光纖通信技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展探究

1、光纖通信技術(shù)發(fā)展探究湖北大學(xué)知行學(xué)院 電子信息工程 0801（本） 董珂摘要 光纖通信是推動(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 針對(duì)光纖通信技術(shù)的發(fā)展及趨勢(shì)展開(kāi)研究，分別介紹光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，以及 光纖通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用。關(guān)鍵詞 光纖通信 發(fā)展趨勢(shì)0 引言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)都已經(jīng)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 光纖通信系統(tǒng)1.1 光纖通信系

2、統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)、通信信道和光接收機(jī)三個(gè)部分組成，這三個(gè)部分也是所有通 信系統(tǒng)的必要組成部分。光發(fā)射機(jī)的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，并將光信號(hào)耦合進(jìn)入傳 輸光纖中。光纖通信系統(tǒng)采用光纖作為通信信道，它的作用是將光信號(hào)從發(fā)射機(jī)不失真地傳 送到接收機(jī)。光接收機(jī)在光纖的末端將接收到的光信號(hào)恢復(fù)成原來(lái)的電信號(hào)。光纖通信系統(tǒng) 的示意圖如圖 1 所示。圖 0 光通信結(jié)構(gòu)1.2 光纖通信技術(shù)的特點(diǎn)1）頻帶極寬，通信容量大 光纖比銅線或電纜有大得多的傳輸帶寬，對(duì)于單波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)，由于終端設(shè)備的限 制往往發(fā)揮不出帶寬大的優(yōu)勢(shì)，因此需要技術(shù)來(lái)增加傳輸?shù)娜萘?，密集波分?fù)用技術(shù)就能解 決這個(gè)問(wèn)題

3、。2）損耗低，中繼距離長(zhǎng)目前，商品石英光纖損耗可低于020dB/km,這樣的傳輸損耗比其它任何傳輸介質(zhì)的損 耗都低，若將來(lái)采用非石英系統(tǒng)極低損耗光纖，其理論分析損耗可下降到更低的水平，這就 表明通過(guò)光纖通信系統(tǒng)可以減少系統(tǒng)的施工成本，帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益。3）抗電磁干擾能力強(qiáng)光纖原材料是由石英制成的絕緣體材料，不易被腐蝕，而且絕緣性好。與之相聯(lián)系的一 個(gè)重要特性是光波導(dǎo)對(duì)電磁干擾的免疫力，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽(yáng) 黑子活動(dòng)的干擾，也不受人為釋放的電磁干擾，還可以用它與高壓輸電線平行架設(shè)或電力導(dǎo) 體復(fù)合構(gòu)成復(fù)合光纜。這一點(diǎn)對(duì)于強(qiáng)電領(lǐng)域（如電力傳輸線路和電氣化鐵道）的通信系統(tǒng)特 別

4、有利。由于能免除電磁脈沖效應(yīng)，光纖傳輸還特別適合于軍事應(yīng)用。4）無(wú)串音干擾，保密性好在電波傳輸?shù)倪^(guò)程中，電磁波的泄露會(huì)造成各傳輸通道的串?dāng)_，而容易被竊聽(tīng)，保密性 差。光波在光纖中傳輸，因?yàn)楣庑盘?hào)被完善地限制在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，而任何泄露的射線都被 環(huán)繞光纖的不透明包皮所吸收，即使在轉(zhuǎn)彎處，漏出的光波也十分微弱，即使光纜內(nèi)光纖總 數(shù)很多，相鄰信道也不會(huì)出現(xiàn)串音干擾，同時(shí)在光纜外面，也無(wú)法竊聽(tīng)到光纖中傳輸?shù)男畔ⅰ３陨咸攸c(diǎn)之外，還有光纖徑細(xì)、重量輕、柔軟、易于鋪設(shè)；光纖的原材料資源豐富 成本低；溫度穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)。由于光纖通信具有以上的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，其不僅可以應(yīng)用在通 信的主干線路中，還可以應(yīng)用在電力通

