光纤通信技术的特点和发展趋势

光纤通信技术的特点和发展趋势摘要：光纤通信是指利用光与光纤传递信息的一种方式，光纤通信不仅可以应用在通信的主干线路中，也可以在电力通信控制系统中发挥作用，既有经济优势又有技术优势，光纤通信由于超高速、低误码、高可靠，价格低廉，已成为信息的最重要传输手段和信息社会的重要基础设施。本文探讨光纤通信技术的优点和缺点以及光纤通信的发展和现状。光纤通信在技术功能构成上主要分为：(1)信号的发射；(2)信号的合波；(3)信号的传输和放大；(4)信号的分离；(5)信号的接收。关键词：光纤通信技术特点现状发展趋势1、光纤通信技术光纤通信是利用光导纤维传输光信号，以实现信息传递的一种通信方式，属于有线通信的一种，光经过调变后便能携带信息，利用光波作载体，以光纤作为传输媒介，将信息从一处传至另一处，是光信息科学与技术的研究与应用领域。可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。光纤由内芯和包层组成，内芯一般为几十微米或几微米，比一根头发丝还细；外面层成为包层，包层的作用是保护光纤。实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆，由于玻璃材料是制作光纤的主要材料，它是电气绝缘体，因而不需要担心接地回路，光波在光纤中传输，不会发生信息传播中的信息泄露现象，光纤很细，占用的体积小，这解决了实施的空间问题。光纤通信系统的组成，现代的光纤通信系统多半包括一个发射器，将电信号转换成光信号，再通过光纤将光信号传递。光纤多半埋在地下，连接不同的建筑物。系统中还包括数种光放大器，以及一个光接收器将光信号转换回电信号。在光纤通信系统中传递的多半是数位信号，来源包括计算机、电话系统，或是有线电视系统。2光纤通信的优点和缺点优点（1）经济优势①频率资源丰富，通信容量极大。粗略地讲，一根光纤传输数字信号的码速容量在理论上可达40Tbit/s（T=1012）。最好的金属导线可传输的数字信号的码速为400Mbit/s，差5个数量级。容量较微波通信可提高103——104倍。②传输损耗低，无中继通信距离长。当光波长λ=1.55um时，衰减有最低点，可低达0.2dB/km，接近理论值。这样中继数量减少，成本低，通信质量高。③节约铜（铝）和铅。④抗干扰能力强，保密性能好（不受电磁，强点干扰）。⑤光缆耐腐蚀，重量轻，体积小（占用空间小，携设方便）。（2）技术优势①频带极宽，通信容量大，光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，长波长窗口，单模光纤具有几十GHz/km的宽带。对于单波长光纤通信系统，由于终端设备的电子瓶颈效应，而不能发挥光纤带宽大的优势。通常采用各种复杂技术来增加传输的容量，特别是现在的密集波分复用技术极大地增加了光纤的传输容量。采用密集波分复用技术可以扩大光纤的传输容量至几倍到几十倍。目/前，单波长光纤通信系统的传输速率一般在2.5Gbit/s——10Gbit/s,采用密集波分复用技术实现的多波长传输系统的传输速率已经达到单波长传输系统的数百倍。巨大的带宽潜力使单模光纤成为宽带综合业务网的首选介质。②损耗低，中继距离长。目前，商品石英光纤损耗可低于0.2dB/km,这样的传输损耗比其他任何传输介质的损耗都低；若将来采用非石英系统极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降得更低。这意味着通过光纤通信系统可以跨越更大的无中继距离；对于一个长途传输线路，由于中继站数目的减少，系统成本和复杂性可大大降低。目前，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，由非石英系统极低损耗光纤组成的通信系统长至数万千米，这对于降低通信系统的成本，提高可靠性和稳定性具有特别的意义。③抗电磁干扰能力强。光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料，不易被腐蚀，而且绝缘性好。与之想联系的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受人为释放的电磁干扰，还可用它与高压高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。这一点对于强电领域（如电力传输线路和电气化铁道）的通信系统特别有利。由于能免除电磁脉冲效应，光纤传输系统还特别适合于军事应用。④对电气绝缘。光纤是用玻璃材料构造的，它是电气绝缘体，因而不需要担心接地回路。光纤之间的串扰非常小，设备接口问题也简化了。特别生死光纤在电气危险环境中广泛应用，因为它不会产生电弧和火化。⑤无串音干扰，保密性好。在电波传输的过程中，电磁波的泄漏会造成各传输通道的串扰，而容易被窃听，保密性差。光波在光纤中传输，因为光信号被完善地限制在光波导结构中，而任何泄漏的射线都被环绕光纤的不透明包层所吸收，即使在转弯处，漏出的光波也十分微弱。这样，即使光缆内光纤总数很多，相邻信通也不会出现串音干扰，同时在光缆外面也无法窃听到光纤中传输的信息。⑥光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。光纤的芯径很细，约为0.1mm，由多芯光纤组成光纤的直径也很小，8芯光缆的横截面积约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。这样采用光缆作为传输信通，使传输系统所占空间小，解决了地下管道拥挤的问题，节约了地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，柔韧性好，光缆的重量要比电缆轻得多，在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信可以减轻飞机、轮船、飞船的重量，显得更有意义。除此之外，光纤柔软可绕，容易成束，能得到直径小的高密度光缆。⑦光纤的原材料资源丰富，成本低，无资源问题，节省金属材料。光纤的材料主要是石英，全球取之不尽、用之不竭的原材料；而电缆的主要材料是铜，铜的储藏量不多，用光纤取代光缆，可节约大量金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。⑧温度稳定性好、寿命长。与铜线和同轴电缆相比，光纤的温度系数极小，其传输特性基本不随温度而变，故光纤传输系统十分稳定可靠，而且不易老化。⑨便于采用多种复用技术。有光纤通信系统组成的通信主干线路可以采用空分复用、波分复用、时分复用和频分复用来扩充系统的容量，节省了资源。缺点①质地脆，机械强度低，容易断裂，所以对施工要求很高。②要有较好的切断、连接技术，光纤熔断与连接要有专门的设备、技术及连接器件，如光纤对准器等。