1、光纤通信摘要：光纤是通信网络的优良传输介质，光纤通信是以很高频率(1014Hz 数量级)的光波作为载波、以光纤作为传输介质的通信，光纤通信的问世使高速率、大容量的通信成为可能，目前它已成为最主要的信息传输技术。通过分析光纤通信技术的原理、发展历史与发展现状，并对光纤通信技术的发展趋势进行了展望。一、光纤传输原理及特征光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式。由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光- 光纤通信。光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(
2、频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。 光 缆 传 输 的 实 现 与 发 展 形 成 了 它 的 几 个 优 点 。 光 纤 电 缆 对 诸 如 无 线 电 、电 机 或 其 他 相 邻 电 缆 的 电 磁 噪 声 具 有 较 大 的 阻 抗 ， 使 其 免 于 受 电 噪 声 的 干 扰 。从 长 远 维 护 角 度 来 看 ， 光 缆 最 终 的 维 护 成 本 会 非 常 低 。 光 纤 使 用 光 脉 冲 沿 光线 路 传 输 信 息 ， 以 替 代 使 用 电 脉 冲 沿 电 缆 传 输 信 息 。 在 系 统 的
3、一 端 是 发 射 机 ，是 信 息 到 光 纤 线 路 的 起 始 点 。 发 射 机 接 收 到 的 已 编 码 电 子 脉 冲 信 息 来 自 于 铜线 电 缆 ， 然 后 将 信 息 处 理 并 转 换 成 等 效 的 编 码 光 脉 冲 。 使 用 发 光 二 极 管 或 注入 式 激 光 器 产 生 光 脉 冲 ， 同 时 采 用 透 镜 ， 将 光 脉 冲 集 中 到 光 纤 介 质 ， 使 光 脉冲 沿 线 路 在 光 纤 介 质 中 传 输 。 由 内 部 全 反 射 原 理 可 知 ， 光 脉 冲 很 容 易 眼 光 纤线 路 运 动 ， 光 纤 内 部 全 反 射 原 理
4、 说 明 了 当 入 射 角 超 过 临 界 值 时 ， 光 就 不 能 从玻 璃 中 溢 出 ； 相 反 ， 光 纤 会 反 射 回 玻 璃 内 。 应 用 这 一 原 理 制 作 光 纤 的 多 芯 电缆 ， 使 得 与 光 脉 冲 形 式 沿 光 线 路 传 输 信 息 成 为 可 能 。 光 纤 传 输 具 有 衰 减 小 、频 带 宽 、 抗 干 扰 性 强 、 安 全 性 能 高 、 体 积 小 、 重 量 轻 等 优 点 ， 所 以 在 长 距 离传 输 和 特 殊 环 境 等 方 面 具 有 无 法 比 拟 的 优 势 。 传 输 介 质 是 决 定 传 输 损 耗 的 重要
5、因 素 ， 决 定 了 传 输 信 号 所 需 中 继 的 距 离 ， 光 纤 作 为 光 信 号 的 传 输 介 质 具 有低 损 耗 的 特 点 ， 光 纤 的 频 带 可 达 到 1 0GHz 以 上 ， 一 般 图 像 的 带 宽 只 有8MHz， 一 个 通 道 的 图 象 用 一 芯 光 纤 传 输 绰 绰 有 余 ， 在 传 输 语 音 、 控 制 信 号 或接 点 信 号 方 面 更 为 优 势 t 光 纤 传 输 中 的 载 波 是 光 波 ， 光 波 是 频 率 极 高 的 电 磁波 ， 远 远 比 电 波 通 讯 中 所 使 用 的 频 率 高 ， 所 以 不 受 干 扰
6、 。 且 光 纤 采 用 的 玻 璃材 质 ， 不 导 电 ， 不 会 因 断 路 、 雷 击 等 原 因 产 生 火 花 ， 因 此 安 全 性 强 ， 在 易 燃 ，易 爆 等 场 合 特 别 适 用 。 光 源 、 传 输 介 质 、 检 测 器 。 计 算 机 网 络 之 间 的 光 纤 传 输 中 ， 光 源 和 检 测器 的 工 作 一 般 都 是 用 光 纤 收 发 器 完 成 的 ， 光 纤 收 发 器 简 单 的 来 说 就 是 实 现 双绞 线 与 光 纤 连 接 的 设 备 ， 其 作 用 是 将 双 绞 线 所 传 输 的 信 号 转 换 成 能 够 通 过 光纤 传