5、信控制系統(tǒng)中，精心工業(yè)監(jiān)測(cè)、控制，而且在軍事領(lǐng) 域的用途也越來(lái)越為廣泛。2 光纖通信的發(fā)展過(guò)程光纖通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要傳輸手段，它的發(fā)展歷史只有一二十年，已經(jīng)歷三 代：短波長(zhǎng)多模光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)多模光纖和長(zhǎng)波長(zhǎng)單模光纖。采用光纖通信是通信史上 的重大變革，美、日、英、法等 20多個(gè)國(guó)家已宣布不再建設(shè)電纜通信線路，而致力 于發(fā)展光纖通信。中國(guó)光纖通信已進(jìn)入實(shí)用階段。光纖通信的誕生和發(fā)展是電信史上的一次重要革命與衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信并列為20世紀(jì)90年代的技術(shù)。進(jìn)入21世紀(jì)后，由于因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展和音頻、視頻、 數(shù)據(jù)、多媒體應(yīng)用的增長(zhǎng)，對(duì)大容量（超高速和超長(zhǎng)距離）光波傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)有了 更為迫切的

6、需求。光纖通信就是利用光波作為載波來(lái)傳送信息，而以光纖作為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息傳 輸，達(dá)到通信目的的一種最新通信技術(shù)。通信的發(fā)展過(guò)程是以不斷提高載波頻率來(lái)擴(kuò)大通信容量的過(guò)程，光頻作為載頻已達(dá)通信載波的上限，因?yàn)楣馐且环N頻率極高的電磁波，因此用光作為載波進(jìn)行通信容量極大，是過(guò)去通信方式的千百倍，具有極大的吸引力，光通信是人們?cè)缇妥非蟮?目標(biāo)，也是通信發(fā)展的必然方向。光纖通信與以往的電氣通信相比，主要區(qū)別在于有很多優(yōu)點(diǎn)：它傳輸頻帶寬、通 信容量大；傳輸損耗低、中繼距離長(zhǎng)；線徑細(xì)、重量輕，原料為石英，節(jié)省金屬材料， 有利于資源合理使用；絕緣、抗電磁干擾性能強(qiáng)；還具有抗腐蝕能力強(qiáng)、抗輻射能力 強(qiáng)、可繞性好

7、、無(wú)電火花、泄露小、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可在特殊環(huán)境或軍事上使用。3 光纖通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用及趨勢(shì)3.1 波分復(fù)用技術(shù)超大容量、超長(zhǎng)距離傳輸技術(shù)波分復(fù)用技術(shù)極大地提高了光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容 量，在未來(lái)跨海光傳輸系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用背景。波分復(fù)用技術(shù)（WDM）是將一系列載 有信息、但波長(zhǎng)不同的光信號(hào)合成一束，沿著單根光纖傳輸；在接收端再用某種方法，將各 個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)的通信技術(shù)。這種技術(shù)可以同時(shí)在一根光纖上傳輸多路信號(hào)，每一 路信號(hào)都由某種特定波長(zhǎng)的光來(lái)傳送,這就是一個(gè)波長(zhǎng)信道。波分復(fù)用技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)如下:1）充分利用光纖的低損耗波段，增加光纖的傳輸容量，使一根光纖傳送信息的物理限度增加一倍至

8、數(shù)倍。目前我們只是利用了光纖低損耗譜（1310nm-1550nm）極少一部分，波分復(fù)用可以充分利用單模光纖的巨大帶寬約25THz,傳輸帶寬充足。2）具有在同一根光纖中，傳送2個(gè)或數(shù)個(gè)非同步信號(hào)的能力，有利于數(shù)字信號(hào)和 模擬信號(hào)的兼容，與數(shù)據(jù)速率和調(diào)制方式無(wú)關(guān)，在線路中間可以靈活取出或加入信道。3）對(duì)已建光纖系統(tǒng)，尤其早期鋪設(shè)的芯數(shù)不多的光纜，只要原系統(tǒng)有功率余量，可進(jìn)一步增容，實(shí)現(xiàn)多個(gè)單向信號(hào)或雙向信號(hào)的傳送而不用對(duì)原系統(tǒng)作大改動(dòng)，具有較強(qiáng)的靈活性。4）由于大量減少了光纖的使用量，大大降低了建設(shè)成本、由于光纖數(shù)量少，當(dāng)出現(xiàn) 故障時(shí),恢復(fù)起來(lái)也迅速方便。5）有源光設(shè)備的共享性，對(duì)多個(gè)信號(hào)的傳送或

