光纖通信技術(shù)發(fā)展應(yīng)用及展望

徐熊

【摘要】 光纖通信是利用光波作載波，以光纖作為傳輸媒質(zhì)將信息從一處傳至另一處的通信方式。光纖通信不僅可以應(yīng)用在通信的主干線路中，還可以應(yīng)用在電力通信控制系統(tǒng)中，進(jìn)行工業(yè)檢測(cè)，控制，而且在軍事領(lǐng)域的用途也越來(lái)越為廣泛。本文探討了光纖通信的主要特征及應(yīng)用和光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史與發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵字】 光纖通信技術(shù) 現(xiàn)狀 展望 發(fā)展 趨勢(shì)光纖通信的誕生與發(fā)展是電信史上的一次重要革命，光通信正以超摩爾定律的速度向前發(fā)展，近光纖容量及光電子器件的性能，每9個(gè)月就會(huì)翻一番。據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，國(guó)外容量達(dá)16Tb/s的光通信系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)水平上實(shí)現(xiàn)。目前世界上80%以上的信息是通過光纖傳送的，可見光纖用于未來(lái)傳送網(wǎng)是不容置疑的。

一、光纖通信概述

1.1光纖通信的概念

光纖通信是利用光波作載波，以光纖作為傳輸媒質(zhì)將信息從一處傳至另一處的通信方式。光纖由纖芯，包層和涂層組成，內(nèi)芯一般為幾十微米或幾微米，比一根頭發(fā)絲還細(xì)；中間層稱為包層，通過纖芯和包層的折射率不同，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)在纖芯內(nèi)的全反射也就是光信號(hào)的傳輸；涂層的作用就是增加光纖的韌性保護(hù)光纖。光纖通信的原理是：在發(fā)送端首先把要傳送的信息（如話音）變成電信號(hào)，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的光束上，使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度（頻率）變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測(cè)器收到光信號(hào)把它變成電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信號(hào)。

1.2光纖的機(jī)構(gòu)組成

就光纖通信技術(shù)本身來(lái)說(shuō)，應(yīng)該包括以下幾個(gè)主要部分：光纖光纜技術(shù)、光交換技術(shù)傳輸技術(shù)、光有源器件、光無(wú)源器件以及光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。光纖通信在技術(shù)功能構(gòu)成上主要分為：（1）信號(hào)的發(fā)射；（2）信號(hào)的合波；（3）信號(hào)的傳輸和放大；（4）信號(hào)的分離；（5）信號(hào)的接收。

1.3 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，光纖通信系統(tǒng)的于光源的調(diào)制特性、調(diào)制方式和光纖的色散特性。對(duì)于單波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)，由于終端設(shè)備的電子瓶頸效應(yīng)而不能發(fā)揮光纖帶寬大的優(yōu)勢(shì)。通常采用各種復(fù)雜技術(shù)來(lái)增加傳輸?shù)娜萘?，特別是現(xiàn)在的密集波分復(fù)用技術(shù)極大地增加了光纖的傳輸容量。目前，單波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般在2.5Gbps到1OGbps。

（2）損耗低，中繼距離長(zhǎng)。目前，商品石英光纖損耗可低于0～20dB/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的更低。這意味著通過光纖通信系統(tǒng)可以跨越更大的無(wú)中繼距離；對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)途傳輸線路，由于中繼站數(shù)目的減少，系統(tǒng)成本和復(fù)雜性可大大降低。

（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，還可用它與高壓輸電線平行架設(shè)或與電力導(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)特別有利。由于能免除電磁脈沖效應(yīng)，光纖傳輸系還特別適合于軍事應(yīng)用。

除以上特點(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)用在電力通信控制系統(tǒng)中，進(jìn)行工業(yè)監(jiān)測(cè)、控制，且在軍事領(lǐng)域的用途也越來(lái)越為廣泛。

二、光纖通信技術(shù)在有線電視網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展極其迅速，特別是廣播電視網(wǎng)、電力通信網(wǎng)、電信干線傳輸網(wǎng)等的急速擴(kuò)展，促使光纖光纜用量劇增。廣電綜合信息網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，全網(wǎng)的管理和維護(hù)，設(shè)備的故障判定和排除就變得越來(lái)越困難?？梢圆捎肧DH+光纖或ATM+光纖組成寬帶數(shù)字傳輸系統(tǒng)。該傳輸網(wǎng)可以采用帶有保護(hù)功能的環(huán)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)，鏈路傳輸系統(tǒng)或者組成各種形式的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，可以滿足各種綜合信息傳輸。對(duì)于電視節(jié)目的廣播，采用的寬帶傳輸系統(tǒng)可以將主站到地方站的所需數(shù)字，通道設(shè)置成有線電視網(wǎng)絡(luò)在全國(guó)各地已基本形成，在有線電視網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，比較容易地實(shí)現(xiàn)寬帶多媒體傳輸網(wǎng)絡(luò)，因此在目前的情況下，不應(yīng)完全廢除現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)，而用少量的投資來(lái)完善和改造它，滿足人們的目前需要。很多地區(qū)的CATV已經(jīng)是光纖傳輸，到用戶端也是同軸電纜進(jìn)入千萬(wàn)家。但是現(xiàn)在建設(shè)的CATV大多是單向傳輸，上行信號(hào)不能在現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)中傳送。可以通過電信網(wǎng)PSTN中語(yǔ)音通道或數(shù)據(jù)通道形成上行信號(hào)的傳送，也可以通過語(yǔ)音接入系統(tǒng)來(lái)完成。將電話接到各用戶，這樣各用戶間即可以打電話，也可以利用廣電自己的綜合信息網(wǎng)中的寬帶傳輸系統(tǒng)構(gòu)成廣電網(wǎng)中自己的上行信。