7、输 的 信 号 (光 信 号 )。 当 然 也 是 双 向 的 ， 同 样 能 将 光 纤 传 输 的 信 号 转 换 能够 在 双 绞 线 中 传 输 的 信 号 ， 实 现 网 络 间 的 数 据 传 输 。 在 普 通 的 视 、 音 频 、 数据 等 传 输 过 程 中 ， 光 源 和 检 测 器 的 工 作 一 般 都 是 由 光 端 机 完 成 的 ， 光 端 机 就是 将 多 个 E1 信 号 变 成 光 信 号 并 传 输 的 设 备 ， 光 端 机 的 主 要 作 用 就 是 实 现 电 一光 、 光 一 电 的 转 换 。 由 其 转 换 信 号 分 为 模 拟 式 光 端
8、 机 和 数 字 式 光 端 机 。 因 此 ，光 纤 传 输 系 统 按 传 输 信 号 可 分 为 数 字 传 输 系 统 和 模 拟 传 输 系 统 。 模 拟 传 输 系统 是 把 光 强 进 行 模 拟 调 制 ， 将 输 入 信 号 变 为 传 输 信 号 的 振 幅 (频 率 或 相 位 )的连 续 变 化 。 数 字 传 输 系 统 是 把 输 入 的 信 号 变 换 成 “1”， “O”脉 冲 信 号 ， 并以 其 作 为 传 输 信 号 ， 在 接 受 端 再 还 原 成 原 来 的 信 号 。 当 然 ， 随 着 光 纤 传 输 信号 的 不 同 所 需 要 的 设 备
9、有 所 不 同 。 光 纤 作 为 传 输 介 质 ， 是 光 纤 传 输 系 统 的 重要 因 素 。 今 天 ， 人 们 使 用 光 纤 系 统 承 载 数 字 电 视 、 语 音 和 数 字 是 很 普 通 的 一 件 事 ，在 商 用 与 工 业 领 域 ， 光 纤 已 成 为 地 面 传 输 标 准 。 在 军 事 和 防 御 领 域 ， 快 速 传递 大 量 信 息 是 大 范 围 更 新 换 代 光 纤 计 划 的 原 动 力 。 尽 管 光 纤 仍 在 初 期 发 展 阶段 ， 但 总 有 一 天 光 控 飞 行 控 制 系 统 会 用 重 量 轻 、 直 径 小 又 使 用
10、安 全 的 光 缆 取代 线 控 飞 行 系 统 。 光 导 纤 维 与 卫 星 和 其 他 广 播 媒 体 一 起 ， 代 表 着 在 航 空 电 子学 、 机 器 人 学 、 武 器 系 统 、 传 感 器 、 交 通 运 输 及 其 他 高 性 能 环 境 使 用 条 件 下的 商 用 通 信 和 专 业 应 用 的 新 的 世 界 潮 流 。 二 、 光 纤 传 输 原 理 图三、光纤传输的历史1. 1880 年，贝尔发明了一种利用光波作载波传递话音信息的“光电话”，它证明了利用光波作载波传递信息的可能性，是光通信历史上的第一步。 2.1960 年，美国科学家梅曼发明了第一个红宝石激光
11、器。激光(LASER)与 普通光相比，谱线很窄，方向性极好，是一种频率和相位都一致的相干光，特性与无线电波相似，是一种理想的光载波。因此，激光器的出现使光波通信进入了一个崭新的阶段。3.1966 年,英籍华人高锟博士首次利用无线电波导通信原理,提出了低损耗的光导纤维(简称光纤) 概念。 4.1970 年,美国康宁公司首次研制成功损耗为 20db/公里(光波沿光纤传输公里后,光损耗为原有的 1%)的石英光纤，它是一种理想的传输介质。5.同年，贝尔实验室研制成功室温下连续振荡的半导体激光器(LD)。从此，开始了光纤通信迅速发展的时代，因此人们把 1970 年称为光纤通信的元年。6.1974 年,贝
12、尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法,称“改进的汽相沉积法(MCVD)”,光纤损耗下降到 1db/公里。 7.1976 年，日本电报电话公司研制出更低损耗光纤，损耗下降到 0.5db/公里 。 8.1976 年,美国在亚特兰大成功地进行了 44.7Mbit/s 的光纤通信系统试验。日本电报电话公司开始了 64 公里,32Mbit/s 突变折射率光纤系统的室内试验,并研制成功 1.3 微米波长的半导体激光器。9.1979 年，日本电报电话公司研制出 0.2db/公里的极低损耗石英光纤 (1.5 微米). 10.1984 年，实现了中继距离 50 公里,速率为 1.7Gbit/s 的实用化光纤传输系
