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1、光纤通信新技术的应用光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。近几年来，随着技术的 进步，电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面开放，光纤通信的发展又一 次呈现了蓬勃发展的新局面，本文旨在对光纤通信领域的主要发展热点作一简述 与展望 。一、光纤通信的概述1.1 光纤通信的发展史80 年代一项最重要的技术发展是光纤通信成为一个主要的国际性产业。用 光纤铺设的总长度可以表明其发展的程度。据估计，截止 2001 年底，全世界铺 设的光纤总长度就达 3.81 亿英里。1955 年，英国科学家卡帕尼，发明了玻璃光导纤维。1960 年被称为光纤之 父的华人高锟等人首先提出了用低吸收的光纤做光通信。1
2、970 年，美国的柯林 公司做出了每公里 20 分贝的低损耗光纤，贝尔实验室研制成功室温连续运转的 半导体激光器，这奠定了光纤通信的基础。七八年以后，美国在芝加哥市首先 开辟了第一条光纤通信线路。再过 10 年左右，1.55 微米波长的光纤损耗率低到 0.2 个分贝每公里，这样低的损耗就可以传输很远。在同年，英国的南安普敦大 学，发明了掺铒光纤放大器。1989 年美国首次进行了波分复用的光通信实验，是四个频道的，四个通道。 1998 年，美国实现了密集波分复用的长途光通信，它的传输速率达到每秒一个 太比特，从此，我们就进入了这样一个高速的时代，太比特的时代。中国光通信的历史是在20世纪 80年
3、代的上海首先铺设了一条1.8 公里的数 字光通信线路。20 世纪 80 年代投资的武汉邮电研究院，研制光纤的器件和光 纤本身，现在也成为光纤器件的一个最大的研究单位。1995 年到 1998 年，上 海交大完成了九五项目，四个节点的全光城域网、实验网。20 世纪 90 年代起， 全国各地都普遍铺设和使用单路的光纤通信线路，截止到 2004 年底，全国敷设 光纤总长度已超过350万公里。 2000年底中国网通公司建成了3400公里的波 分复用的光纤通信网；2001 年完成了863 项目，中国高速示范网；2000 年，国 家自然科学基金资助了一个项目，中国高速互联研究实验网。现在，我们国内有很多的
4、公司可以批量生产光纤通信的系统和器件。1.2 光纤通信的概念 所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。要使光波成为携带信息的载体，必须在发射端对其进行调制，而在接收端把信 息从光波中检测出来（解调）。依目前技术水平，大部分采用强度调制与直接 检测方式（IM-DD）。典型的数字光纤通信系统方框图如图1-1所示。图 1-1 数字光纤通信系统从图 1-1 可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发射机、光纤与光接收 机组成。在发射端，电端机把模拟信息（如话音）进行模 /数转换，用转换后 的数字信号去调制发射机中的光源器件（一般是半导体激光器LD），则光源 器件就会发出携带信息的光
5、波。如当数字信号为“1”时，光源器件发射一个 “传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发射一个“空号”（不发 光）。光波经光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波 中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的模拟信息。 就这样完成了一次通信的全过程。1.3 光纤基础1.3.1 光纤的结构通信用光纤主要是由纤芯和包层构成，包层外是涂覆层，整根光纤呈圆柱形。 光纤的典型结构如图 1-2 所示。D口1涂覆层包层纤芯图 1-2 光纤的典型结构纤芯的粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起着决定性的 影响。图 1-3 所示为常用光纤三种基本类型。单模EMF(
6、b)突变型劣模EIF(C)渐变型GIF图 1-3 常用光纤三种基本类型按照光在光纤中传输模式的不同，分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的 纤芯直径极细，一般不到10pm,如图1-5 (a)所示；多模光纤的纤芯直径较粗, 通常在50pm左右。但从光纤的外观上来看，两种光纤区别不大。从图中可以看出，在纤芯和包层横截面上，折射率剖面有两种典型的分布。 对于多模光纤而言，一种是纤芯和包层折射率沿光纤径向分布都是均匀的，而 在纤芯和包层的交界面上，折射率呈阶梯形突变，这种光纤称为突变型光纤， 如图1-5 (b)所示；另一种是纤芯的折射率不是均匀常数，而是随纤芯径向坐 标增加而逐渐减小，一直渐变到等于包层折
7、射率值，因而将这种光纤称为渐变 型光纤，如图1-5 (c)所示。这两种光纤剖面的共同特点是：纤芯的折射率n1大于包层折射率n2,这也是光信号在光纤中传输的必要条件。对于突变型光纤而言，它可以使光波在纤芯和包层的交界面形成全反射，引导光波沿纤芯向前 传播；对于渐变型光纤而言,它可以使光波在纤芯中产生连续折射,形成穿过 光纤轴线的类似于正弦波的光射线,引导光波沿纤芯向前传播,两种光射线轨 迹如图1-5 （b）、（c）所示。1.3.2光纤的基本特性（1）衰减系数光纤的损耗主要包括吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种,在弯曲半径较大 的情况下,弯曲损耗对光纤衰减系数的影响不大,决定光纤衰减系数的损耗主 要
8、是吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的,是光纤中 过量金属杂质和氢氧根离子0H-吸收光而产生的光功率损耗。散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，以及所含SiO2、GeO2和P2O5等成分的浓度不均匀,使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域,从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗；或者在制造光纤的过程中，在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的散射损耗，并且将整个光纤损耗谱曲线上移，但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多。综合以上几个方面的损耗，单模光纤的衰减系数一般分别为0.
