光纖通信的特點(diǎn)和發(fā)展

王恒 史亞晨 張國(guó)欣 梁國(guó)茂

【摘要】光纖通信自問(wèn)世以來(lái)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并已逐漸用于用戶系統(tǒng)。光纜將取代過(guò)去用戶系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬頻信息傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)線路，這樣便可提供高質(zhì)量的電視圖像和高速數(shù)據(jù)等新業(yè)務(wù)，以滿足人們廣泛的生活和業(yè)務(wù)的需要。文章簡(jiǎn)要介紹了光纖通信的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，并從促進(jìn)傳輸體制、超大容量WDM系統(tǒng)、納米技術(shù)以及光孤子通信系統(tǒng)論述了光纖通信技術(shù)的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】光纖 光纖通信 光孤子通信

一、光纖通信技術(shù)的特點(diǎn)

1. 通信容量大

由于光纖通信使用的光波具有很高的頻率，因此光纖通信具有很大的通信容量。目前實(shí)用水平為每對(duì)光纖傳輸480000多路電話信號(hào)，比同軸電纜3600路的通信容量大得多。

2. 抗電磁干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量佳

石英有很強(qiáng)的抗腐蝕性，而且絕緣性好。它還有一個(gè)重要的特性就是抗電磁干擾的能力很強(qiáng)，不受外部環(huán)境的影響，也不受人為架設(shè)的電纜等干擾。這一點(diǎn)對(duì)于在強(qiáng)電領(lǐng)域的通信應(yīng)用特別有用，而且在軍事上也大有用處。

3. 損耗低，中繼距離長(zhǎng)

由于光纖的衰減很低，所以能夠?qū)崿F(xiàn)很長(zhǎng)的中繼距離。目前，實(shí)際使用的光纖是石英光纖，和目前使用的其他傳輸介質(zhì)相比損耗是最低的，最大中繼距離可達(dá)200km以上。如果將來(lái)使用非石英介質(zhì)的極低損耗光纖，理論上傳輸?shù)膿p耗還可以降到更低的水平，則光纖通信系統(tǒng)的中繼距離可以達(dá)到數(shù)千、甚至數(shù)萬(wàn)千米。

二、光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)

1.促進(jìn)傳輸體制的全面轉(zhuǎn)向

傳統(tǒng)的光纖通信是以準(zhǔn)同步傳輸體制（PDH）為基礎(chǔ)的，隨著網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜和龐大，以及用戶要求的日益提高，這種傳輸體制正暴露出一系列不可避免的內(nèi)在缺點(diǎn)。于是，一種有機(jī)地結(jié)合高速大容量光纖傳輸技術(shù)和智能網(wǎng)技術(shù)的新傳輸體制——光同步傳送網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，ITU-T將之稱(chēng)為同步數(shù)字體系（SDH）。

這種SDH傳輸體制有一整套完整嚴(yán)密的技術(shù)規(guī)范，它有全世界統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口，從而簡(jiǎn)化了信號(hào)的互通以及信號(hào)的傳輸、復(fù)用、交叉連接和交換過(guò)程;它有一套標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)等級(jí)，安排有豐富的開(kāi)銷(xiāo)比特用于網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù);它有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)光接口，允許不同廠家設(shè)備在光路上互通;它大量采用軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和控制，使得新功能和新特性的增加比較方便。

2.納米技術(shù)與光纖通信

納米是長(zhǎng)度單位，為10-9米，納米技術(shù)是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)目前正在得到普遍重視。在無(wú)線終端領(lǐng)域，對(duì)微型化、高性能和低成本的追求使大家普遍期待能將各種功能單元集成在一個(gè)單一芯片上，即實(shí)現(xiàn)SOC（System On a Chip），而通信工程中大量射頻技術(shù)的采用使諸如諧振器、濾波器、耦合器等片外分離單元大量存在，MEMS技術(shù)不僅可以克服這些障礙，而且表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的通信元件具有更優(yōu)越的內(nèi)在性能。德國(guó)科學(xué)家首次在納米尺度上實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換，這為設(shè)計(jì)微器件找到了一種潛在的能源，對(duì)實(shí)現(xiàn)光交換具有重要意義。

3.向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn)

電的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的擴(kuò)容局限性很大，而光纖可用帶寬資源僅僅利用率低于1%，還有99%的資源還未得到利用。如果將多個(gè)波長(zhǎng)的光源信號(hào)同時(shí)在一芯光纖上傳送，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?；赪DM近幾年來(lái)技術(shù)上的重大突破和市場(chǎng)的巨大驅(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(guò)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（130×20Gbps）?？梢哉J(rèn)為，近兩年來(lái)超大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)展是光纖通信發(fā)展史上的又一次劃時(shí)代的里程碑。

4.光孤子通信系統(tǒng)

在常規(guī)的光纖通信系統(tǒng)中，光纖損耗和色散是限制其傳輸容量和距離的主要因素。由于光纖制作工藝的不斷提高，光纖損耗已接近理論極限，因此光纖色散已成為實(shí)現(xiàn)超大容量、超長(zhǎng)距離光纖通信的“瓶頸”，以待解決。人們經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)探討，發(fā)現(xiàn)由光纖非線性效應(yīng)所產(chǎn)生的光孤子可以抵消光纖色散的作用，利用光孤子進(jìn)行通信，可以很好解決這個(gè)問(wèn)題，從而形成了新一代光纖通信系統(tǒng)，也是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的通信方式。

任何事物都是在發(fā)展中前進(jìn)，光通信在超長(zhǎng)距離、超大容量發(fā)展進(jìn)程中，遇到了光纖損耗和色散的問(wèn)題，限制了其發(fā)展的空間?？茖W(xué)家和業(yè)內(nèi)人士受自然界的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)了特殊的光孤子波，人們?cè)O(shè)想在光纖中波形、幅度、速度不變的波就是光孤子波。利用光孤子傳輸信息的新一代光纖通信系統(tǒng)，真正做到全光通信，無(wú)需光、電轉(zhuǎn)換，可在超長(zhǎng)距離、超大容量傳輸中大顯身手，是光通信技術(shù)上的一場(chǎng)革命。

目前已提出的光孤子通信實(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1所示即為其基本組成結(jié)構(gòu)。

圖中的孤子源并非嚴(yán)格意義上的孤子激光器，而只是一種類(lèi)似孤子的超短光脈沖源，它產(chǎn)生滿足基本光孤子能量、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)載于光孤子流上，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)器及其它輔助裝置實(shí)現(xiàn)信號(hào)的還原。

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