③要有较好的检测技术，由于光缆铺设很长距离，每根光纤的对应与连通性是需要检测的，还有光纤光缆从制造到施工、应用、维修、维护等各个环节都需要检测，包括波长，容量，接连性及信通衰减等参数的检测。由于有些参数的敏感程度高，因此需要很好的检测技术与检测设备。④分路、耦合比较麻烦。由于光纤不像电缆那样容易接读，光的方向性非常专一，因此分路与耦合需要专门的技术和设备。3、光纤通信的发展与现状（1）光纤1996年，英籍华人高锟和kockham从理论上证明了用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维。1970年，美国康宁玻璃公司首先制造出衰减为20dB/km的光纤。1974年，光纤的衰减已降低到2dB/km。1980年，长波长窗口的衰减低达0.2dB/km，接近理论值。（2）光源要实现光纤通信，还需要适当的光源。1970年研制出室温下连续运行的激光器和发光二极管，特别是长波长（1.3um、1.5um）激光器和发光二极管的研制成功，为实现光纤通信奠定了基础。（3）光通信系统第一代光通信系统：1977年，在美国芝加哥距离7km的电话局间首次实现了光通信传输系统，光波长为0.85um。第二代光通信系统：1981年，实现了局间使用1.3um多模光纤的通信系统。第三代通信系统：1984年，实现了局间使用1.3um多单模光纤的通信系统，广泛用于长途和跨洋通信。第四代光通信系统：20世纪80年代中期又实现使用1.5um多半模光纤的通信系统。近年来，SDH体制形成的光传送网被广泛使用。各种波分复用（WDM）和光时分复用（OTDM）系统进一步提高了传输容量，相干光通信、光孤子通信和集成光学有了一定的进展。人们期待着新一代光纤通信系统的实现。（4）我国光纤通信的现状光纤通信由于超高速、低误码、高可靠、价格低廉，已成为信息的最重要传输手段和信息社会的还重要基础设施。1986年建立了国内第一条光缆干线——宁汉光缆。1999年建成八纵八横光缆骨干网。（5）光纤通信的发展光纤通信的发展史虽然只有二三十年，但由于它无比的优越性，使它成为了现代化通信网络中最为重要的传输媒介。总体来说，光纤通信的发展大致分为4个阶段。第一阶段（1966——1976年）是冲基础研究到商业应用的开发时期。这个时期中，出现了短波长（850nm）低速率（34或45Mb/s）多模光纤通信系统，无中继传输距离约为10km。第二阶段（1976——1986年）是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标的大力推广应用的大发展时期。在这个时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长（850nm）发展到长波（1310nm和1550nm），实现了工作波长为1310nm，传输速率为140—565Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为50到100km。第三阶段（1986——1996年）是以超大容量超长距离为目标，全面深入开展新技术研究的事情。在这个时期，出现了1550nm色散位移单模光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达2.5-10Gb/s，无中继传输距离可达100—150km，实验室可以达到更高水平。第四阶段（1996年至今）是采用光放大器，波分复用光纤通信系统的超长距离的光弧子通信系统的时期。具体来讲国外的发展状况：20世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400dB以上。1966年英国标准电信研究所高锟及Hockham从理论上预言光纤损耗可降至20dB/km以下。日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100dB/km。1970年康宁公司（Corning）采用“粉末法”先后获得了损耗低于20dB/km和4dB/km的低损耗石英光纤。1974年贝尔实验室（Bell）采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品。到1979年，掺锗石英光纤在1.55µm处的损耗已经降到0.2dB/km，这一数值已经十分接近由Rayleigh散射所决定的石英光纤理论损耗极限。国内光纤通信的发展：1963年开始光通信的研究。1977年，第一根短波长(0.85mm)阶跃型石英光纤问世，损耗为300dB/km。1978年，阶跃光纤的衰减降至5dB/km。研制出短波长多模梯度光纤，即G.651光纤。1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系统试验段。1980年1300nm窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减为0.29dB/km。1981年多模光纤活动连接器进入实用。1984年武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模)。1990年，研制出G.652标准单模光纤，最小衰减达0.35dB/km。1992年降至0.26dB/km。（4）光纤通信的发展前景①新一代光纤：随着社会发展的需要已经出现了两种不同的新型光纤，即非零色散光纤（G.655）和全波光纤。②超高速系统：传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用（TDM）方式进行，而如今要满足社会发展需要，光纤通信应该按照光的时分复用方式进行。③超大容量WDM系统：如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一路光纤上传送，则可大大增加光纤的信息传输容量，这就是波分复用(WDM)的基本思路。④全光网络：WDM波分复用技术的实用化，提供了利用光纤带宽的有效途径，使大容量光纤传输技术取得了突破性进展。点到点之间的光纤传输容量的提高，为高速大容量宽带综合业务网的传输提供了有效途径，而传输容量的飞速增长对现存看交换系统的发展产生了压力。全光网络是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换，而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在。因为在整个传输过程中没有电的处理，所以PDH、SDH、ATM等各种传送方式均可使用，提高了网络资源的利用率。4、结束语光纤通信的应用给人们带来了一场信息的革命。是整个社会进入了一个信息高速发展的时代。而光纤通信带给我们的不仅仅是高速，还有更为客观的前景，它将带给我们无尽的方便。电话网络系统，电视网络系统和计算机网络系统在