光纤与光通信简述

光纤通信把“光如何被约束传播”和“信息如何调制解调”连在一起。本篇只建立本科够用的地图。

光纤为什么能导光

阶跃折射率光纤中，纤芯折射率略高于包层。满足全反射条件的光线（或等价的导模）被限制在纤芯附近传播。更严格的描述用电磁模式理论：存在传播常数与截止条件。

两个入门分类：

• 多模光纤：可支持多个模式，芯径较大，光源耦合相对容易，但有模间色散，适合较短距离。
• 单模光纤：通常只支持基模，色散与带宽特性更好，是长距离干线的主流。

损耗与色散：限制距离与速率的两大因素

• 损耗（dB/km）：吸收、散射、弯曲等。石英光纤在约 1.55 μm 窗口损耗很低，这是通信波段选择的重要原因之一。
• 色散：不同频率或模式走得有快有慢，脉冲展宽，限制码率与距离。

放大器（如掺铒光纤放大器 EDFA）、色散管理与波分复用（WDM）等，都是为了在损耗与带宽限制下扩容。这些属于后续进阶主题。

最小通信系统

最简单的强度调制—直接探测（IM/DD）链路：

1. 电信号驱动激光器或 LED，强度随信号变化。
2. 光在光纤中传播，经历损耗与色散。
3. 光电探测器还原为电流，再经放大与判决。

相干光通信更复杂：保留相位信息，用本地振荡光混频。本科先把 IM/DD 吃透即可。

和器件课的接口

• 光源：光谱宽度影响色散代价；调制带宽影响速率。
• 光纤：连接器、熔接、弯曲半径是实验课高频考点。
• 探测器：灵敏度与带宽决定接收端能否跟上。

自检问题

• 为什么长途通信更倾向单模光纤？
• “水窗”或低损耗窗口大致对应什么波长量级？（答：近红外通信波段，常用约 1.3 / 1.55 μm。）
• IM/DD 与相干接收的核心差别是什么？

后续研究栏会谈到硅光互连等方向时，会回到这张链路图。