用光通訊的話，需要調整間隔可為100千米以上。調整訊號的次數越少，所使用的機器數量也越少，因此具有經濟節能的效果。

比如說，現在和國外的朋友通話或上網聊天時，感覺與在國內通話沒什麼兩樣。不像以前那樣聲音會滯後。在只有電通訊的時代，一次能傳輸的距離短而且傳輸的資訊量少，國際間的通訊主要透過人造衛星作為中繼傳輸。但是，使用光通訊的話，一次性傳輸的距離長而且傳輸的資訊量多，因此，透過使用鋪設在海底的光纖光纜，就能實現與海外自然暢通的通訊。

電波和光的速度相同。但是，由於經由衛星的話傳輸路徑會變長，訊號到達較慢。海底電纜的距離短很多，所以訊號會更快達到。

2）一次性傳輸海量資訊

大量使用者可以同時接收需要的資訊（電影或新聞等）。在1秒鐘內，電通訊最多隻能傳輸10Gb（100億個0和1訊號）的資訊，與此相比，光通訊最多可以傳輸1Tb（1萬億個0和1訊號）的資訊。

3）通訊速度快

電通訊會因電噪聲出現錯誤，導致通訊速度下降。但是，光通訊不會受到噪聲的影響，因此可快速傳輸訊號。

光通訊用在什麼地方

｜光通訊存在於身邊乃至世界

網際網路、手機、IP電話等使用網路的裝置，將每個人與其所在地區、與整個國家聯絡起來，甚至連線至全球通訊網。比如說，電腦和手機發出的訊號聚集在本地通訊運營商的基站和網路供應商，再透過海底光纜中的光纖傳輸至世界各地。

｜連線網路的各種裝置

我們平常所使用的各種裝置都能聯網。網路的出現，讓我們的生活變得更加舒適便捷。

為什麼需要光通訊技術

｜通訊量

我們的通訊量每年都在增加。我們平時使用手機、簡訊、接收影象、網路（虛擬）商店時進行資訊交流。裝置效能逐年改善，使用方法也隨之改變。我們可以想象，今後的通訊量還會不斷增大。光通訊技術就運用於資訊交流中。

｜傳輸量

隨著整個社會通訊量的增加，不斷出現了只需1根光纖就能傳輸更多資訊的技術。

傳輸量的單位

傳輸單位是bps，即bit per second的簡稱，表示1秒鐘內可以傳輸的位元數。比如說，1bps表示的則是1秒鐘內可以傳輸1位元的資料。

光通訊中所使用的裝置（光傳輸裝置）

｜光傳輸裝置是做什麼的呢

光通訊網的關鍵部位裝有光傳輸裝置。這個裝置發揮著許多作用。

1.訊號轉換（傳送訊號）：將電訊號轉換成光訊號。
2.訊號復用：將多個窄的訊號匯聚成一個寬的訊號。
3.訊號中繼：遠距離傳輸，中途中繼訊號。
4.訊號轉向：轉換訊號的傳輸方向。
5.訊號解復用：將復用的訊號分解成原來的單獨訊號。
6.訊號轉換（接收訊號）：將光訊號轉換成電訊號。

｜光傳輸裝置

裝置中安裝了各種部件。

1. 轉換（傳送訊號），將接收的電訊號轉換成光訊號。

2.復用，復用多個訊號同時傳送。

3.中繼，傳輸過程中，訊號的波形和強度發生劣化，因此需要將波形複原到原訊號那樣整齊的波形，加大光強。如果波形劣化嚴重，就需要暫時將光訊號轉換成電訊號，波形錯誤修正後，重新轉換成光訊號進行傳輸。

4.轉向，根據訊號的去向，光開關切換光訊號的傳輸方向。

5.解復用，將復用的訊號分解成原來的單獨訊號。

6.轉換（接收訊號）。將接收的光訊號轉換成電訊號。

通訊方式（現在與將來）

下麵透過汽車和車道來說明通訊方式。假設汽車代表佔有車道的時間（1區間）、貨物代表每次搬運的資訊量（位元數）、車道代表光的一個波長。

｜現在的通訊速度：每波長傳輸10Gbps、40Gbps。

・時分復用法（TDM: Time Division Multiplexing)

因為每次可以傳輸的資訊有限，所以需要分時段傳輸。比如說，多個使用者同時傳送資訊時，搬運資訊的車道只有一條，因此裝載不同資訊包裹的貨車需要排成一列進行搬運。車道出現堵塞時，傳輸速度就會變慢。

・波分復用法(WDM: Wavelength Division Multiplexing)

一次能傳輸的資訊量較多，透過改變波長，可同時傳輸多位使用者的資訊。比如說，即使多位使用者同時傳送資訊，只要分佈著多條車道就不易造成堵塞，能夠流暢地運送貨物（位元數），而且傳輸速度比較平穩。

・多級調製法 (MM:Multi-level Modulation)

在1波長的1個區間傳輸多個訊號的方法。透過改變光的波形，在同一波長上傳輸多位使用者的資訊。具有代表性的技術是四相差分相移鍵控調製法（DQPSK:Differential Quadrature Phase-Shift-Keying)。通常情況下，每輛貨車裝載的貨物是1位元，但是，使用“DQPSK”時，每輛貨車可裝載2位元貨物。

｜將來的通訊速度：每波長傳輸100Gbps

100Gbps相當於約0.4秒傳輸一張DVD的速度。（假設換算成容量為4.7GB的DVD）

・偏振復用法(Polarization multiplexing)

光在振動的同時向前進。振動的方向叫做“偏波”，分成垂直振動前進的光（垂直偏波）和水平振動前進的光（水平偏波）兩種。偏波中包含的資訊不會互相干擾，可傳輸大量資訊。比如說，1條車道上同時行駛著2輛貨車，這2輛貨車在傳輸資訊時不會發生碰撞。

神通廣大的光網路（實體介紹）

光纖遍佈全世界，我們在各種場合都能獲得高質量的服務。接下來介紹相關實體。

小故事

｜為什麼天空是藍色的，夕陽是紅色的呢？

你有沒有想過，為什麼天空看起來是藍色的呢？天空呈現藍色是有原因的。光的波長不同，呈現的顏色也不盡相同。太陽光進入地球的空氣層（大氣層）後會與空氣中的灰塵（分子）發生碰撞，因此會改變光的朝向。也就是說，因為波長較短的光（比起紅光藍光波長更短）更容易與灰塵發生碰撞，所以光線容易到處擴散。天空之所以看起來是藍色，是因為波長較短的藍光擴散至整片天空。

｜太陽光的波長

太陽光看上去泛白，實際上因為混雜著從紅光到藍光的各色光。也就是說，太陽光中的光的波長各不相同。

｜天空呈現藍色的原因（太陽光與灰塵發生碰撞）

1)太陽光進入空氣層。空氣層中漂浮著許多灰塵。

2)波長較短的藍光容易與灰塵發生碰撞，光就向四周擴散。

另外，波長較長的紅光在灰塵間自由穿梭。

3)藍光擴散至整片天空，從遠處看，天空呈現藍色。

｜夕陽呈現紅色的原因

為什麼藍色的天空在傍晚時分會呈現紅色呢？這與太陽光穿過空氣層的距離有關。太陽下山時，太陽的位置從我們的正上方向水平方向移動。於是，太陽光穿過空氣層的距離，比起在正上方時，水平方向時變得更長，之前從灰塵縫隙中穿過的波長較長的紅光開始與灰塵發生碰撞。而且，由於藍光的波長較短，無法到達遠處，只有被紅光改寫的天空映入我們的眼簾，因此，夕陽看上去是紅色。