光纤通信原理

1重庆邮电大学研究生堂下考试答卷2011-2012学年第一学期考试科目光纤通信原理姓名学号年级11级专业通信与信息系统电话2011年12月20日2通信光纤研究进展及趋势摘要：光缆通信在我国已有20多年的使用历史,这段历史也就是光通信技术的发展史和光纤光缆的发展史。光纤通信因其具有的损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点,备受业内人士青睐,发展非常迅速。目前,光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域,包括邮电通信、广播通信、电力通信、石油通信和军用通信等领域。本文主要综述我国光纤通信研究现状及其发展。光纤通信一直是推动整个通信网络发展的基本动力之一，是现代电信网络的基础。关键词：光纤通信发展历史现状趋势ProgressandTrendsinFiberOpticCommunicationAbstract:CableCommunicationshasbeenusedmorethanahistoryof20yearsinChina,thishistoryisthehistoryofdevelopmentofopticalcommunicationtechnologyandtheopticalfibercablehistory.Becauseoflowtransmissionfrequencybandwidth,largecapacity,smallsize,lightweight,anti-electromagneticinterference,crosstalk,andsoon,soopticalfibercommunicationistreatedasthemostpopularstyleofcommunication,anditdevelopsveryfast.Currently,fiberopticcablehasbeenwiredintoallareasofcommunications,includingtelecommunications,radiocommunication,powercommunication,oilcommunications,andmilitarycommunications.ThispaperreviewsthestatusquoofChina'sopticalcommunicationsresearchanddevelopment.Opticalfibercommunicationhasbeenoneofthepromotionwhichpushthedevelopmentoftheentirecommunicationnetworks,anditisthefoundationofmoderntelecommunicationsnetworks.Keywords:OpticalfibercommunicationHistoryofdevelopmentStatusquoTrends0引言目前，在实际运用中相当有前途的一种通信技术之一，即光纤通信技术已成为现代化通信非常重要的支柱。作为全球新一代信息技术革命的重要标志之一，光纤通信技术已经变为当今信息社会中各种多样且复杂的信息的主要传输媒介，并深刻的、广泛的改变了信息网架构的整体面貌，以现代信息社会最坚实的通信基础的身份，向世人展现了其无限美好的发展前景。自上世纪光纤通信技术在全球问世以来，整个的信息通讯领域发生了本质的、革命性的变革，光纤通信技术以光波作为信息传输的载体，以光纤硬件作为信息传输媒介，因为信息传输频带比较宽，所以它的主要特点是:通信达到了高速率和大容量，且损耗低、体积小、重量轻，还有抗电磁干扰和不易串音等一系列优点，从而备受通信领域专业人士青睐，发展也异常迅猛。