光纖通信一直是推動(dòng)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基本動(dòng)力之一講課稿_8487

1、光纖通信一直是推動(dòng)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基本動(dòng)力之一，是現(xiàn)代電信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。本文對(duì)光纖通信的主要發(fā)展趨勢(shì)作一簡(jiǎn)述與展望，包括納米技術(shù)與光纖通信、光交換、PON 、光孤子通信。關(guān)鍵詞：光纖通信光交換PON光孤子通信光纖通信的誕生與發(fā)展是電信史上的一次重要革命，光纖通信技術(shù)發(fā)展所涉及的范圍，無(wú)論從影響力度還是影響廣度來(lái)說(shuō)都已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越其本身， 并對(duì)整個(gè)電信網(wǎng)和信息業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 它的演變和發(fā)展結(jié)果將在很大程度上決定電信網(wǎng)和信息業(yè)的未來(lái)大格局， 也將對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。1. 納米技術(shù)與光纖通信納米是長(zhǎng)度單位，為 10-9 米，納米技術(shù)是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1 至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。建立

2、在微米/ 納米技術(shù)基礎(chǔ)上的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS ）技術(shù)目前正在得到普遍重視。在無(wú)線終端領(lǐng)域， 對(duì)微型化、 高性能和低成本的追求使大家普遍期待能將各種功能單元集成在一個(gè)單一芯片上，即實(shí)現(xiàn)SOC(System On a Chip)，而通信工程中大量射頻技術(shù)的采用使諸如諧振器，濾波器、耦合器等片外分離單元大量存在，MEMS 技術(shù)不僅可以克服這些障礙， 而且表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的通信元件具有更優(yōu)越的內(nèi)在性能。德國(guó)科學(xué)家首次在納米尺度上實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換， 這為設(shè)計(jì)微器件找到了一種潛在的能源，對(duì)實(shí)現(xiàn)光交換具有重要意義?？烧{(diào)光學(xué)元件的一個(gè)主要技術(shù)趨勢(shì)是應(yīng)用MEMS 技術(shù)。 MEMS 技術(shù)可使開發(fā)就地配置的光器件成為

3、可能，用于光網(wǎng)絡(luò)的MEMS 動(dòng)態(tài)元件包括可調(diào)的激光器和濾波器、動(dòng)態(tài)增益均衡器、可變光衰減器以及光交叉連接器等。此外，MEMS技術(shù)已經(jīng)在光交換應(yīng)用中進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段， 基于 MEMS 的光交換機(jī)已經(jīng)能夠傳遞實(shí)際的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，全光 MEMS 光交換機(jī)也正在步入商用階段，繼朗訊科技公司的“Lamda-Router”光 MEMS 交換機(jī)之后，美國(guó)Calient Networks公司的光交叉連接裝置也采用了光MEMS 交換機(jī)。2. 光交換是實(shí)現(xiàn)高速全光網(wǎng)的關(guān)鍵光交換是指光纖傳送的光信號(hào)直接進(jìn)行交換。長(zhǎng)期以來(lái)， 實(shí)現(xiàn)高速全光網(wǎng)一直受交換問題的困擾。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的交換技術(shù)需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能進(jìn)行交換，然后

4、再轉(zhuǎn)換成光信號(hào)進(jìn)行傳輸，這些光電轉(zhuǎn)換設(shè)備體積過(guò)于龐大，并且價(jià)格昂貴。而光交換完全克服了這些問題。因此，光交換技術(shù)必然是未來(lái)通信網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展方向。未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)將是全光網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、 路由、保護(hù)和自愈功能在未來(lái)光通信領(lǐng)域越來(lái)越重要。 光交換技術(shù)能夠保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并能提供靈活的信號(hào)路由平臺(tái)，光交換技術(shù)還可以克服純電子交換形成的容量瓶頸，省去光電轉(zhuǎn)換的笨重龐大的設(shè)備，進(jìn)而大大節(jié)省建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的成本。若采用全光網(wǎng)技術(shù)，將使網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省70%，設(shè)備費(fèi)用節(jié)省90% 。所以說(shuō)光交換技術(shù)代表著人們對(duì)光通信技術(shù)發(fā)展的一種希望。目前，全世界各國(guó)都正在積極研究開發(fā)全光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，其中關(guān)鍵產(chǎn)品便是