9、30.4dB/km（1310nm 区域）和 0.170.25dB/km （1550nm 区域）。ITU-T G652 建议规定光 纤在1310nm和1550nm的衰减系数应分别小于0.5dB/km和0.4dB/km。（注 1310nm 和 1550nm 均为波长区）2）色散系数光纤的色散指光纤中携带信号能量的各种模式成分或信号自身的不同频率成分因群速度不同，在传播过程中互相散开，从而引起信号失真的物理现象。一般光纤存在三种色散：模式色散：光纤中携带同一个频率信号能量的各种模式成分，在传输过程中由于不同模式的时间延迟不同而引起的色散。材料色散：由于光纤纤芯材料的折射率随频率变化，使得光纤中不同频
10、率的信号分量具有不同的传播速度而引起的色散。 波导色散：光纤中具有同一个模式但携带不同频率的信号，因为不同的传 播群速度而引起的色散。几种典型光纤的色散特性如图 1-4所示。图 1-4 典型光纤的色散特性(3) 模场直径单模光纤的纤芯直径为810pm,与工作波长1.31.6pm (13001600nm) 处于同一量级，由于衍射效应，不易测出纤芯直径的精确值。此外，由于基模 LP场强的分布不只局限于纤芯之内，因而单模光纤纤芯直径的概念在物理上 已没有什么意义,所以改用模场直径的概念。模场直径是产生空间光强分布的 基模场分布的有效直径，也就是通常说的基模光斑的直径。G.652光纤在1310nm波长
11、区的模场直径标称值在8.69.5pm范围，偏差小 于 10%；G.655 光纤在 1550nm 波长区的模场直径标称值在 811pm 范围，偏 差小于 10%。上述两种单模光纤的包层直径均为 125pm。(4) 截止波长 为避免模式噪声和色散代价，系统光缆中的最短光缆长度的截止波长应该小于系 统的最低工作波长，截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可 以抑制高阶模的产生或可以将产生的高阶模式噪声功率代价减小到完全可以忽 略的地步。目前ITU-T定义了三种截止波长：短于 2m 长跳线光缆中的一次涂覆光纤的截止波长；22m 长成缆光纤的截止波长；220m长跳线光缆的截止波长。（5）零色
12、散波长当光纤的材料色散和波导色散在某个波长互相抵消时，光纤总的色度色散为 零，该波长即为零色散波长。一般来讲，光纤的零色散波长位于 1310nm 波长 区内，但人们可以通过巧妙的波导结构设计使光纤的零色散波长移到我们所希 望的波长区内，从而制造出色散移位光纤。（6）零色散斜率 在零色散波长附近，光纤的色度色散系数随波长而变化的曲线斜率称之为零色散斜率。其值越小，说明光纤的色散系数随波长的变化越缓慢，因此越容易 一次性地对其区域内的所有光波长进行色散补偿，这一点对于WDM系统尤其 重要，因为WDM系统是工作在某个波长区而不是某个单波长。1.3.3 光纤的种类ITU-T 首先在建议 G.651 中
13、定义了多模光纤。由于单模光纤具有低损耗、带 宽大、易于扩容和成本低等特点，目前国际上已一致认同SDH/DWDM光传输系 统使用单模光纤作为传输媒质。 ITU-T 在 G.652、 G.653、 G.654 和 G.655 建议中 分别定义了四种单模光纤，在此一并予以简要介绍。（1）G.651 光纤G.651 光纤是一种折射率渐变型多模光纤，主要应用于 850nm 和 1310nm 两 个波长区域的模拟或数字信号传输。其纤芯直径为50pm，包层直径125pm。 在850nm波长区衰减系数低于4dB/km，色散系数低于120ps/nm.km；在1310nm 波长区衰减系数低于2dB/km,色散系数
14、低于6ps/nm.km。（2）G.652 光纤G.652 光纤即指零色散点在 1310nm 波长附近的常规单模光纤，又称色散未 移位光纤，这也是到目前为止得到最为广泛应用的单模光纤。可以应用在 1310nm和1550nm两个波长区域，但在1310nm波长区域具有零色散点，低达 3.5ps/nm.km 以下。在 1310nm 波长区，其衰减系数也较小，规范值为 0.3 0.4dB/km （实际光纤的衰减系数低于该规范值）。故称其为1310nm波长性能最 佳光纤。在1550nm波长区域，G.652光纤呈现出极低的衰减，其衰减系数规范值为0.150.25dB/km。但在该波长区的色散系数较大，一般约
15、20ps/nm.km。由于在 1310nm 波长区域目前还没有商用化的光放大器，解决不了超长距离 传输的问题，所以 G.652 光纤虽然称为 1310nm 波长性能最佳光纤，但仍然大部 分工作于 1550nm 波长区域。在 1550nm 波长区域，用 G.652 光纤传输 TDM 方式的 2.5Gbit/s 的 SDH 信号 或基于 2.5Gbit/s 的 WDM 信号是没有问题的，因为后者对光纤的色散要求仍相 当于单波长 2.5Gbit/s 的 SDH 系统的要求。但用来传输 10Gbit/s 的 SDH 信号或 基于 10Gbit/s 的 WDM 信号则会遇到相当大的麻烦。这是因为一方面
16、G.652 光 纤在该波长区的色散系数较大，会出现色散受限的问题；另一方面还出现了偏 振模色散（PMD ）受限的问题。3）G.653 光纤G.653 光纤即零色散点在 1550nm 波长附近的常规单模光纤，又称色散移位 光纤。它主要应用于 1550nm 波长区域，且在 1550nm 波长区域的性能最佳。因 为在光纤制造时已对光纤的零色散点进行了移位设计，即通过改变光纤内折射 率分布的办法把光纤的零色散点从 1310nm 波长移位到 1550nm 波长处，所以它 在 1550nm 波长区域的色散系数最小，低达 3.5ps/nm.km 以下。而且其衰减系数 在该波长区也呈现出极小的数值，其规范值为 0.190.
