光通信，到底強(qiáng)在哪？

光通信，是一種以光波作為信息載體的通信方式。它憑借強(qiáng)大的性能以及諸多的技術(shù)特性，已經(jīng)成為現(xiàn)代信息社會(huì)的基石。

我們都知道光通信遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于電通信，但到底強(qiáng)在哪里？為什么強(qiáng)？

今天通過(guò)這篇簡(jiǎn)短的文章梳理一下。

▉優(yōu)勢(shì)1：傳輸速率更高

速率帶寬是衡量通信技術(shù)優(yōu)劣的最核心指標(biāo)之一。在這個(gè)方面，光通信擁有顯著的優(yōu)勢(shì)。

光通信為什么速度快？說(shuō)白了，還是要從香農(nóng)公式來(lái)看：

很容易可以看出，信道容量（吞吐量）和空間流數(shù)量、頻寬、信噪比有密切的關(guān)系。

先看頻寬。

光通信使用頻率極高的光波作為載體，其主要工作波長(zhǎng)是1260nm~1625nm（納米），對(duì)應(yīng)電磁波頻率范圍是184THz-238THz（1THz=10^12Hz）。例如常用的1550nm波長(zhǎng)，頻率約為194THz。

相比之下，無(wú)線移動(dòng)通信常用的電磁波頻率范圍是10KHz-300GHz。

電線電纜的傳輸頻率因類(lèi)型不同而有所差異，一般范圍在數(shù)百kHz到數(shù)GHz之間。例如，雙絞線的傳輸頻率通常在數(shù)百kHz到數(shù)百M(fèi)Hz，同軸電纜在數(shù)百M(fèi)Hz到數(shù)GHz。

載波的頻率越高，其能夠使用的潛在帶寬就越寬。光通信所使用的光波頻率遠(yuǎn)高于無(wú)線移動(dòng)通信和電線電纜傳輸?shù)念l率，因此它具備的潛在帶寬要大得多。

這就好比是一條更寬的高速公路，可以同時(shí)容納更多的車(chē)輛快速通行，從而大幅提升了信息傳輸?shù)乃俾省?/p>

再來(lái)看空間流數(shù)量。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是多創(chuàng)造幾條通道，增加并行能力。

光通信采用波分復(fù)用，在一個(gè)大的頻率范圍內(nèi)，可以設(shè)置頻率間隔，劃分為多個(gè)信道。這相當(dāng)于多路并行，可以N倍增加帶寬。

例如現(xiàn)在光通信領(lǐng)域常說(shuō)的C+L波段，頻譜帶寬接近9.6THz，可以實(shí)現(xiàn)驚人的192個(gè)波長(zhǎng)（信道），相當(dāng)于192個(gè)并行車(chē)道。

無(wú)線移動(dòng)通信也可以頻分復(fù)用，但頻寬有限，所以能劃分的車(chē)道也很有限。無(wú)線移動(dòng)通信還可以多天線收發(fā)（MIMO），屬于空分復(fù)用。但基站側(cè)64收64發(fā)，終端不行，最多4T4R。所以，多天線適合基站1對(duì)多的通信架構(gòu)，1對(duì)1的提升有限。

有線銅纜連接也是同樣的道理，頻率資源限制，相互之間很容易干擾。

最后是信噪比，這個(gè)待會(huì)再說(shuō)。

基于頻率和空間流這兩個(gè)因素，光通信在傳輸速率（容量）上就已經(jīng)構(gòu)建了牢不可破的優(yōu)勢(shì)。

▉優(yōu)勢(shì)2：時(shí)延更低

這個(gè)很容易解釋?zhuān)涂葱盘?hào)是不是跑得快。

光在光纖中的傳輸速度是每秒20萬(wàn)公里，接近真空光速的2/3。

在有線金屬介質(zhì)通信中，電信號(hào)的速度由導(dǎo)體周?chē)橘|(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)決定。在銅線中，這個(gè)速度約為光速的77%（每秒23萬(wàn)公里）。

看上去兩者差不多。但是，光通信現(xiàn)在發(fā)展了空芯光纖，傳輸介質(zhì)不再是玻璃纖維，而是空氣。這意味著，光在空芯光纖中的傳輸速度基本等于光速，也就是每秒30萬(wàn)公里。