5、光變換技術(shù)的產(chǎn)品。目前市場(chǎng)上的光交換機(jī)大多數(shù)是光電和光機(jī)械的，隨著光交換技術(shù)的發(fā)展和成熟，基于熱學(xué)、液晶、 聲學(xué)、微機(jī)電技術(shù)的光交換機(jī)將會(huì)研究和開發(fā)出來(lái)，其中以將納米技術(shù)為基礎(chǔ)的微電子機(jī)械系統(tǒng) MEMS 應(yīng)用于光交換產(chǎn)品的開發(fā)更會(huì)加速光交換技術(shù)的發(fā)展。3. 無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（ PON ）技術(shù)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)是一種很有吸引力的純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，避免了外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設(shè)備的故障率， 提高了系統(tǒng)可靠性， 同時(shí)節(jié)省了維護(hù)成本， 是電信維護(hù)部門長(zhǎng)期以來(lái)期待的技術(shù)。無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的覆蓋“最后一公里”的寬帶接入光纖技術(shù)，其在光分支點(diǎn)不需要節(jié)點(diǎn)設(shè)備， 只需安裝一個(gè)簡(jiǎn)單的光分支器即可， 因此

6、具有節(jié)省光纜資源、帶寬資源共享、節(jié)省機(jī)房投資、設(shè)備安全性高、建網(wǎng)速度快、綜合建網(wǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。PON 包括 APON 、EPON 和 GPON 三種。ATM-PON （APON ，即基于 ATM 的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)) ，APON 在傳輸質(zhì)量和維護(hù)成本上有很大優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展目前已經(jīng)比較成熟，國(guó)內(nèi)的烽火通信、華為等廠商都有實(shí)用化的 APON 產(chǎn)品。Ethernet-PON（ EPON ，基于以太網(wǎng)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)），EPON 是基于以太網(wǎng)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，為了克服APON標(biāo)準(zhǔn)缺乏視頻能力、帶寬不夠、過(guò)于復(fù)雜、造價(jià)過(guò)高等缺點(diǎn)、EPON應(yīng)運(yùn)而生。EPON的基本作法是在G.983的基礎(chǔ)上，設(shè)法保留物理層PON ，而以以

7、太網(wǎng)代替ATM作為二層協(xié)議，構(gòu)成一個(gè)可以提供更大帶寬、更低成本和更寬業(yè)務(wù)能力的新的結(jié)合體。GPON （ Gigabit PON），GPON是一種按照消費(fèi)者的需求而設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)商驅(qū)動(dòng)的解決方案。具有高達(dá)2.4Gb/s速率，能以原格式傳送多種業(yè)務(wù)，效率高達(dá)90%以上，是目前世界上最為先進(jìn)的PON系統(tǒng)，是解決“最后一公里”瓶頸的理想技術(shù)。4. 光孤子通信系統(tǒng)在常規(guī)的線性光纖通信系統(tǒng)中，光纖損耗和色散是限制其傳輸容量和距離的主要因素。由于光纖制作工藝的不斷提高，光纖損耗已接近理論極限，因此光纖色散已成為實(shí)現(xiàn)超大容量、超長(zhǎng)距離光纖通信的“瓶頸”，亟待解決。 人們用了一百多年的時(shí)間來(lái)探討，發(fā)現(xiàn)由光纖非線性效

8、應(yīng)所產(chǎn)生的光孤子可以抵消光纖色散的作用，利用光孤子進(jìn)行通信，可以很好解決這個(gè)問題，從而形成了新一代光纖通信系統(tǒng)，也是21 世紀(jì)最有發(fā)展前途的通信方式。任何事物都是在發(fā)展中前進(jìn)，光通信在超長(zhǎng)距離、 超大容量發(fā)展進(jìn)程中，遇到了光纖損耗和色散的問題， 限制了其發(fā)展的空間。 科學(xué)家和業(yè)內(nèi)人士受自然界的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)了特殊的光孤子波， 人們?cè)O(shè)想在光纖中波形、幅度、速度不變的波就是光孤子波。利用光孤子傳輸信息的新一代光纖通信系統(tǒng)，真正做到全光通信，無(wú)需光、電轉(zhuǎn)換，可在超長(zhǎng)距離、超大容量傳輸中大顯身手，是光通信技術(shù)上的一場(chǎng)革命。4.1 線性光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展及其局限4.1.1 線性光纖通信系統(tǒng)是當(dāng)前無(wú)與倫比的信

