張允潔

（哈爾濱工業(yè)大學電子與信息工程學院 哈爾濱 150001）

1 引言

光纖通信（Fiber-optic communication）是指一種利用光與光纖（optical fiber）傳遞信息的一種方式。光纖通信具有傳輸容量大，保密性好等許多優(yōu)點。光纖通信現(xiàn)在已經(jīng)成為當今最主要的有線通信方式。將需傳送的信息在發(fā)送端輸入到發(fā)送機中，將信息疊加或調(diào)制到作為信息信號載體的載波上，然后將已調(diào)制的載波通過傳輸媒質(zhì)傳送到遠處的接收端，由接收機解調(diào)出原來的信息。本文就光纖通信技術(shù)應(yīng)用、發(fā)展動向、發(fā)展分析等，作進一步的研究和探討［1］。

2 光纖通信技術(shù)

光纖通信就是利用光波作為載波來傳送信息，而以光纖作為傳輸介質(zhì)實現(xiàn)信息傳輸，達到通信目的的一種最新通信技術(shù)［2］。

2.1 原理

光纖通信的原理是：在發(fā)送端首先要把傳送的信息（如話音）變成電信號，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度（頻率）變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測器收到光信號后把它變換成電信號，經(jīng)解調(diào)后恢復原信息。

2.2 基本組成

光纖傳輸系統(tǒng)主要由：光發(fā)送機、光接收機、光纜傳輸線路、光中繼器和各種無源光器件構(gòu)成。要實現(xiàn)通信，基帶信號還必須經(jīng)過電端機對信號進行處理后送到光纖傳輸系統(tǒng)完成通信過程。典型的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)如圖1所示。

發(fā)送端的電端機把信息（如話音）進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，用轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號去調(diào)制發(fā)送機中的光源器件LD，輸出發(fā)出攜帶信息的光波。光波經(jīng)光纖傳輸后到達接收端，光接收機把數(shù)字信號從光波中檢測出來送給電端機，而電端機再進行數(shù)／模轉(zhuǎn)換，恢復成原來的信息。

圖1 網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)三級體系結(jié)構(gòu)

1）光發(fā)信機。光發(fā)信機是實現(xiàn)電／光轉(zhuǎn)換的光端機。它由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成。其功能是將來自于電端機的電信號對光源發(fā)出的光波進行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號耦合到光纖或光纜去傳輸。電端機就是常規(guī)的電子通信設(shè)備。

2）光收信機。光收信機是實現(xiàn)光／電轉(zhuǎn)換的光端機。它由光檢測器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號，經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后，再將這微弱的電信號經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。

3）光纖或光纜。光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸通路。其功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調(diào)光信號，經(jīng)過光纖或光纜的遠距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測器上去，完成傳送信息任務(wù)。

4）中繼器。中繼器由光檢測器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個：一個是補償光信號在光纖中傳輸時受到的衰減；另一個是對波形失真的脈沖近行政性。

5）光纖連接器、耦合器等無源器件。由于光纖或光纜的長度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長度也是有限度的（如1km）。因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的問題。所以，光纖間的連接、光纖與光端機的連接及耦合，對光纖連接器、耦合器等無源器件的使用是必不可少的。

2.3 優(yōu)點

1）通信容量大、傳輸距離遠。一根光纖的潛在帶寬可達20THz。采用這樣的帶寬，只需一秒鐘左右，即可將人類古今中外全部文字資料傳送完畢。目前400Gbit／s系統(tǒng)已經(jīng)投入商業(yè)使用。光纖的損耗極低，在光波長為1.55μm附近，石英光纖損耗可低于0.2dB／km，這比目前任何傳輸媒質(zhì)的損耗都低。因此，無中繼傳輸距離可達幾十、甚至上百公里。

2）信號干擾小、保密性能好。

3）抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳，電通信不能解決各種電磁干擾問題，唯有光纖通信不受各種電磁干擾。

4）光纖尺寸小、重量輕，便于鋪設(shè)和運輸。

5）材料來源豐富，環(huán)境保護好，有利于節(jié)約有色金屬銅。

6）無輻射，難于竊聽，因為光纖傳輸?shù)墓獠ú荒芘艹龉饫w以外。

7）光纜適應(yīng)性強，壽命長。

3 應(yīng)用舉例

光纖通信技術(shù)的應(yīng)用廣泛，主要包括：雷達與微波系統(tǒng)、艦載高速光纖網(wǎng)、光纖水聽器、點對點數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、光控飛行、航天飛行器等方面［3］。