三、光纖通信技術(shù)的趨勢(shì)及展望

目前在光通信領(lǐng)域有幾個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)即超高速傳輸系統(tǒng)、超大容量WDM系統(tǒng)、光傳送聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、新一代的光纖、IPoverOptical以及光接入網(wǎng)技術(shù)。

3.1向超高速系統(tǒng)的發(fā)展

目前10Gbps系統(tǒng)已開始大批量裝備網(wǎng)絡(luò)，主要在北美，在歐洲、日本和澳大利亞也已開始大量應(yīng)用。但是，10Gbps系統(tǒng)對(duì)于光纜極化模色散比較敏感，而已經(jīng)鋪設(shè)的光纜并不一定都能滿足開通和使用10Gbps系統(tǒng)的要求，需要實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證合格后才能安裝開通。它的比較現(xiàn)實(shí)的出路是轉(zhuǎn)向光的復(fù)用方式。光復(fù)用方式有很多種，但目前只有波分復(fù)用（WDM）方式進(jìn)入了大規(guī)模商用階段，而其它方式尚處于試驗(yàn)研究階段。

3.2 向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn)

采用電的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的擴(kuò)容潛力已盡，然而光纖的200nm可用帶寬資源僅僅利用率低于1%，還有99%的資源尚待發(fā)掘。如果將多個(gè)發(fā)送波長(zhǎng)適當(dāng)錯(cuò)開的光源信號(hào)同時(shí)在一級(jí)光纖上傳送，則可大大增加光纖的信息傳輸容量，這就是波分復(fù)用（WDM）的基本思路。基于WDM應(yīng)用的巨大好處及近幾年來(lái)技術(shù)上的重大突破和市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展十分迅速。目前全球?qū)嶋H鋪設(shè)的WDM系統(tǒng)已超過3000個(gè)，而實(shí)用化系統(tǒng)的最大容量已達(dá)320Gbps（2×16×10Gbps），美國(guó)朗訊公司已宣布將推出80個(gè)波長(zhǎng)的WDM系統(tǒng)，其總?cè)萘靠蛇_(dá)200Gbps（80×2.5Gbps）或400Gbps（40×10Gbps）。實(shí)驗(yàn)室的最高水平則已達(dá)到2.6Tbps（13×20Gbps）。預(yù)計(jì)不久的將來(lái)，實(shí)用化系統(tǒng)的容量即可達(dá)到1Tbps的水平。

3.3 實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)

上述實(shí)用化的波分復(fù)用系統(tǒng)技術(shù)盡管具有巨大的傳輸容量，但基本上是以點(diǎn)到點(diǎn)通信為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，其靈活性和可靠性還不夠理想。如果在光路上也能實(shí)現(xiàn)類似SDH在電路上的分插功能和交叉連接功能的話，無(wú)疑將增加新一層的威力。根據(jù)這一基本思路，光光聯(lián)網(wǎng)既可以實(shí)現(xiàn)超大容量光網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、重構(gòu)性、透明性，又允許網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)和業(yè)務(wù)量的不斷增長(zhǎng)、互連任何系統(tǒng)和不同制式的信號(hào)。

3.4 開發(fā)新代的光纖

傳統(tǒng)的G.652單模光纖在適應(yīng)上述超高速長(zhǎng)距離傳送網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要方面已暴露出力不從心的態(tài)勢(shì)，開發(fā)新型光纖已成為開發(fā)下一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。目前，為了適應(yīng)干線網(wǎng)和城域網(wǎng)的不同發(fā)展需要，已出現(xiàn)了兩種不同的新型光纖，即非零色散光（G.655光纖）和無(wú)水吸收峰光纖（全波光纖）。其中，全波光纖將是以后開發(fā)的重點(diǎn)，也是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，BPON技術(shù)無(wú)可爭(zhēng)議地將是未來(lái)寬帶接入技術(shù)的發(fā)展方向，但從當(dāng)前技術(shù)發(fā)展、成本及應(yīng)用需求的實(shí)際狀況看，它距離實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于電信接入網(wǎng)絡(luò)這一最終目標(biāo)還會(huì)有一個(gè)較長(zhǎng)的發(fā)展過程。

總之，今后隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展先導(dǎo)的信息需求也必然不斷增長(zhǎng)，一定會(huì)超過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)能力，推動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)發(fā)展。因此，光纖通信技術(shù)在應(yīng)用需求的推動(dòng)下，一定不斷會(huì)有新的發(fā)展。