9、新業(yè)務(wù)的增加降低了成本。6）系統(tǒng)中有源設(shè)備得到大幅減少，這樣就提高了系統(tǒng)的可靠性。近年來(lái)波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展迅速，目前1.6Tbit/s的WDM系統(tǒng)已經(jīng)大量商用，同時(shí) 全光傳輸距離也在大幅擴(kuò)展。提高傳輸容量的另一種途徑是采用光時(shí)分復(fù)用（ OTDM） 技術(shù)，與WDM通過(guò)增加單光纖中傳輸?shù)男诺罃?shù)來(lái)提高其傳輸容量不同， OTDM技術(shù)是通 過(guò)提高單信道速率來(lái)提高傳輸容量，其實(shí)現(xiàn)的單信道最高速率達(dá) 640Gbit/s。僅靠OTDM和WDM來(lái)提高光通信系統(tǒng)的容量畢竟有限，可以把多個(gè)OTDM信號(hào)進(jìn)行 波分復(fù)用，從而大幅度提高傳輸容量。偏振復(fù)用（PDM）技術(shù)可以明顯減弱相鄰信道 的相互作用。由于歸零（RZ）編碼信

10、號(hào)在超高速通信系統(tǒng)中占空較小，降低了對(duì)色散 管理分布要求，且RZ編碼方式對(duì)光纖的非線性和偏振模色散 （PMD）的適應(yīng)能力較強(qiáng)， 因此現(xiàn)在的超大容量 WDM/OTDM 通信系統(tǒng)基本上都采用 RZ 編碼傳輸方式。 WDM/OTDM 混合傳輸系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)基本上都包括在OTDM和WDM通信系統(tǒng)中。3.2 光孤子通信光孤子是一種特殊的ps數(shù)量級(jí)的超短光脈沖，由于它在光纖的反常色散區(qū)，群 速度色散和非線性效應(yīng)相互平衡，因而經(jīng)過(guò)光纖長(zhǎng)距離傳輸后，波形和速度都保持不 變。光孤子通信就是利用光孤子作為載體實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)畸變的通信，在零誤碼的情況 下信息傳遞可達(dá)萬(wàn)里之遙。光孤子理論的出現(xiàn)，對(duì)于光纖通信技術(shù)

11、的發(fā)展起到了里程碑的作用。因?yàn)楣饫w通 信技術(shù)的發(fā)展一直朝著兩個(gè)方向努力，一是大容量傳輸，二是延長(zhǎng)中繼距離。光孤子 的特點(diǎn)決定了它在通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景。通常將基階光孤子用于通信，因?yàn)樗谡麄€(gè) 傳播過(guò)程中沒(méi)有任何變化。光孤子通信具有以下特點(diǎn)：1）容量大：傳輸碼率一般可達(dá) 20Gb/s，最高可達(dá)100Gb/s以上；2）誤碼率低、抗干擾能力強(qiáng)：基階光孤子在傳輸過(guò)程中保持不變及光孤子的絕 熱特性決定了光孤子傳輸?shù)恼`碼率大大低于常規(guī)光纖通信，甚至可實(shí)現(xiàn)誤碼率低于10 12的無(wú)差錯(cuò)光纖通信；3）可以不用中繼站：只要對(duì)光纖損耗進(jìn)行增益補(bǔ)償，即可將光信號(hào)無(wú)畸變地傳 輸極遠(yuǎn)距離，從而免去了光電轉(zhuǎn)換、重新整形放大、