传输容量需求的增加继续驱动传输技术领域的进步，随着密集波分复用（DWDM）技术、光纤放大技术，包括掺铒光纤放大器（EDFA）、分布喇曼光纤放大器（DRFA）、半导体放大器（SOA）和光时分复用（OTDM）技术的发展和广泛应用，光纤通信技术不断向着更高速率、更大容量的通信系统发展，并且逐步向全光网络演进。1光纤通信技术的发展历史近十几年来，光纤通信技术有了长足的进展，其中的新技术也不断被发掘，大大提高了传统意义上的通信能力，这使得光纤通信技术在更大的范围内得到了应用。光纤通信技术是指把光波作为信息传输的载波，以光纤作为信息传输的媒介，将信息进行点对点发送的现代通信方式。光纤通信技术的诞生及深入发展是信息通信史上一次重要的改革。光纤通信3技术从理论提出到工程领域的技术实现，再到今天高速光纤通信的实现，前后经历了几十年的时间。上世纪六十年代开始的光纤通信技术最开始起源于国外，当时研制的光纤损耗高达400分贝/千米，后来，英国标准电信研究所提出，在理论上光纤损耗能够降低到20分贝/千米，然后，日本紧接着研制出通信光纤的损耗是100分贝/千米，康宁公司基于粉末法研制出了损耗在20分贝/千米以下的石英光纤，到最近的掺锗石英光纤的损耗降低至0.2分贝/千米，已经接近了石英光纤理论上提出的损耗极限。由以上光纤通信技术的发展历程，可以把光纤通信技术分为大致五个阶段，即850纳米波段的多模光波，到1310纳米多模光纤，到1310纳米单模光纤，再到1550纳米单模光纤，最后是长距离进行传输的光纤通信技术。通信用传输光纤的进步从降低损耗和降低色散开始，不断减少线性效应和非线性效应影响，提升和改进产品质量。20世纪70年代末到80年代初，普通单模光纤（ITU-TG.652）研制成功；1983年，普通单模光纤商用化，色散位移单模光纤（ITU-TG.653）研制出来；1985年以后，色散位移单模光纤商用化，大量用于长距离、大容量的通信干线系统。为了适应新一代使用掺铒光纤放大器（EDFA）和密集波分复用（DWDM）通信系统的需要。1993年以后，先后研制出了色散补偿光纤和非零色散位移单模光纤（ITU-TG.655），并很快投入商业使用。1995年前后；开拓了1565～1625nm的L带，称为第四窗口。1998年，朗讯公司推出了全波光纤（AllWaveFiber），该光纤几乎完全消除了OH离子吸收峰，打开了1360～1460nm的第五窗口。1999年以后，又陆续推出了许多新型光纤品种。自20世纪90年代中期以来，多模光纤研究与开发进入了一个新阶段。由于计算机信息处理容量的增加和因特网的迅速发展，使信息速率呈指数增长趋势。在北美、西欧等发达国家，以前建立的几十、几百Mbps的数据LAN系统已经落伍，向Gbps（千兆比特／秒）以上的超高速率发展。IEEE于1998年6月通过了IEEE802.3zGigabit以太网标准。1999年2月，国际上有关标准化组织开始考虑10Gbps以太网标准（IEE802.3ae），该标准已于2002年上半年出台。技术的进步，促进了多模光纤的发展，必须提高原来光纤的性能，开发新一代多模光纤（NGMMF），以满足Gigabit以太网应用（1～10G）的需要。2光纤通信技术的现状2.1光纤通信技术中的波分复用技术即WDM，充分利用了单模光纤低损耗区的优势，获得了大的带宽资源。波分复用技术基于每一信道光波的频率和波长不同等情况出发，把光纤的低损耗窗口规划为许多个单独的通信管道，并在发送端设置了波分复用器，将波长不同的信号集合到一起送入单根光纤中，再进行信息的传输，而接收端的波分复用器把这些承载着多种不同信号的、波长不同的光载波再进行分离。2.2光纤通信技术中的光纤接入技术光纤接入网技术是信息传输技术的一个崭新的尝试，它实现了普遍意义上的高速化信息传输，满足了广大民众对信息传输速度的要求，主要由宽带的主干传输网络和用户接入两部分组成。其中后者起着更为关键的作用，即FTTH(光纤到户)，作为光纤宽带接入的最后环节，负责完成全光接入的重要任务，基于光纤宽带的相关特性，为通信接收端的用户提供了所需的不受限制的带宽资源。