湖南省師大附中梅溪湖中學(xué) 鄧宇軒

1.前言

光纖通信是光導(dǎo)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(shí)現(xiàn)信息傳遞的通信方式。

光纖通信具有很多特點(diǎn)：作為信息載體的光波，其頻率遠(yuǎn)高于電波，作為傳輸媒介的光纖，其損耗遠(yuǎn)低于導(dǎo)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(diǎn)。光纖由玻璃材料構(gòu)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(shè)、安全性能較高、重量輕、溫度穩(wěn)定性好、能適應(yīng)環(huán)境以及壽命長等特點(diǎn)。而在21世紀(jì)的今天，多媒體應(yīng)用、視頻、音頻、數(shù)據(jù)的增長尤其是因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，迫切需求大容量信息傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。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(yīng)用于全球電信網(wǎng)、通信網(wǎng)、高質(zhì)量彩色電視的傳輸、交通以及工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)視控制、調(diào)度指揮，強(qiáng)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(zhì)纖維表面波導(dǎo)》一文，提出利用光纖進(jìn)行信息傳輸，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

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(shí)驗(yàn)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(jì)70年代，半導(dǎo)體激光器技術(shù)不斷取得進(jìn)步，80年代更經(jīng)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(shè)在全世界已全面鋪開且進(jìn)展迅速。

光纖通信從研究到應(yīng)用，大致可分為四個時期。如表1所示。

3.光纖通信技術(shù)及主要應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

光纖通信技術(shù)廣泛應(yīng)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(zhì)量、長距離的信號傳輸。隨著領(lǐng)域城域網(wǎng)、干線網(wǎng)的發(fā)展，兩種新型光纖應(yīng)運(yùn)而生。一種是非零色散光纖，它經(jīng)過改進(jìn)，融合了色散位移光纖和標(biāo)準(zhǔn)光纖的特點(diǎn)。另一種是無水吸收峰光纖。這兩種光纖質(zhì)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(jīng)濟(jì)效益。

3.1.2 光復(fù)用技術(shù)

光復(fù)用技術(shù)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(fù)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(shí)現(xiàn)單根光纖的雙向傳輸，方便性和靈活性較強(qiáng)。（2）頻分復(fù)用。光頻分復(fù)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，像合波器、分波器等傳統(tǒng)的頻分復(fù)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(diào)諧光濾波器和相干光通信技術(shù)。（3）光碼分復(fù)用?？赏ㄟ^直接光編碼和光解碼，從而實(shí)現(xiàn)光信道的復(fù)用和信號交換功能，提高了網(wǎng)絡(luò)容量，較好解決了抗多徑衰落、抗干擾問題，增強(qiáng)了系統(tǒng)的保密性。

3.1.3 光聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展

光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)，促進(jìn)電力通信邁上了一個嶄新的臺階。光聯(lián)網(wǎng)不僅增加了網(wǎng)絡(luò)的范圍和節(jié)點(diǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了超大容量的光網(wǎng)絡(luò)，而且增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的透明度，能有效連接不同系統(tǒng)以及不同信號，加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。另一方面，在發(fā)生故障時，光聯(lián)網(wǎng)能快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，降低建網(wǎng)、運(yùn)行和維護(hù)成本。

3.1.4 光放大技術(shù)和光交換技術(shù)

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

3.2 FTTH的應(yīng)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(wù)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(diào)低，也加速了FTTH的實(shí)用化進(jìn)程，其帶寬優(yōu)勢，使它廣泛應(yīng)用于網(wǎng)上辦公、網(wǎng)上游戲、視頻會議以及醫(yī)療領(lǐng)域的PACS建設(shè)等方面。

3.3 高速光纖計(jì)算機(jī)應(yīng)用——光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）環(huán)網(wǎng)