12、檢查誤碼、電光轉(zhuǎn)換、再重新發(fā) 送等復(fù)雜過(guò)程。已提出的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成方式種類(lèi)較多，但其基本部件卻大體相同。下圖所示即 為基本組成形式。圖1光孤子通信系統(tǒng)基本組成圖中的孤子源并非嚴(yán)格意義上的孤子激光器，只是一種類(lèi)似孤子的超短光脈沖 源，它產(chǎn)生滿(mǎn)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)載干光孤子 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

13、助裝置實(shí) 現(xiàn)信號(hào)的還原。光孤子技術(shù)未來(lái)的前景是：在傳輸速度方面采用超長(zhǎng)距離的高速通信，時(shí)域和頻域的超 短脈沖控制技術(shù)以及超短脈沖的產(chǎn)生和應(yīng)用技術(shù)使現(xiàn)行速率10-20Gbit/s提高到lOOGbit/s以 上；在增大傳輸距離方面采用重定時(shí)、整形、再生技術(shù)和減少ASE，光學(xué)濾波使傳輸距離 提高到lOOOOOKm以上；在高性能EDFA方面是獲得低噪聲高輸出EDFA。當(dāng)然實(shí)際的光孤 子通信仍然存在許多技術(shù)難題，但目前已取得的突破性進(jìn)展使人們相信，光孤子通信在超長(zhǎng) 距離、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系統(tǒng)中，有著光明的發(fā)展前景。3.3全光網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的高速通信網(wǎng)將是全光網(wǎng)。全光網(wǎng)是光纖通信技術(shù)發(fā)

14、展的最高階段，也是理 想階段。傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的全光化，但在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)處仍采用電器件，限制 了目前通信網(wǎng)干線總?cè)萘康倪M(jìn)一步提高，因此真正的全光網(wǎng)已成為一個(gè)非常重要的課 題。所謂全光網(wǎng)絡(luò)，是指信號(hào)只是在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)才進(jìn)行電 /光和光/電的變換，而在網(wǎng) 絡(luò)中傳輸和交換的過(guò)程中始終以光的形式存在。因?yàn)樵谡麄€(gè)傳輸過(guò)程中沒(méi)有電的處 理，所以PDH、SDH、ATM等各種傳送方式均可使用，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。全光 網(wǎng)絡(luò)以光節(jié)點(diǎn)代替電節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間也是全光化，信息始終以光的形式進(jìn)行傳輸與交 換，交換機(jī)對(duì)用戶(hù)信息的處理不在按比特進(jìn)行，而是根據(jù)其波長(zhǎng)來(lái)決定路由。但是全光網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有路由協(xié)議這類(lèi)東西。目前，光

15、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行在點(diǎn)到點(diǎn)或環(huán)路 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。點(diǎn)到點(diǎn)是指，光脈沖要么由設(shè)備 A傳送到設(shè)備B,要么不傳送。如果電 纜出現(xiàn)中斷，點(diǎn)到點(diǎn)方式?jīng)]有后備連接。像 SONET的自動(dòng)保護(hù)交換這樣的環(huán)路技術(shù)提 供了略好一些的冗余性：一旦電纜出現(xiàn)中斷，環(huán)路可以繞過(guò)去。而任何更復(fù)雜的拓?fù)?結(jié)構(gòu)都需要路由技術(shù)。路由決策屬于光網(wǎng)絡(luò)的邊緣，只要全光網(wǎng)絡(luò)很小并且簡(jiǎn)單。 如果交換機(jī)制造商真正想增加銷(xiāo)售量，他們就需要在他們的設(shè)備中提供更多的智能。 全光網(wǎng)絡(luò)的另一主要障礙是找到一種緩沖光的方式。沒(méi)有一種光設(shè)備可以像電子設(shè)備 緩沖數(shù)據(jù)包那樣減緩光的傳播速度或存儲(chǔ)光。無(wú)法緩沖光使得全光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在任何存 在擁塞的環(huán)境中不具有實(shí)用性。假設(shè)有一臺(tái)光網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，兩個(gè)發(fā)向同一目的地的光 脈沖同時(shí)到達(dá)到這臺(tái)設(shè)備。這臺(tái)交換機(jī)無(wú)法緩沖光則將只有拋棄其中一個(gè)脈