淺談光纖通信的發(fā)展、應用以及展望

湖南省師大附中梅溪湖中學 鄧宇軒

1.前言

光纖通信是光導纖維通信的簡稱，是一種以光纖作為傳輸媒介、以光波作為信息載體，從而實現(xiàn)信息傳遞的通信方式。

光纖通信具有很多特點：作為信息載體的光波，其頻率遠高于電波，作為傳輸媒介的光纖，其損耗遠低于導波管或同軸電纜。它具有中繼距離長、損耗低、通信容量大以及頻帶極寬等特點。光纖由玻璃材料構成，其電氣絕緣性決定了光纖通信抗電磁干擾能力。光波在光纖中傳輸，因而保密性能優(yōu)良，無串音干擾。另外，它還具有易敷設、安全性能較高、重量輕、溫度穩(wěn)定性好、能適應環(huán)境以及壽命長等特點。而在21世紀的今天，多媒體應用、視頻、音頻、數(shù)據(jù)的增長尤其是因特網業(yè)務的發(fā)展，迫切需求大容量信息傳輸系統(tǒng)和網絡。光纖通信的優(yōu)勢使它快速成長為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，被應用于全球電信網、通信網、高質量彩色電視的傳輸、交通以及工業(yè)生產現(xiàn)場的監(jiān)視控制、調度指揮，強大的傳輸能力使其發(fā)展前景不可限量。

2.光纖通信的歷史發(fā)展

1966年，英籍華人高錕發(fā)表《光頻介質纖維表面波導》一文，提出利用光纖進行信息傳輸，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎。

1970年，美國康寧公司研制出20DB/KM的低損耗光纖。

1973年，美國貝爾實驗室把光纖損耗降至2.5DB/KM；1974年又降至1.1DB/KM；1976年，日本電報電話公司將光纖損耗降至0.47DB/KM；之后十年，光纖損耗更降至0.154DB/KM，該數(shù)值已接近光纖最低損耗的理論極限。

同時，光纖通信光源發(fā)展也十分迅速。20世紀70年代，半導體激光器技術不斷取得進步，80年代更經歷了從短波長到長波長，從多模光纖到單模光纖，從低速率到高速率的發(fā)展過程。目前，光纖通信系統(tǒng)的建設在全世界已全面鋪開且進展迅速。

光纖通信從研究到應用，大致可分為四個時期。如表1所示。

3.光纖通信技術及主要應用領域

3.1 在電力系統(tǒng)中的應用

光纖通信技術廣泛應用于電力系統(tǒng)，加快了系統(tǒng)的處理速度，提高了傳輸承載能力，逐漸向超長距離傳輸、超大容量以及超高速方向發(fā)展。

表1 光纖通信的發(fā)展Table1. The Development of Optical Fiber Communication

3.1.1 新型光纖的使用

單模光纖逐漸不能滿足高質量、長距離的信號傳輸。隨著領域城域網、干線網的發(fā)展，兩種新型光纖應運而生。一種是非零色散光纖，它經過改進，融合了色散位移光纖和標準光纖的特點。另一種是無水吸收峰光纖。這兩種光纖質量高，安全性能好，損耗低，傳輸容量大，能帶來成千上萬倍的經濟效益。

3.1.2 光復用技術

光復用技術推動了光纖通信事業(yè)的快速發(fā)展，它的表現(xiàn)很活躍，可分為三種：（1）波分復用。即在一根光纖上同時傳遞多個不同波長的光載波，從而提高光纖的傳輸能力，甚至可利用波長的方向性不同從而實現(xiàn)單根光纖的雙向傳輸，方便性和靈活性較強。（2）頻分復用。光頻分復用系統(tǒng)中，相鄰兩峰值波長間隔小于1NM，光載波間隔密，可用于大容量高速通信系統(tǒng)或分配式網絡系統(tǒng)，像合波器、分波器等傳統(tǒng)的頻分復用系統(tǒng)器件很難區(qū)分光載波，于是采用了分辨率更高的可調諧光濾波器和相干光通信技術。（3）光碼分復用?？赏ㄟ^直接光編碼和光解碼，從而實現(xiàn)光信道的復用和信號交換功能，提高了網絡容量，較好解決了抗多徑衰落、抗干擾問題，增強了系統(tǒng)的保密性。

3.1.3 光聯(lián)網的應用與發(fā)展

光聯(lián)網應用于電力系統(tǒng)，促進電力通信邁上了一個嶄新的臺階。光聯(lián)網不僅增加了網絡的范圍和節(jié)點數(shù)，實現(xiàn)了超大容量的光網絡，而且增強了網絡的透明度，能有效連接不同系統(tǒng)以及不同信號，加強了網絡的靈活性。另一方面，在發(fā)生故障時，光聯(lián)網能快速恢復網絡，降低建網、運行和維護成本。

3.1.4 光放大技術和光交換技術

光放大器的研發(fā)促進了光復用技術，全光網絡和光弧子通信的發(fā)展，而光交換技術可克服電子交換容量問題，提高透明性和速率，節(jié)省建網和網絡升級成本。

3.2 FTTH的應用

FTTH（光纖到家庭）向終端用戶提供更寬廣的帶寬來加速信息的交流和傳輸。而隨著用戶的增加，F(xiàn)TTH所需要的光纖是現(xiàn)已敷光纖的2到3倍。巨大的數(shù)據(jù)量和寬帶視頻業(yè)務對傳輸?shù)乃俾室笠苍絹碓礁摺，F(xiàn)在，光電子器件發(fā)展很快，光收發(fā)模塊和光纖價格調低，也加速了FTTH的實用化進程，其帶寬優(yōu)勢，使它廣泛應用于網上辦公、網上游戲、視頻會議以及醫(yī)療領域的PACS建設等方面。