9、息傳輸方式當(dāng)前的光纖通信屬線性光纖通信系統(tǒng)。線性光纖通信容量比電纜通信容量大10 億倍，一根比頭發(fā)絲還細(xì)的光纖可以傳輸幾萬(wàn)路電話和幾千路電視，由20 根光纖組成的光纜，每天可通話 7.62 萬(wàn)人次，而 1800 根銅線組成的電纜，每天只能通話900 人次。線性光纖通信還具有不受大氣干擾、中繼距離長(zhǎng)、信息容量大、重量輕、占空小、抗電磁干擾強(qiáng)、絕緣性好、串話小、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今最好最主要的信息傳輸方式。4.1.2 線性光纖通信的向前發(fā)展受到阻力限制我們知道光纖的損耗和色散是限制線性光纖通信系統(tǒng)傳輸距離和容量的兩個(gè)主要因素，尤其在 Gbit/s以上的高速光纖通信系統(tǒng)中，色散將起主要作用，即由于

10、脈沖展寬將使系統(tǒng)容量減少，傳輸?shù)木嚯x受到限制。4.1.2.1光纖損耗光脈沖在光纖中傳輸時(shí)有光損耗，這就使光的能量不斷地衰減，為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的傳輸，就得在一定距離上建立中繼站，以使衰減的光信號(hào)增強(qiáng)，中繼站是由檢測(cè)器、調(diào)制器和激光器所組成的光電組合系統(tǒng)。要達(dá)到高傳輸速率，檢測(cè)器和強(qiáng)度調(diào)制器已受到電子響應(yīng)時(shí)間的限制，中繼站的造價(jià)也十分昂貴，限制了線性光纖通信系統(tǒng)傳輸速率的進(jìn)一步提高。目前，在 1.55 m波長(zhǎng)處，光纖損耗己做到0.18dB/km，使光信號(hào)無(wú)中繼傳輸距離達(dá)100km，這一數(shù)值已接近理論極限值0.1dB/km，在光纖損耗方面已無(wú)太大潛力可挖。4.1.2.2光的色散光的色散指的是由于物質(zhì)的

11、折射率與光的波長(zhǎng)有關(guān)系而發(fā)生的一種現(xiàn)象。對(duì)于一定物質(zhì)， 折射系數(shù) n 是波長(zhǎng) 的一定函數(shù)：n=f （）決定折射率 n 隨波長(zhǎng) 而改變快慢的量，稱為物質(zhì)的色散。由于任一光脈沖都可以表示為不同頻率分量的組合，當(dāng)色散效應(yīng)存在時(shí)， 使得光脈沖中不同頻率分量的運(yùn)動(dòng)速度不一致，這樣就使得光脈沖在傳輸過(guò)程中發(fā)生變形。研究表明， 在光纖的正常色散區(qū)域中和反常色散區(qū)域中，光脈沖傳輸?shù)奶匦允遣煌摹Ｔ诠饫w的正常色散區(qū)域中，光脈沖的較高頻率分量（藍(lán)移）比較低的頻率分量（紅移）傳輸?shù)寐?，而在光纖的反常色散區(qū)域中，藍(lán)移比紅移傳輸?shù)每?，其群速度色散（GVD ， Group Velocity Dispersion）效應(yīng)的最

12、終結(jié)果導(dǎo)致光脈沖展寬。所以色散便是線性光纖通信系統(tǒng)繼續(xù)提高的主要阻力。解決這一難題的是非線性光纖通信系統(tǒng)光孤子通信系統(tǒng)。4.2 非線性光纖光孤子通信系統(tǒng)的構(gòu)成4.2.1 光孤子通信系統(tǒng)的基本組成目前已提出的光孤子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成方式種類較多，但其基本部件卻大體相同，的子源并非嚴(yán)格意義上的孤子激光器，而只是一種類似孤子的超短光脈沖源，它產(chǎn)生滿足基本光孤子能量、 頻譜等要求的超短脈沖。這種超短光脈沖，在光纖中傳輸時(shí)自動(dòng)壓縮、整形而形成光孤子。 電信號(hào)脈沖源通過(guò)調(diào)制器將信號(hào)載于光孤子流上，承載的光孤子流經(jīng)EDFA放大后進(jìn)入光纖傳輸。沿途需增加若干個(gè)光放大器，以補(bǔ)償光脈沖的能量損失。同時(shí)需平衡非線性