空芯光纖模型

當(dāng)然了，時(shí)延除了介質(zhì)傳播時(shí)延，還要看設(shè)備處理時(shí)延。設(shè)備處理時(shí)延要看設(shè)備的具體性能。光通信在設(shè)備側(cè)也有很多光電轉(zhuǎn)換，主要處理也是電信號(hào)。

▉優(yōu)勢(shì)3：功耗更低

功耗也是光通信的一個(gè)特別重要的優(yōu)勢(shì)，可以說(shuō)僅次于帶寬。

電通信以電子為載體，依賴銅等金屬，存在電阻效應(yīng)（克服電阻做功），導(dǎo)致發(fā)熱（能量損耗）。

而光信號(hào)傳輸時(shí)，主要依賴全反射，沒(méi)有電阻熱損耗。光交換僅在狀態(tài)切換時(shí)消耗能量，一旦光路建立，信號(hào)通過(guò)幾乎不產(chǎn)生額外功耗，實(shí)現(xiàn)了“位速率透明”。

所以，光通信的功耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電通信。光交換技術(shù)的能耗水平大約是傳統(tǒng)電分組交換的1%。

光纖傳輸?shù)臉O低損耗，在長(zhǎng)距離傳輸中優(yōu)勢(shì)巨大。例如，光纖的無(wú)中繼傳輸距離可達(dá)上百公里，而電纜通常僅為幾十到一百米左右。

這意味著，在長(zhǎng)途通信中，電通信需要大量中繼放大器來(lái)補(bǔ)償信號(hào)衰減，每個(gè)中繼站都需要供電。而光通信則可以大幅減少中繼器的數(shù)量，從而節(jié)省大量能源和成本。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，功耗低，就是省電。省電，就是省錢(qián)。

▉優(yōu)勢(shì)4：抗干擾能力更強(qiáng)

光纖，本質(zhì)上就是一個(gè)石英玻璃（絕緣體）管道，是一個(gè)約束光信號(hào)的封閉空間。光信號(hào)在光纖中傳輸，不會(huì)受到外界電磁干擾的影響。

相比之下，電信號(hào)在金屬導(dǎo)線中如同“裸奔”，很容易受到干擾導(dǎo)致信號(hào)失真。（例如，強(qiáng)弱電施工時(shí)，網(wǎng)線就需要和強(qiáng)電電線保持一定距離。在戶外，也要通信電纜也要遠(yuǎn)離高壓電。現(xiàn)在的很多家庭載波通信設(shè)備，例如電力貓，就會(huì)容易因?yàn)楦蓴_而無(wú)法達(dá)到理想效果。）

電信號(hào)為了抗干擾，需要額外功率補(bǔ)償，也會(huì)增加能耗。

低損耗和強(qiáng)抗干擾能力，共同保障了光通信鏈路能夠維持很高的信噪比（S/N）。基于剛才的香農(nóng)公式，信噪比越高，信道容量越大。

▉優(yōu)勢(shì)5：成本更低

剛才其實(shí)已經(jīng)提到了成本。為了對(duì)抗高功耗和外部干擾，電通信會(huì)付出更大的成本代價(jià)。

在傳輸介質(zhì)本身的成本上，光纖也優(yōu)勢(shì)明顯。

光纖的主要材料是來(lái)源豐富的二氧化硅（沙子），價(jià)格低、纖徑細(xì)、重量輕。而電纜需要大量金屬銅，價(jià)格貴、重量大、體積大，其開(kāi)采、冶煉和運(yùn)輸會(huì)帶來(lái)更高的能耗和成本。

▉優(yōu)勢(shì)6：保密性高

光信號(hào)束縛在纖芯中傳輸，沒(méi)有電磁信號(hào)輻射，不容易被竊聽(tīng)。

金屬導(dǎo)體可能因電磁輻射導(dǎo)致信息泄露。

好了，光通信的優(yōu)勢(shì)，大概就是這些。

隨著數(shù)智化轉(zhuǎn)型的不斷加速，尤其是AI人工智能浪潮的深入普及，整個(gè)社會(huì)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的能力會(huì)提出更高的要求。光通信作為現(xiàn)代通信領(lǐng)域的佼佼者，憑借其以上提到的諸多優(yōu)勢(shì)，無(wú)疑將在構(gòu)建未來(lái)智能社會(huì)的過(guò)程中發(fā)揮更關(guān)鍵的作用。