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1、光纤通信技术发展探究湖北大学知行学院 电子信息工程 0801（本） 董珂摘要 光纤通信是推动整个通信网络发展的基本动力之一，是现代电信网络的基础。本文 针对光纤通信技术的发展及趋势展开研究，分别介绍光纤通信技术的发展历史和现状，以及 光纤通信技术的发展趋势和应用。关键词 光纤通信 发展趋势0 引言光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命，光纤通信技术发展所涉及的范围， 无论从影响力度还是影响广度来说都已经远远超越其本身，并对整个电信网和信息业产生深 远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局，也将对 社会经济发展产生巨大影响。1 光纤通信系统1.1 光纤通信系
2、统的基本组成光纤通信系统由光发射机、通信信道和光接收机三个部分组成，这三个部分也是所有通 信系统的必要组成部分。光发射机的作用是将电信号转变成光信号，并将光信号耦合进入传 输光纤中。光纤通信系统采用光纤作为通信信道，它的作用是将光信号从发射机不失真地传 送到接收机。光接收机在光纤的末端将接收到的光信号恢复成原来的电信号。光纤通信系统 的示意图如图 1 所示。图 0 光通信结构1.2 光纤通信技术的特点1）频带极宽，通信容量大 光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，对于单波长光纤通信系统，由于终端设备的限 制往往发挥不出带宽大的优势，因此需要技术来增加传输的容量，密集波分复用技术就能解 决这个问题
3、。2）损耗低，中继距离长目前，商品石英光纤损耗可低于020dB/km,这样的传输损耗比其它任何传输介质的损 耗都低，若将来采用非石英系统极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降到更低的水平，这就 表明通过光纤通信系统可以减少系统的施工成本，带来更好的经济效益。3）抗电磁干扰能力强光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料，不易被腐蚀，而且绝缘性好。与之相联系的一 个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳 黑子活动的干扰，也不受人为释放的电磁干扰，还可以用它与高压输电线平行架设或电力导 体复合构成复合光缆。这一点对于强电领域（如电力传输线路和电气化铁道）的通信系统特 别
4、有利。由于能免除电磁脉冲效应，光纤传输还特别适合于军事应用。4）无串音干扰，保密性好在电波传输的过程中，电磁波的泄露会造成各传输通道的串扰，而容易被窃听，保密性 差。光波在光纤中传输，因为光信号被完善地限制在光波导结构中，而任何泄露的射线都被 环绕光纤的不透明包皮所吸收，即使在转弯处，漏出的光波也十分微弱，即使光缆内光纤总 数很多，相邻信道也不会出现串音干扰，同时在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。除以上特点之外，还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设；光纤的原材料资源丰富 成本低；温度稳定性好、寿命长。由于光纤通信具有以上的独特优点，其不仅可以应用在通 信的主干线路中，还可以应用在电力通
5、信控制系统中，精心工业监测、控制，而且在军事领 域的用途也越来越为广泛。2 光纤通信的发展过程光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三 代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。采用光纤通信是通信史上 的重大变革，美、日、英、法等 20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力 于发展光纤通信。中国光纤通信已进入实用阶段。光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为20世纪90年代的技术。进入21世纪后，由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、 数据、多媒体应用的增长，对大容量（超高速和超长距离）光波传输系统和网络有了 更为迫切的
6、需求。光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传 输，达到通信目的的一种最新通信技术。通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波的上限，因为光是一种频率极高的电磁波，因此用光作为载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就追求的 目标，也是通信发展的必然方向。光纤通信与以往的电气通信相比，主要区别在于有很多优点：它传输频带宽、通 信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料， 有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力 强、可绕性好
7、、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用。3 光纤通信技术的发展应用及趋势3.1 波分复用技术超大容量、超长距离传输技术波分复用技术极大地提高了光纤传输系统的传输容 量，在未来跨海光传输系统中有广阔的应用背景。波分复用技术（WDM）是将一系列载 有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将各 个不同波长的光信号分开的通信技术。这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一 路信号都由某种特定波长的光来传送,这就是一个波长信道。波分复用技术的技术特点如下:1）充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至