1）用于雷達與微波系統(tǒng)。用光纖連接雷達天線和雷達控制中心，可使兩者的距離從原來用同軸電纜時的300m以內(nèi)擴大到2km～5km；用光纖作傳輸媒質(zhì)，其頻帶可覆蓋X 波段或Ku波段。

2）用于艦載高速光纖網(wǎng)。現(xiàn)代化的艦艇裝備有大量的通信雷達、導航和武器指揮系統(tǒng)等電子設(shè)備，加上其他電氣設(shè)備，易造成電磁干擾、射頻干擾等問題。在大型艦船上用光纖局域網(wǎng)作為計算機數(shù)據(jù)總線，從而提高了指揮作戰(zhàn)能力。

3）用于光纖水聽器。光纖水聽器是利用光纖技術(shù)探測水下聲波的器件，光纖水聽器與傳統(tǒng)的壓電水聽器相比，具有極高的靈敏度、足夠大的動態(tài)范圍、很強的抗電磁干擾能力、無阻抗匹配要求、系統(tǒng)濕端質(zhì)量輕等優(yōu)勢。

4）用于點對點數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。飛機上的點對點光纖鏈路主要是用于航空電子裝置黑盒子的數(shù)據(jù)傳送。例如，這些鏈路在F／A-18、AV-88及黑鷹直升機飛機中表現(xiàn)良好，數(shù)據(jù)速率為10～100Mb／s。

5）用于光控飛行。電磁干擾（EMI）、電磁脈沖（EMP）等會嚴懲威脅配備電控飛行的飛行器的飛行安全，因此不得不采取適當?shù)钠帘未胧@樣將造成飛機質(zhì)量的增加，而光控飛行（Fly-by-Light）可起到一箭雙雕的作用。光纖系統(tǒng)不僅可進行飛行控制，還可用來控制和監(jiān)測飛行器的子系統(tǒng)。

6）用于航天飛行器。光纖可用在運載火箭的起飛倒計時（T-O）臍帶系統(tǒng)、航空電子設(shè)備互連網(wǎng)、監(jiān)控傳感器等三個子系統(tǒng)中替代電纜，并提高運載火箭的可靠性。

4 發(fā)展動向

1）哈里斯公司獲美海軍飛機光纖通道網(wǎng)絡(luò)交換機后續(xù)合同。據(jù)哈里斯公司網(wǎng)站2009年6月2日報道：國際通信和信息技術(shù)公司哈里斯公司獲價值980萬美元的后續(xù)合同，為美國海軍F／A-18E／F 超級大黃蜂和其他軍用飛機提供209個光纖通道網(wǎng)絡(luò)交換機。自2000年以來，交換機開發(fā)和生產(chǎn)合同為哈里斯公司帶來的總價值超過5500萬美元［4］。

光纖通道網(wǎng)絡(luò)交換機是板載高級任務(wù)計算機和顯示子系統(tǒng)的組成部分。根據(jù)新合同，哈里斯公司將提供188個交換機，主要用于美國海軍33 批F／A-18E／F、EA-18G和E-2D 飛機，還 有F／A-18F 和EA-18G 補 充 飛 機 以及26-28批F／A-18E／F 飛機改造。依照外國軍事銷售項目，該合同還將為澳大利亞F／A-18F飛機提供21個交換機。交換機將在佛羅里達州墨爾本市的公司總部生產(chǎn)。

目前生產(chǎn)的哈里斯光纖通道網(wǎng)絡(luò)交換機為下一代航空網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建核心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。它提供了所有光纖通道協(xié)議需求，包括點對點通信、真正線速度同步交換和支持當前和未來關(guān)鍵任務(wù)的飛行環(huán)境可擴展的架構(gòu)。

哈里斯防御計劃主要包括美國國防部海陸空任務(wù)的通信和信息處理產(chǎn)品、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)、供應(yīng)與集成。哈里斯致力于提供領(lǐng)先的技術(shù)，支持軍隊網(wǎng)絡(luò)中心通信的不斷變革。