3.3 高速光纖計算機應用——光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）環(huán)網

FDDI是一個使用光纖作為傳輸媒質，高速通用的令牌環(huán)狀網標準，可作為高速局域網，在小范圍內連接高速計算機系統(tǒng)。作為教育科研的重要基礎設施，各大專院校和科研院所的校園網建設都至關重要。它有很多顯著特點：（1）網絡規(guī)模大，網絡節(jié)點有幾百甚至數(shù)千個；（2）網絡設備復雜，缺乏系統(tǒng)性，組網難度大；（3）主干網覆蓋范圍大，對帶寬要求高；（4）需要很強的遠程通信能力，連接因特網或公共數(shù)字網；（5）物理位置分散，分布在校園各教學樓內，子網分割較多，應用相對獨立；（6）應用環(huán)境多，專業(yè)不同提供服務的類型也不同；（7）系統(tǒng)開放性強，能不斷吸收新技術。上述特點使光纖通信技術在此領域的應用中呈現(xiàn)出光纖通信向超大容量、超長距離WDM系統(tǒng)發(fā)展，向超高速TDM系統(tǒng)發(fā)展，向融合的多業(yè)務節(jié)點發(fā)展，在城域網引入WDM技術，實現(xiàn)光傳送聯(lián)網的發(fā)展趨勢。

3.4 光弧子通信

光弧子是一種特殊的超短光脈沖，群速度色散和非線性效應平衡，它能利用光弧子作為載體，進行長距離、無畸變的通信，這就脫離了光纖色散對通信容量和傳輸速度的限制，最有發(fā)展前途。

光脈沖的傳輸受到兩種作用影響：一種是光纖色散作用。光纖色散使光脈沖在時域上展寬到一定程度后，會引起相鄰脈沖的疊加，從而產生誤碼；另一種是光纖的非線性作用，它會引起光脈沖在頻域上展寬，在時域上壓縮，從而影響光通信，而光弧子脈沖呈現(xiàn)雙曲正割形狀，它的傳輸是利用光線的群速度色散以及非線性作用中的自相位調制兩種影響使之達到平衡，因此在傳播過程中能維持形狀、幅度、速度不變，從而實現(xiàn)超大容量、超長距離的光通信，它的傳輸容量比最先進通信系統(tǒng)高1---2個數(shù)量級，且中繼距離達幾百公里。值得重視的是，因色散作用對弧子傳輸?shù)挠绊懀F(xiàn)已產生兩大色散補償技術，即周期性全局強色散補償、弱色散以及局部色散補償。實驗證明，相對于工作常規(guī)系統(tǒng)易受群色散影響從而限制其傳輸速率和容量而言，光弧子系統(tǒng)可將不同波長的多信道復用到一根光纖中傳輸，這使得多信道系統(tǒng)具有廣闊的應用前景。

3.5 全光通信網

傳統(tǒng)的光網絡結點處仍采用電器件，使通信網干線總容量受到限制，而全光網絡中，光節(jié)點代替了電節(jié)點，所有信息均以光的形式進行傳輸與交換，使網絡資源的利用率得到極大提高。

全光網主要由光網絡層以及電網絡層構成，采用光波技術實現(xiàn)用戶與用戶之間的信號傳輸與交換，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸過程都在光域內進行。這種點與點之間的全程光信號的交互與傳輸中采用了光復用、光交換以及其他光處理技術，使用了大容量、高度靈活可靠的光交叉連接設備，它具有許多優(yōu)點：

（1）全光網以波長選擇路由，數(shù)據(jù)格式，調制方式，對傳輸碼率具有透明性；

（2）全光網有可重構性，可根據(jù)通信容量的需求，實現(xiàn)恢復建立、拆除光波長連接，可為突發(fā)業(yè)務提供臨時連接；

（3）全光網有可擴展性，可同時擴展種類、用戶、容量；

（4）全光網兼容現(xiàn)在通信網絡，也支持未來的寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網以及網絡的升級；

（5）全光網多了一個光網絡，使用的是光器件，所以可靠度高，且維護費用降低。

4.展望

一項產業(yè)的發(fā)展，市場是牽引力，技術是推動力。光纖網絡從骨干網的擴建到接入網、城域網的擴散并且向用戶駐地的延伸，以及近十年來，我國西部大開發(fā)、鐵路專線網改建，大大地刺激了光纖光纜市場的增長。而為適應時代的發(fā)展，滿足用戶的需求，光纖通信也必須向超高速運行方向發(fā)展，向超大容量WDM系統(tǒng)演變，進一步研發(fā)新一代光纖，全面實現(xiàn)全光網，大力展現(xiàn)光接入網技術。同時縱觀光纖通訊的發(fā)展歷程，我們所面臨的挑戰(zhàn)主要在于成本預算和技術創(chuàng)新，相信在不久的將來，將會出現(xiàn)光纖通訊的又一次偉大的革命。

[1]呂盼.光纖通信的發(fā)展趨勢及應用[J].科學與技術信息,2009(23).

[2]趙梓森.光纖通信的過去_現(xiàn)在和未來[J].光學學報,2011(09).31.9.

[3]關于現(xiàn)代光纖通信傳輸技術應用的探討[J].

[4]光纖論文淺談光纖通信技術的現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].(20170820204742).

[5]現(xiàn)代光纖通信技術的歷史及其發(fā)展[J].

[6]劉堅.光纖通訊技術在電力系統(tǒng)中的應用[J].通信規(guī)劃與設計,2013(2).