FDDI是一個使用光纖作為傳輸媒質(zhì)，高速通用的令牌環(huán)狀網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可作為高速局域網(wǎng)，在小范圍內(nèi)連接高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。作為教育科研的重要基礎(chǔ)設(shè)施，各大專院校和科研院所的校園網(wǎng)建設(shè)都至關(guān)重要。它有很多顯著特點(diǎn)：（1）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有幾百甚至數(shù)千個；（2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備復(fù)雜，缺乏系統(tǒng)性，組網(wǎng)難度大；（3）主干網(wǎng)覆蓋范圍大，對帶寬要求高；（4）需要很強(qiáng)的遠(yuǎn)程通信能力，連接因特網(wǎng)或公共數(shù)字網(wǎng)；（5）物理位置分散，分布在校園各教學(xué)樓內(nèi)，子網(wǎng)分割較多，應(yīng)用相對獨(dú)立；（6）應(yīng)用環(huán)境多，專業(yè)不同提供服務(wù)的類型也不同；（7）系統(tǒng)開放性強(qiáng)，能不斷吸收新技術(shù)。上述特點(diǎn)使光纖通信技術(shù)在此領(lǐng)域的應(yīng)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(wù)節(jié)點(diǎn)發(fā)展，在城域網(wǎng)引入WDM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光傳送聯(lián)網(wǎng)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(yīng)平衡，它能利用光弧子作為載體，進(jìn)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(chǎn)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(diào)制兩種影響使之達(dá)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(shí)現(xiàn)超大容量、超長距離的光通信，它的傳輸容量比最先進(jìn)通信系統(tǒng)高1---2個數(shù)量級，且中繼距離達(dá)幾百公里。值得重視的是，因色散作用對弧子傳輸?shù)挠绊?，現(xiàn)已產(chǎn)生兩大色散補(bǔ)償技術(shù)，即周期性全局強(qiáng)色散補(bǔ)償、弱色散以及局部色散補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)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(fù)用到一根光纖中傳輸，這使得多信道系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.5 全光通信網(wǎng)

傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)處仍采用電器件，使通信網(wǎng)干線總?cè)萘渴艿较拗?，而全光網(wǎng)絡(luò)中，光節(jié)點(diǎn)代替了電節(jié)點(diǎn)，所有信息均以光的形式進(jìn)行傳輸與交換，使網(wǎng)絡(luò)資源的利用率得到極大提高。

全光網(wǎng)主要由光網(wǎng)絡(luò)層以及電網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成，采用光波技術(shù)實(shí)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(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程都在光域內(nèi)進(jìn)行。這種點(diǎn)與點(diǎn)之間的全程光信號的交互與傳輸中采用了光復(fù)用、光交換以及其他光處理技術(shù)，使用了大容量、高度靈活可靠的光交叉連接設(shè)備，它具有許多優(yōu)點(diǎn)：

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

（2）全光網(wǎng)有可重構(gòu)性，可根據(jù)通信容量的需求，實(shí)現(xiàn)恢復(fù)建立、拆除光波長連接，可為突發(fā)業(yè)務(wù)提供臨時連接；

（3）全光網(wǎng)有可擴(kuò)展性，可同時擴(kuò)展種類、用戶、容量；

（4）全光網(wǎng)兼容現(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)，也支持未來的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)的升級；

（5）全光網(wǎng)多了一個光網(wǎng)絡(luò)，使用的是光器件，所以可靠度高，且維護(hù)費(fèi)用降低。

4.展望

一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，市場是牽引力，技術(shù)是推動力。光纖網(wǎng)絡(luò)從骨干網(wǎng)的擴(kuò)建到接入網(wǎng)、城域網(wǎng)的擴(kuò)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(wǎng)改建，大大地刺激了光纖光纜市場的增長。而為適應(yīng)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(yùn)行方向發(fā)展，向超大容量WDM系統(tǒng)演變，進(jìn)一步研發(fā)新一代光纖，全面實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)，大力展現(xiàn)光接入網(wǎng)技術(shù)。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(yù)算和技術(shù)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。

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