2）泰利斯公司高速光纖網(wǎng)絡(luò)加密器獲FIPS 140-2三級認證。泰利斯公司網(wǎng)站2010年5月5日報道：泰利斯公司宣布，其Datacryptor高速SONET／SDH 及二層以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)硬件加密器已經(jīng)獲得了FIPS 140-2三級認證［5］。

聯(lián)邦信息處理標準（FIPS）是國際公認的加密模塊安全基準，由國家標準與技術(shù)研究院（NIST）制定。隨著安全要求越來越嚴格，美國國防部已指定所有加密解決方案必須滿足FIPS 140-2三級認證。FIPS總共分為四個不同的安全級別。三級認證特別增加了對物理防篡改加密模塊的能力要求。

高速光纖網(wǎng)絡(luò)加密器系列的新認證型號有：100Mbps二層以太網(wǎng)、1Gbps二層以太網(wǎng)、10Gbps二層以太網(wǎng)以及OC-3／12／48／192SONET／SDH。

Datacryptor高速光纖網(wǎng)絡(luò)加密器廣泛部署在美國包括國防信息系統(tǒng)局（DISA）等許多國防部機構(gòu)，以及大型系統(tǒng)集成商包括AT＆T 公司和商業(yè)銀行。

3）航空電子用光纖市場至2013年將翻番。美國《軍事航空航天與電子學》網(wǎng)站2010年8月7日報道：美國IGI咨詢公司的分析家們在一份新研究報告中稱，到2013年，軍用與航空航天用航空電子市場對光纖部件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)的需求將翻一番。IGI公司的這份新報告名為《軍用與航空航天用航空電子系統(tǒng)中的光纖》，報告包含了戰(zhàn)斗機、運輸機、無人機（UAV）和商用飛機等在內(nèi)的軍、民用飛機［6］。

IGI公司的分析家們稱他們估計軍用與航空航天用航空電子系統(tǒng)這兩個市場中的光纖總銷售額2009年為3.06億美元，至2013年將增長到7.03億美元。增長因素主要有對新技術(shù)的接受度提高（源于在電信行業(yè)得到快速接受和發(fā)展）、對減少體積、重量和功耗的需求、對寬帶寬的更高需求以及UAV 市場的開放等。

盡管飛機上希望更多地使用光纖，但軍用與航空航天的特殊要求成為主要的障礙，如：沒有商用貨架光纖技術(shù)、缺乏適應(yīng)軍用與航空航天環(huán)境的堅固部件、缺乏現(xiàn)成的測試和維護步驟、缺乏低成本、易于使用的測試和測量設(shè)備等。

IGI的分析家還稱：市場對靈巧布線系統(tǒng)提出了更多的靈活性需求，以便通過使用帶自檢測的設(shè)備降低翻新、升級和維護的成本；還需在標準、測試設(shè)備、集成光學部件、制造技術(shù)和光纖系統(tǒng)的可測試性和堅固性方面繼續(xù)進行更多的研究。

4）澳大利亞授予泰勒斯公司光纖拖曳陣聲納合同。據(jù)海軍技術(shù)網(wǎng)2010年8月9日報道：泰勒斯澳大利亞公司獲得澳大利亞政府的一項合同，該合同對于國防部能力和技術(shù)演示項目下的（潛艇用）光纖拖曳陣（FOTA）提供政府資助［7］。

光纖拖曳陣（FOTA）包含光電聲學傳感器，該傳感器通過光纖光纜產(chǎn)生激光信號。FOTA 將用于升級澳大利亞柯林斯級潛艇和未來的反潛戰(zhàn)護衛(wèi)艦。這項技術(shù)也已用于開發(fā)可部署的、可起到港口或艦艇防護作用的海底基陣監(jiān)視系統(tǒng)。

泰勒斯澳大利亞公司首席執(zhí)行官克里斯·詹金斯表示，澳大利亞工業(yè)部門各個國防科技領(lǐng)域的專長都積極支持澳大利亞軍事，F(xiàn)OTA 僅僅是這些突破的一個例子。與以前的拖曳陣列相比，F(xiàn)OTA 更小更輕，用途也更加廣泛，因而為艦艇設(shè)計和海軍作戰(zhàn)開辟了新的可能性。