13、效應(yīng)與色散效應(yīng)，最終保證脈沖的幅度與形狀穩(wěn)定不變。在接收端通過(guò)光孤子檢測(cè)裝置、判決器或解調(diào)器及其它輔助裝置實(shí)現(xiàn)信號(hào)的還原。4.2.2 與普通線性光纖通信系統(tǒng)的不同4.2.2.1EDFA摻鉺光纖放大器光孤子在使用EDFA 的系統(tǒng)中能穩(wěn)定傳輸?shù)奶匦允枪夤伦油ㄐ拍軐?shí)用的一個(gè)關(guān)鍵。因?yàn)楣饫w的損耗不可避免要消耗孤子能量，當(dāng)能量不滿足孤子形成的條件時(shí)，脈沖喪失孤子特性而展寬，但只要通過(guò)EDFA摻鉺光纖放大器給孤子補(bǔ)充能量，孤子即自動(dòng)整形。利用孤子這一特性， 可進(jìn)行全光中繼，不再需要像常規(guī)光纖通信系統(tǒng)那樣在中繼站進(jìn)行光電光的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了全光傳輸，一般每3050km加一個(gè) EDFA ，是一種集總式能量補(bǔ)充方式

14、。4.2.2.2預(yù)加重技術(shù)預(yù)加重技術(shù)， 也稱為動(dòng)態(tài)光孤子通信。在上述集總式能量補(bǔ)充系統(tǒng)中，即使光纖的色散有抖動(dòng)，這種孤子也是穩(wěn)定的。在放大器的間距與孤子的特征長(zhǎng)度可比擬時(shí)，如果使進(jìn)入光纖的脈沖峰值功率大于基態(tài)孤子所要求的峰值功率，則所形成的孤子也能長(zhǎng)距離穩(wěn)定傳輸，這種技術(shù)通常被稱為預(yù)加重技術(shù)，也稱為動(dòng)態(tài)光孤子通信。4.2.2.3抑制戈登豪斯效應(yīng)所謂戈登豪斯效應(yīng)是一種抖動(dòng)。采用放大器的自發(fā)輻射噪聲，是一種不可避免的熱噪聲，它與孤子相互作用后，造成孤子中心頻率的隨機(jī)抖動(dòng)，進(jìn)而引起孤子到達(dá)接收端的抖動(dòng)，即戈登豪斯效應(yīng)。這一效應(yīng)是限制孤子傳輸系統(tǒng)容量、放大器間隔等系統(tǒng)指標(biāo)的重要因素。解決的辦法是在放大

15、器后加一個(gè)帶通濾波器即能較好的抑制戈登豪斯效應(yīng)。4.2.2.4波分復(fù)用技術(shù)光孤子也可實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用，即利用不同波長(zhǎng)的光孤子在同一光纖中傳輸；也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纖中傳輸，即偏振復(fù)用，進(jìn)一步提高傳輸質(zhì)量和容量。4.3 光孤子通信的優(yōu)越性及其展望4.3.1 光孤子通信的優(yōu)越性4.3.1.1光孤子通信系統(tǒng)極大地提高了傳輸容量和距離光孤子通信克服了色散的制約， 當(dāng)光強(qiáng)度足夠大時(shí)會(huì)使光脈沖變窄， 脈沖寬度不到一個(gè) ps ，可使光纖的帶寬增加 10100 倍，極大地提高了傳輸容量和傳輸距離， 尤其是當(dāng)光速度超過(guò)10Gbit/s 時(shí)，光孤子傳輸系統(tǒng)顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。光孤子通信作為新一代光纖通信

16、系統(tǒng)在洲際陸地通信和跨洋通信等超長(zhǎng)距離、超大容量通信系統(tǒng)中大顯身手。4.3.1.2光孤子通信系統(tǒng)從根本上改進(jìn)了耦合損耗和兼容問題光孤子通信系統(tǒng)不但容量大、頻帶寬、 增益高， 更可貴的是它能夠從根本上改進(jìn)現(xiàn)有通信中的光電器件和光纖耦合所帶來(lái)的損耗和兼容問題，是一場(chǎng)光纖通信的革命。4.3.1.3光孤子通信系統(tǒng)解決了高溫自動(dòng)控制和測(cè)量光孤子通信系統(tǒng)由于沒有使用電子元件，可以在很高的溫度下工作，甚至是 1000 度的高溫。這對(duì)高溫條件下的自動(dòng)控制或測(cè)量具有劃時(shí)代的意義，為人類提供了新的理想的傳輸系統(tǒng)，意義重大。4.3.2 光孤子通信的未來(lái)展望非線性光纖光孤子通信是一種全新的超高速、大容量、 超長(zhǎng)距離的