8、数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱（1310nm-1550nm）极少一部分，波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz,传输带宽充足。2）具有在同一根光纤中，传送2个或数个非同步信号的能力，有利于数字信号和 模拟信号的兼容，与数据速率和调制方式无关，在线路中间可以灵活取出或加入信道。3）对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率余量，可进一步增容，实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动，具有较强的灵活性。4）由于大量减少了光纤的使用量，大大降低了建设成本、由于光纤数量少，当出现 故障时,恢复起来也迅速方便。5）有源光设备的共享性，对多个信号的传送或
9、新业务的增加降低了成本。6）系统中有源设备得到大幅减少，这样就提高了系统的可靠性。近年来波分复用系统发展迅速，目前1.6Tbit/s的WDM系统已经大量商用，同时 全光传输距离也在大幅扩展。提高传输容量的另一种途径是采用光时分复用（ OTDM） 技术，与WDM通过增加单光纤中传输的信道数来提高其传输容量不同， OTDM技术是通 过提高单信道速率来提高传输容量，其实现的单信道最高速率达 640Gbit/s。仅靠OTDM和WDM来提高光通信系统的容量毕竟有限，可以把多个OTDM信号进行 波分复用，从而大幅度提高传输容量。偏振复用（PDM）技术可以明显减弱相邻信道 的相互作用。由于归零（RZ）编码信
10、号在超高速通信系统中占空较小，降低了对色散 管理分布要求，且RZ编码方式对光纤的非线性和偏振模色散 （PMD）的适应能力较强， 因此现在的超大容量 WDM/OTDM 通信系统基本上都采用 RZ 编码传输方式。 WDM/OTDM 混合传输系统需要解决的关键技术基本上都包括在OTDM和WDM通信系统中。3.2 光孤子通信光孤子是一种特殊的ps数量级的超短光脉冲，由于它在光纤的反常色散区，群 速度色散和非线性效应相互平衡，因而经过光纤长距离传输后，波形和速度都保持不 变。光孤子通信就是利用光孤子作为载体实现长距离无畸变的通信，在零误码的情况 下信息传递可达万里之遥。光孤子理论的出现，对于光纤通信技术
11、的发展起到了里程碑的作用。因为光纤通 信技术的发展一直朝着两个方向努力，一是大容量传输，二是延长中继距离。光孤子 的特点决定了它在通信领域的应用前景。通常将基阶光孤子用于通信，因为它在整个 传播过程中没有任何变化。光孤子通信具有以下特点：1）容量大：传输码率一般可达 20Gb/s，最高可达100Gb/s以上；2）误码率低、抗干扰能力强：基阶光孤子在传输过程中保持不变及光孤子的绝 热特性决定了光孤子传输的误码率大大低于常规光纤通信，甚至可实现误码率低于10 12的无差错光纤通信；3）可以不用中继站：只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信号无畸变地传 输极远距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、
12、检查误码、电光转换、再重新发 送等复杂过程。已提出的实验系统的构成方式种类较多，但其基本部件却大体相同。下图所示即 为基本组成形式。图1光孤子通信系统基本组成图中的孤子源并非严格意义上的孤子激光器，只是一种类似孤子的超短光脉冲 源，它产生满足基本光孤子能量、频谱等要求的超短脉冲，这种超短光脉冲，在光纤 中传输时自动压缩、整形而形成光孤子。电信号脉冲源通过调制器将信号载干光孤子 流上，承载的光孤子流经EDFA放大后进入光纤传输。沿途需增加若干个光放大器， 以补偿光脉冲的能量损失。同时需平衡非线性效应与色散效应，最终保证脉冲的幅度 与形状稳定不变。在接收端通过光孤子检测装置、判决器或解调器及其它辅
13、助装置实 现信号的还原。光孤子技术未来的前景是：在传输速度方面采用超长距离的高速通信，时域和频域的超 短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率10-20Gbit/s提高到lOOGbit/s以 上；在增大传输距离方面采用重定时、整形、再生技术和减少ASE，光学滤波使传输距离 提高到lOOOOOKm以上；在高性能EDFA方面是获得低噪声高输出EDFA。当然实际的光孤 子通信仍然存在许多技术难题，但目前已取得的突破性进展使人们相信，光孤子通信在超长 距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系统中，有着光明的发展前景。3.3全光网络未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发
14、展的最高阶段，也是理 想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络结点处仍采用电器件，限制 了目前通信网干线总容量的进一步提高，因此真正的全光网已成为一个非常重要的课 题。所谓全光网络，是指信号只是在进出网络时才进行电 /光和光/电的变换，而在网 络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在。因为在整个传输过程中没有电的处 理，所以PDH、SDH、ATM等各种传送方式均可使用，提高了网络资源的利用率。全光 网络以光节点代替电节点，节点之间也是全光化，信息始终以光的形式进行传输与交 换，交换机对用户信息的处理不在按比特进行，而是根据其波长来决定路由。但是全光网络中没有路由协议这类东西。目前，光
15、网络设备运行在点到点或环路 拓扑结构中。点到点是指，光脉冲要么由设备 A传送到设备B,要么不传送。如果电 缆出现中断，点到点方式没有后备连接。像 SONET的自动保护交换这样的环路技术提 供了略好一些的冗余性：一旦电缆出现中断，环路可以绕过去。而任何更复杂的拓扑 结构都需要路由技术。路由决策属于光网络的边缘，只要全光网络很小并且简单。 如果交换机制造商真正想增加销售量，他们就需要在他们的设备中提供更多的智能。 全光网络的另一主要障碍是找到一种缓冲光的方式。没有一种光设备可以像电子设备 缓冲数据包那样减缓光的传播速度或存储光。无法缓冲光使得全光网络设备在任何存 在拥塞的环境中不具有实用性。假设有一台光网络交换机，两个发向同一目的地的光 脉冲同时到达到这台设备。这台交换机无法缓冲光则将只有抛弃其中一个脉冲。目前，全光网络发展仍处于初期阶段，但它显示出良好的发展前景。无法缓冲光的情况 可能会改变。但目前还面临较大的困难，还需不懈坚持研究才能投入实际应用。5 结束语从光纤通信的发展趋势来看，光纤通信又进入了一次蓬勃发展的新高潮。但是光纤通信 相关的技术发展日新月异，而这一次发展高潮涉及的范围更广，影响人们日常生活、工作 娱乐等各个方面，真正使通信与信息产业成为推动社会进步与经济发展的强大动力。参考文献1）邱昆 王晟等光纤通信，电子科技大学出版社2）史为超光纤通信应用及发展探究
