光纖通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

王鑫 宋欣蕾 武麗紅 楊宜錕 中北大學(xué)朔州校區(qū)

一、光纖通信的應(yīng)用背景

通信產(chǎn)業(yè)是伴隨著人類社會的發(fā)展而發(fā)展的。追溯光通信的發(fā)展起源，早在三千多年前，我國就利用烽火臺火光傳遞信息，這是一種視覺光通信。隨后，在1880年貝爾發(fā)明了光電話，但是它們所傳輸?shù)男畔⑷萘啃?，距離短，可靠性低，設(shè)備笨重，究其原因是由于采用太陽光等普通光源。之后伴隨著激光的發(fā)現(xiàn)，1966年英籍華人高錕博士發(fā)表了一篇劃時代性的論文，他提出利用帶有包層材料的石英玻璃光學(xué)纖維，能作為通信媒質(zhì)。從此，開創(chuàng)了光纖通信領(lǐng)域的研究工作。

二、光纖通信的技術(shù)原理

光纖即光導(dǎo)纖維，光纖通信是指利用光波作為載波，以光纖作為傳輸介質(zhì)將要傳輸?shù)男盘枏囊惶巶髦亮硪惶幍耐ㄐ欧绞?。其中，光纖由纖芯、包層和涂層組成。纖芯是一種玻璃材質(zhì)，以微米為單位，一般幾或幾十微米，比發(fā)絲還細(xì)。由多根光纖組成組成的稱之為光纜。中間層稱為包層，根據(jù)纖芯和包層的折射率不同從而實(shí)現(xiàn)光信號傳輸過程中在纖芯內(nèi)的全反射，實(shí)現(xiàn)信號的傳輸。涂層就是保護(hù)層，可以增加光纖的韌性以保護(hù)光纖。

光纖通信系統(tǒng)的基本組成部分有光發(fā)信機(jī)、光纖線路、光收信機(jī)、中繼器及無源器件組成。光發(fā)信機(jī)的作用是將要傳輸?shù)男盘栕兂煽梢栽诠饫w上傳輸?shù)墓庑盘?，然后通過光纖線路實(shí)現(xiàn)信號的遠(yuǎn)距離傳輸，光纖線路在終端把信號耦合到收信端的光檢測器上，通過光收信端把變化后的光信號再轉(zhuǎn)換為電信號，并通過光放大器將這微弱的電信號放大到足夠的電平，最終送達(dá)到接收端的電端完成信號的輸送。中繼器在這一過程中的作用是補(bǔ)償光信號在光纖傳輸過程中受到的衰減，并對波形失真的脈沖進(jìn)行校正。無源器件的作用則是完成光纖之間、光纖與光端機(jī)之間的連接及耦合。

通過信號的這一傳輸過程可以看出，信號在傳輸過程中其形式主要實(shí)現(xiàn)了兩次轉(zhuǎn)換，第一次即把電信號變成可在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，第二次即把光信號在接收端還原成電信號。此外，在發(fā)信端還需首先把要傳輸?shù)男盘柸缯Z音信號變成可傳輸?shù)碾娦盘枴?/p>

三、光纖通信的特點(diǎn)

（一）抗干擾能力強(qiáng)

光纖的主要構(gòu)成材料是石英，石英屬絕緣材料的范疇，絕緣性好，有很強(qiáng)的抗腐蝕性。而且在實(shí)際應(yīng)用過程中它受電流的影響非常小，因此抗電磁干擾的能力很強(qiáng)，可以不受外部環(huán)境的影響，也不受人為架設(shè)的電纜等的干擾。這一特性相比于普通無線通信，其在強(qiáng)電領(lǐng)域的通訊應(yīng)用特別有用，如在對穩(wěn)定性、安全性、保密性要求較高的軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

（二）信號傳輸頻帶寬，通信容量大

光纖的傳輸帶寬比銅線或電纜大得多。從理論上講，一根僅有發(fā)絲粗細(xì)的光纖可以同時傳輸1000億個話路。雖然目前的技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到如此多的話路傳輸，但已實(shí)現(xiàn)了24萬個話路的傳輸，它比傳統(tǒng)的有線傳輸、微波傳輸?shù)鹊男畔⑷萘扛叱鰩资丁Ｇ乙桓饫|包含多條光纖，若再加上波分復(fù)用技術(shù)把一條光纖當(dāng)做幾條甚至幾十條使用，其信號傳輸容量將更加巨大。