2.3光孤子通信系统在常规的线性光纤通信系统中，光纤损耗和色散是限制其传输容量和距离的主要因素。由于光纤制作工艺的不断提高，光纤损耗已接近理论极限，因此光纤色散已成为实现超大容量、超长距离光纤通信的“瓶颈”，亟待解决。人们用了一百多年的时间来探讨，发现由光纤非线性效应所产生的光孤子可以抵消光纤色散的作用，利用光孤子进行通信，可以很好解决这个问题，从而形成了新一代光纤通信系统，也是21世纪最有发展前途的通信方式。任何事物都是在发展中前进，光通信在超长距离、超大容量发展进程中，遇到了光纤损耗和色散的问题，限制了其发展的空间。科学家和业内人士受自然界的启发，发现了特殊的光孤子波，人们设想在光纤中波形、幅度、速度不变的波就是光孤子波。利用光孤子传输信息的新一代光纤通信系统，4真正做到全光通信，无需光、电转换，可在超长距离、超大容量传输中大显身手，是光通信技术上的一场革命。3光纤通信技术的发展趋势3.1光接入网通信技术的更进一步发展现存技术上的接入网依旧是双绞线铜线的连接，仍然是原始的、落后的模拟系统，而网络中的光接入技术的应用使其成为了全数字化的，且高度集成的智能化网络。光接入网通信技术所要达到的主要目标有:最大程度的使维护费用得到降低，故障率得到明显下降;可以用于新设备的开发和新收入的不断增加;与本地网络相结合，达到减少节点数目和扩大覆盖面范围的目的;通过光网络的建立，为多媒体时代的到来做好准备;另外，可以最大化的利用光纤本身的一些优势特点。3.2光纤通信技术中光传输与交换技术的融合基于上述光接入网通讯技术的成熟发展，网络的核心架构己经得到了翻天覆地的改变，并正在日新月异的变化发展着，在交换和传输两方面来讲也都早已进行了好几代的更新。光接入网技术和光输与交换技术的融合技术，前者较后者在技术应用上有了一些技术上改进，从而也就提高了全网的往前的进一步有效发展，但此项技术相对来讲仍不成熟。3.3单模光纤发展趋势随着更大传输容量的需求和DWDM的继续发展，要求光纤工作在更宽的频率范围，从C波段发展到L波段和S波段；消除1383nm衰减水峰，从O波段扩展到E波段，实现全波段传输。为了适应这种情况，ITU-T对石英玻璃单模光纤的工作波长范围作出了定义。长距离DWDM用的光纤还应具有适宜的色散值、合适色散符号和小的色散斜率，适宜大的有效面积，很低的PMD值和衰减值，并通过不同光纤配置实现色散管理、减少线性影响和非线性损伤、最佳噪声特性等来达到超长距离、超大容量传输。喇曼光纤放大器（EDFA）的出现和推广应用，进一步改善了光信噪比（OSNR）和扩展了光纤放大器之间的距离，喇曼放大要求设计出在泵埔波段低衰减光纤，以得到高的喇曼效率。与长途网相比，城域网面临更加复杂多变的业务环境，直接支持大用户，需要服务的人口众多、密集，网络节点分布集中，信息量大，业务密度高，网络的物理半径（相对长途而言）较小，即通信距高较短，地下管道拥挤，网络动态变化幅度大，需要频繁的业务量疏导和带宽管理能力。因此，提高网络运行效率、降低建设成本和运行费用十分关键。采用密集波分复用（DWDM）技术是一个很有前途的解决方案。而城域网用光纤类型的选择是运营商和网络设计者应慎重考虑的问题。为了克服信道间隔不能无限变窄对于扩大系统容量的限制，利用具有更宽工作波长范围的单模光纤自然更理想。已经开发了低水峰单模光纤，也称全波光纤，这种新型光纤属于ITU-TG.652C类型，它在C、L波段的色散太大，不是理想光纤。康宁、阿尔卡特、住友均推出了城域网用非零色散位移光纤，但是，这些光纤不适于包括在S波段的传输，人们又在开发S-C-L三波段传输的城域网用新型光纤。3.4多模光纤发展趋势本地网络（LAN）中，包括校园网络，采用的都是多模光纤。常用的多模光纤中主要有Ala类50／125μm和Alb类62.5/125μm两种类型。对本地网络，在发展吉比特（Gigabit）以太网（Ethernet）标准以前，没有更多安装那种多模光纤的讨论。由于62.5/125μm光纤芯径大、数值孔径大，具有较强的集光能力，是最普遍的多模选