17、通信技術(shù)。 信息傳輸容量比現(xiàn)在最好的線性光纖通信系統(tǒng)還要高出1 至 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。該系統(tǒng)將成為21 世紀(jì)的主要通信系統(tǒng)。光孤子通信以其巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景令世人矚目，尤其是EDFA技術(shù)的迅速發(fā)展使得幾十至幾百吉比特率，幾千至幾萬(wàn)公里的信息傳輸變得輕而易取。如此美好的應(yīng)用前景、如此誘人的事業(yè)， 一定會(huì)吸引國(guó)內(nèi)外眾多科技人員為之努力貢獻(xiàn)。本世紀(jì)初葉就會(huì)看到光孤子通信實(shí)用化的到來(lái)。在結(jié)束本文之前我們用圖2 來(lái)表示光孤子通信的現(xiàn)狀與展望。從光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，完全有理由認(rèn)為光纖通信進(jìn)入了又一次蓬勃發(fā)展的新高潮。而這一次發(fā)展高潮涉及的范圍更廣，技術(shù)更新更難， 影響力和影響面也更寬，勢(shì)必對(duì)整個(gè)電信

18、網(wǎng)和信息業(yè)產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。 它的演變和發(fā)展結(jié)果將在很大程度上決定電信網(wǎng)和信息業(yè)的未來(lái)大格局，也將對(duì)下一世紀(jì)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。光纖 傳感技術(shù) 是 20 世紀(jì) 70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)， 感知和傳輸外界被測(cè)量 信號(hào)的新型傳感技術(shù)。作為被測(cè)量信號(hào)載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖， 具有一系列獨(dú)特的、 其他載體和媒質(zhì)難以相比的優(yōu)點(diǎn)。光波不怕 電磁干擾 ，易為各種 光探測(cè)器 件接收， 可方便的進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換，易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置和計(jì)算機(jī)相匹配。1 ：技術(shù)簡(jiǎn)介光纖工作頻帶寬， 動(dòng)態(tài)范圍大，適合于遙測(cè)遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線；在

19、一定條件下， 光纖特別容易接受被測(cè)量或場(chǎng)的加載，是一種優(yōu)良的敏感元件；光纖本身不帶電，體積小，質(zhì)量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。因此，光纖傳感技術(shù)一問世就受到極大重視，幾乎在各個(gè)領(lǐng)域得到研究與應(yīng)用，成為傳感技術(shù)的先導(dǎo)，推動(dòng)著傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展。光纖傳感，包含對(duì)外界信號(hào)（被測(cè)量）的感知和傳輸兩種功能。所謂感知（或敏感），是指外界信號(hào)按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奈锢硖卣鲄⒘浚鐝?qiáng)度（功率）、波長(zhǎng)、頻率 、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化， 測(cè)量光參量的變化即“感知”外界信號(hào)的變化。這種“感知”實(shí)質(zhì)上是外界信號(hào)對(duì)光纖中傳播的光波實(shí)時(shí)

20、調(diào)制。所謂傳輸， 是指光纖將受到外界信號(hào)調(diào)制的光波傳輸?shù)焦馓綔y(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，將外界信號(hào)從光波中提取出來(lái)并按需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也就是解調(diào)。 因此，光纖傳感技術(shù)包括調(diào)制與解調(diào)兩方面的技術(shù)，即外界信號(hào) （被測(cè)量）如何調(diào)制光纖中的光波參量的調(diào)制技術(shù)（或加載技術(shù)） 及如何從被調(diào)制的光波中提取外界信號(hào)（被測(cè)量）的解調(diào)技術(shù)（或檢測(cè)技術(shù)）。外界信號(hào)對(duì)傳感光纖中光波參量進(jìn)行調(diào)制的部位稱為調(diào)制區(qū)。根據(jù)調(diào)制區(qū)與光纖的關(guān)系，可將調(diào)制分為兩大類。一類為功能型調(diào)制，調(diào)制區(qū)位于光纖內(nèi)，外界信號(hào)通過(guò)直接改變光纖的某些傳輸特征參量對(duì)光波實(shí)施調(diào)制。這類光纖傳感器 稱為功能型（ FunctionalFiber ，簡(jiǎn)稱 FF 型）或本征型光纖傳感器，也成為內(nèi)調(diào)制型傳感器，光纖同具“傳”和“感”兩種功能。于光源耦合的發(fā)射光纖同于光