13、统. 11.1990 年,用 1.55 微米长波长 SM 光纤传输系统 ,中继距离超过 100 公里,速率为 2.4Gb/s 的光纤传输。12.90 年代以来，第四代光纤通信系统以频分复用增加速率和使用光放大器增加中继距离为标志，可以使用(也可以不使用)相干接收方式，使系统的通信容量以成数量级地增加，已经实现了在 2.5Gb/s 速率上传输 4500 公里和 10Gb/s 的速率上传输 1500 公里的试验。13. 光通信的未来:孤子通信系统 (EDFA)(1834 年斯柯特鲁塞尔发现船行水上的孤立波).光孤子，即由于光纤的非线性效应与光纤色散相互抵消，使光脉冲在无损耗的光纤中保持其形状不变地
14、传输的现象。光孤子通信系统统将使超长距离的光纤传输成为可能,1992 年 NTT 试验实现了在 10Gb/s 的码率下光弧子沿环路可传输 12,000 公里的距离(可在 1000的高温下工作 ). 三、光纤传输技术的展望近几年来，随着技术的进步，电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面开放，光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面，以下在对光纤通信领域的主要发展热点作一简述与展望。(一)向超高速系统的发展。从过去 20 多年的电信发展史看，网络容量的需求和传输速率的提高一直是一对主要矛盾。传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用(TDM)方式进行，每当传输速率提高 4 倍，传输每比特的成本大约
15、下降3040：因而高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长，这就是为什么光纤通信系统的传输速率在过去 20 多年来一直在持续增加的根本原因。高速系统的出现不仅增加了业务传输容量，而且也为各种各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。 (二)向超大容量 WDM 系统的演进。采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽，然而光纤的 200nm 可用带宽资源仅仅利用了不到 1，99的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一极光纤上传送，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。(三)实现光联网。上述实用化的波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上
16、是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似 SDH 在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新一层的威力。根据这一基本思路，光的分插复用器(OADM)和光的交叉连接设备(OXC)均已在实验室研制成功，前者已投入商用。 (四)新一代的光纤。近几年来随着 IP 业务量的爆炸式增长，电信网正开始向下一代可持续发展的方向发展，而构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础。传统的 G.652 单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势，开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。 (五)光接入网。过去几年间，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换，还是传输都已更新了好几代。不久，网络的这一部分将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的网络。而另一方面，现存的接入网仍然是被双绞线铜线主宰的(90以上)、原始落后的模拟系统。两者在技术上的巨大反差说明接入网已确实成为制约全网进一步发展的瓶颈。唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段是光接入网。参考文献：1王磊，裴丽.光纤通信的发展现状和未来J.中国科技信息，2006.2穆道生主编.现代光纤通信系统.北京：科学出版社，2005.93董天临.光纤通信与光纤信息网.北京：清华大学出版社，2005