（三）物理損耗低，中繼距離長

目前，光纖的主要構(gòu)成材料是石英，石英光纖和其它傳輸介質(zhì)相比的損耗是最低的；如果將來使用非石英極低損耗傳輸介質(zhì)，理論上傳輸?shù)膿p耗還可以降到更低的水平。且這樣可以使得在長距離的光纖傳輸中中繼站的設(shè)置距離拉長，數(shù)量減少，從而降低光纖通信系統(tǒng)的施工成本，帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。

（四）無串音干擾，保密性好

在電波傳輸?shù)倪^程中，電磁波的傳播容易泄露，保密性差。而光波在光纖中傳播，由于光纖四周環(huán)繞的都是不透明塑料，可吸收所泄露的電磁波信號，因此不會發(fā)生串音干擾的現(xiàn)象，同時外部也難以竊聽到光纖中傳輸?shù)男畔?，極大的提高了信號傳輸?shù)谋Ｃ苄浴?/p>

除此之外，光纖通信還具有光纖徑細(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、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛發(fā)展和應(yīng)用。

四、光纖通信的發(fā)展趨勢

（一）光網(wǎng)絡(luò)智能化

光纖通信技術(shù)作為信息技術(shù)的一大重要領(lǐng)域，在提倡智能化的現(xiàn)代社會，實(shí)現(xiàn)光纖通信技術(shù)的智能化是科技工作者一直致力研發(fā)的方向。在通信技術(shù)中接入智能化載體的計(jì)算機(jī)技術(shù)，促使通信技術(shù)向智能化的方向進(jìn)步。實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在完成傳輸功能的同時，賦予其自動發(fā)現(xiàn)功能，連續(xù)控制功能和自我保護(hù)和恢復(fù)功能。

（二）全光網(wǎng)絡(luò)

光纖通信技術(shù)的最高發(fā)展階段就是實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)，這是光纖技術(shù)的最理想化實(shí)現(xiàn)形式。全光網(wǎng)絡(luò)是光纖通信系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步和革新的終極發(fā)展目標(biāo)，未來的通信網(wǎng)絡(luò)將會進(jìn)入全光的階段。

（三）波分復(fù)用系統(tǒng)

超大容量、超長距離傳輸技術(shù)波分復(fù)用技術(shù)極大地提高了光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量，在未來跨海光傳輸系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展迅猛，目前1.6Tbit/s的WDM系統(tǒng)已經(jīng)大量應(yīng)用，同時全光傳輸距離也在大幅擴(kuò)展。提高傳輸容量的另一種途徑是采用光時分復(fù)用（OTDM）技術(shù)，與WDM通過增加單根光纖中傳輸?shù)男诺罃?shù)業(yè)提高其傳輸容量不同，OTDM技術(shù)是通過提高單信道速率來提高傳輸容量，其實(shí)現(xiàn)的單信道最高速率達(dá)640Cbit/s。

（四）光孤子通信

光孤子是一種特殊的ps 數(shù)量級的超短光脈沖，由于它在光纖的反常色散區(qū)，群速度色散和非線性效應(yīng)相應(yīng)平衡，因而經(jīng)過光纖長距離傳輸后，波形和速度都保持不變。光孤子通信就是利用光孤子作為載體實(shí)現(xiàn)長距離無畸變的通信，在零誤碼的情況下信息傳遞可達(dá)萬里之遙。

五、結(jié)語

作為信息技術(shù)的主要載體之一，通信技術(shù)對人們生活的影響十分重大，光纖通信作為其技術(shù)領(lǐng)域之一，從20世紀(jì)70年代發(fā)展之初起，以其特有的便捷性、安全性、信息傳輸量大等優(yōu)點(diǎn)而迅速發(fā)展，成為現(xiàn)在主要的通信手段之一。在未來的發(fā)展過程中，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與人們對通信技術(shù)要求的日趨嚴(yán)格，光纖通信技術(shù)必然會在突破現(xiàn)有的技術(shù)局限的同時不斷向智能化等新的領(lǐng)域發(fā)展，涉及的范圍更廣，技術(shù)更新更難，影響力和影響面也更寬，勢必會對整個電信網(wǎng)和信息業(yè)產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。它的演變和發(fā)展結(jié)果將會在很大程度上決定電信網(wǎng)和信息業(yè)的未來大格局，也會對未來的國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大影響。