泰勒斯澳大利亞公司已為FFG 護衛(wèi)艦升級、為柯林斯級潛艇、胡昂河級掃雷艦和安扎克級護衛(wèi)艦提供了聲納系統(tǒng)。

5）Ultra Electronics-DNE技術(shù)公司發(fā)布新的衛(wèi)星光纖鏈路模塊。Ultra Electronics DNE Technologies 網(wǎng)站2011年1月24日報道：Ultra Electronics DNE技術(shù)公司推出用于CV-MCU2＋平臺的衛(wèi)星光纖鏈路（SFL）模塊，該公司是一家主要提供通信協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備的國防業(yè)領(lǐng)先供應(yīng)商［8］。

該公司的SFL模塊可以替代同軸電纜，實現(xiàn)L 波段信號在衛(wèi)星終端和天線之間的高性能傳輸。SFL 模塊在保證信號質(zhì)量的同時能夠提高傳輸距離，用戶可將衛(wèi)星終端及相關(guān)設(shè)備置于受保護的區(qū)域內(nèi)，而將天線設(shè)于更適合信號傳輸?shù)妮^遠位置。除此之外，該模塊還具有電氣隔離、抗干擾（EMI／RFI／閃電）等優(yōu)點。同時，利用光纖傳輸信號，可顯著提高信息安全性。該模塊提供超寬的動態(tài)范圍，可做到無縫傳輸L 波段信號，且對衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器性能沒有限制，用戶可使用任何衛(wèi)星終端設(shè)備而無需校準。

6）泰利斯公司推出可快速部署光纖激光水聽器。法國《航宇防務(wù)》2012年2月1日報道：泰利斯澳大利亞公司在悉尼主辦的2012太平洋國際海事博覽會上推出了一種用于水下監(jiān)聽的新型光纖激光傳感器（FLS）［9］。

這種光纖激光傳感器是新一代水下監(jiān)聽陣列，具有重量輕、外形細長、效費比高的特點，可由硬式橡皮艇投放，快速部署到海床上，迅速獲得水下監(jiān)聽能力。這項技術(shù)可用于邊境保護、海港防御、部隊防護、海底地震監(jiān)測等領(lǐng)域。

光電水聽器可將水下的聲音信號轉(zhuǎn)化為光信號。這種光纖激光傳感器安裝在水聽器的光纖玻璃中，當水聽器接收到船只或潛艇發(fā)出的水下噪聲時，傳感器形狀會發(fā)生改變，聲音信號由此轉(zhuǎn)化為光信號并通過光纖進行傳輸，處理器對光信號進行還原并將信息提供給操作人員。處理器會根據(jù)眾多水下傳感器捕獲的信號判斷出水下噪聲源的方位、類型等信息，例如螺旋槳的數(shù)量、槳葉的數(shù)目、目標航向等。由于光信號具有傳輸損耗低的特點，這種光纖激光傳感器可綿延數(shù)公里之長。

7）Mercury公司首創(chuàng)可用單6U OpenVPX 插槽傳輸和處理16個頻道數(shù)據(jù)的光纖I／O 模塊。Mercury計算機系統(tǒng)公司網(wǎng)站2012年9月21日報道：致力于開發(fā)情報、監(jiān)視、偵察（ISR）和國防電子戰(zhàn)（EW）子系統(tǒng)的主承包商美國Mercury計算機系統(tǒng)公司推出了一種創(chuàng)新型6U OpenVPX光纖I／O 模塊：Echotek 系列SCFE-V6-4QSFPOVPX。該模塊是目前唯一把三個最強大的Xilinx 公司Virtex-6現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）處理器與16個高速光纖通道結(jié)合在一起的模塊。其數(shù)據(jù)傳輸能力最高可達80Gbps，非常適合各種高帶寬數(shù)字化I／O 商業(yè)和國防應(yīng)用，包括用于目前最先進的ISR 傳感器［10］。

這種新型多通道光纖模塊的每個插槽的信道密度和FPGA 性能處于領(lǐng)先地位。它具有創(chuàng)建均衡傳感器處理子系統(tǒng)關(guān)鍵能力的極高帶寬I／O 接口，為目前的多核心技術(shù)提供了足夠的匹配條件。它還可在OpenVPX 和FMC 行業(yè)標準的基礎(chǔ)上簡化未來的技術(shù)升級。

16個通道中的每個光纖通道都支持5Gbps全雙工數(shù)據(jù)傳輸速率，同時，3個FPGA 處理器可對數(shù)據(jù)流進行預處理，以使應(yīng)用效率最大化。該模塊有兩個光接口FPGA 夾層卡（FMC）支持這些光纖通道，每個FMC 有兩個4×QSFP接頭，用于連接8個2.5Gbs 8通道FPDP或兩個10千兆以太網(wǎng)通道。FPGA 可在IP范圍配置，以實現(xiàn)信號處理算法和協(xié)議執(zhí)行。該模塊還有一個串行RapidIO 背板接口可供連接其他子系統(tǒng)模塊以提供高速通信。

5 發(fā)展分析

光纖通信技術(shù)的發(fā)展趨勢：納米技術(shù)與光纖通信、光交換技術(shù)、波分復用系統(tǒng)、光孤子通信、全光網(wǎng)絡(luò)［11］。

1）納米技術(shù)與光纖通信。納米是長度單位，為10-9m，納米技術(shù)是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1nm～100nm 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)上的微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)目前正在得到普遍重視。在無線終端領(lǐng)域，對微型化、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單一芯片上，即實現(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。

2）光交換技術(shù)。光交換是指光纖傳送的光信號直接進行交換。長期以來，實現(xiàn)高速全光網(wǎng)一直受交換問題的困擾。因為傳統(tǒng)的交換技術(shù)需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號才能進行交換，然后再轉(zhuǎn)換成光信號進行傳輸，這些光電轉(zhuǎn)換設(shè)備體積過于龐大，并且價格昂貴。而光交換完全克服了這些問題。因此，光交換技術(shù)必然是未來通信網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展方向。

3）波分復用系統(tǒng)。超大容量、超長距離傳輸技術(shù)波分復用技術(shù)極大地提高了光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量。目前，6Tbit／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展。提高傳輸容量的另一種途徑是采用光時分復用（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，其實現(xiàn)的單信道最高速率達640Cbit／s。

4）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萬里之遙。

5）全光網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了節(jié)點間的全光化，但在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點處仍采用電器件，限制了通信網(wǎng)干線總?cè)萘康倪M一步提高。全光網(wǎng)絡(luò)以光節(jié)點代替電節(jié)點，節(jié)點之間也是全光化，信息始終以光的形式進行傳輸與交換，交換機對用戶信息的處理不再按比特進行，而是根據(jù)其波長來決定路由。

6 結(jié)語

隨著光纖通信技術(shù)的不斷研制和開發(fā)，其技術(shù)越來越成熟，其性能、可靠性度越來越高，在未來現(xiàn)代化戰(zhàn)爭或局部戰(zhàn)爭中，適時運用光纖通信技術(shù)，實施預警、防空反導一體化，就能夠有效地保護自身目標的安全［12］。

［1］王磊，裴麗.光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀和未來［J］.中國科技信息，2006（4）：59-60.

［2］王加瑩.長途超大容量DWDM 光通信技術(shù)及發(fā)展［J］.光通信技術(shù)，2003，2（1）：4-8.

［3］何淑貞，王曉梅.光通信技術(shù)的新飛躍［J］.網(wǎng)絡(luò)電信，2004（2）：36-39.

［4］哈里斯公司獲美海軍飛機光纖通道網(wǎng)絡(luò)交換機后續(xù)合同［N］.每日防務(wù)快訊，2009-06-08.

［5］泰利斯公司高速光纖網(wǎng)絡(luò)加密器獲FIPS 140-2 三級認證［N］.每日防務(wù)快訊，2010-05-14.

［6］航空電子用光纖市場至2013年將翻番［N］.每日防務(wù)快訊，2010-08-13.

［7］澳大利亞授予泰勒斯公司光纖拖曳陣聲納合同［N］.每日防務(wù)快訊，2010-08-16.

［8］Ultra Electronics-DNE技術(shù)公司發(fā)布新的衛(wèi)星光纖鏈路模塊［N］.每日防務(wù)快訊，2011-01-30.

［9］泰利斯公司推出可快速部署光纖激光水聽器［N］.每日防務(wù)快訊，2012-02-06.

［10］Mercury公司首創(chuàng)可用單6U OpenVPX 插槽傳輸和處理16個頻道數(shù)據(jù)的光纖I／O 模塊［N］.每日防務(wù)快訊，2012-09-26.

［11］曹茂虹，劉禮.光纖通信技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.光機電信息，2007，24（3）：34-37.

［12］黃伯恒.全光網(wǎng)絡(luò)探索［J］.中國有線電視，2004（17）：42-47.