光纖通信技術調研報告

光纖通信技術現(xiàn)實狀況綜述信息工程學院通信工程趙愛杰2420253導讀概述重要技術相干光通信技術概念關鍵技術重要優(yōu)勢光孤子通信技術概念關鍵技術重要優(yōu)勢全光通信網(wǎng)概念關鍵技術重要優(yōu)勢總結參照網(wǎng)站概述光纖通信，顧名思義，就是運用光導纖維傳導通過調制而攜帶信息的光信號，實現(xiàn)信息傳遞的通信方式。光纖通信技術發(fā)展歷史并不長，1966年高錕刊登論文《Dielectric-Fibresurfacewaveguidesforopticalfrequencies》奠定了光纖技術進入實用的里程碑。通過短短幾十年發(fā)展，目前光纖技術已經(jīng)以其突出優(yōu)勢在通信領域得到了廣泛應用。光纖技術相比其他通信技術，具有其無與倫比的優(yōu)越性，其中最突出的就是其超大容量：理論上講，一根頭發(fā)絲粗細的光纖可同步傳播1000億個話路，雖然目前如此高的傳播量仍未到達，但相比明線、雙絞線、同軸電纜、無線信道這些老式傳播介質，其傳播能力仍然高出幾十甚至上千倍，而把若干根光纖匯集成光纜的傳播信息量就可想而知了。因此可以預見，當下乃至未來若干年的信息爆炸時代，光纖通信將逐漸成為信息傳播的主流技術。另一方面，光纖技術尚有諸多老式傳播技術無法比擬的有點，如傳播距離長、保密性能好、適應能力強、抗干擾性好、體積小重量輕，便于施工維護、制造原料來源廣，生產成本低廉等。重要技術目前光纖通信的重要技術有：相干光通信技術，光孤子通信技術，全光通信網(wǎng)等，下面注意作簡要簡介：相干光通信技術：所謂相干光技術就是在光通信中使用相干調制和外差檢測技術。所謂相干調制，就是運用傳播信號來控制光載波的頻率、相位和幅度。外差檢測，就是運用一束本機振蕩產生的激光與輸入信號在光混頻器中進行混頻，得到與信號光頻率、相位和幅度按相似規(guī)律變化的中頻信號的技術。在發(fā)送端，采用外調制方式將信號調制到光載波上傳播，當信號光抵達接受端時，首先與一束本振光信號進行相干耦合，然后由平衡接受機進行探測。相干光通信根據(jù)本振光頻率與信號光頻率不等或相等，可分為外差檢測和零差檢測。前者光信號經(jīng)光電轉換后獲得的是中頻信號，還需要二次解調才能被轉換成基帶信號。后者光信號經(jīng)光電轉換后被直接轉換成基帶信號，不用二次解調，但它規(guī)定本振光頻率與信號光頻率嚴格匹配，并且規(guī)定本振光與信號光的相位鎖定。關鍵技術：外光調制技術，光調制是根據(jù)某些電光或聲光晶體的光波傳播特性隨電壓或聲壓等外界原因的變化而變化的物理現(xiàn)象而提出的。外光調制器重要包括三種：運用電光效應制成的電光調制器、運用聲光效應制成的聲光調制器和運用磁光效應制成的磁光調制器。采用以上外調制器，可以完畢對光載波的振幅、頻率和相位的調制。偏振保持技術，在相干光通信中，相干探測規(guī)定信號光束與本振光束必須有相似的偏振方向，才能獲得相干接受所能提供的高敏捷度，因此在相干光通信中應采用光波偏振穩(wěn)定措施。重要有兩種措施：一是采用“保偏光纖”使光波在傳播過程中保持光波的偏振態(tài)不變；二是使用一般單模光纖，在接受端采用偏振分集技術，信號光與本振光混合后首先提成兩路作為平衡接受，對每一路信號又采用偏振分束鏡提成正交偏振的兩路信號分別檢測，然后進行平方求和，最終對兩路平衡接受信號進行判決，選擇很好的一路作為輸出信號。頻率穩(wěn)定技術，激光器穩(wěn)頻技術重要有三種，(1)將激光器的頻率穩(wěn)定在某種原子或分子的諧振頻率上。在1.5μm波長上，已經(jīng)運用氨、氪等氣體分子實現(xiàn)了對半導體激光器的頻率穩(wěn)定；(2)運用光生伏特效應、鎖相環(huán)技術、主激光器調頻邊帶的措施實現(xiàn)穩(wěn)頻；(3)運用半導體激光器工作溫度的自動控制、注入電流的自動控制等措施實現(xiàn)穩(wěn)頻。相干光通信技術相對于老式的光強度調制有突出有點：敏捷度高，中繼距離長，相干光通信的一種最重要長處是相干檢測能改善接受機的敏捷度。相似條件下，相干接受機比一般接受機警捷度高20dB，可以到達靠近散粒噪聲極限的高性能，因此也增長了光信號的無中繼傳播距離。選擇性好，通信容量大，相干光通信提高了接受機的選擇性，在直接檢測中，接受波段較大，為克制噪聲干擾，探測器一般需要放置窄帶濾光片，但其頻帶仍然很寬。在相干外差探測中，探測的是信號光和本振光的混頻光，因此只有在中頻頻帶內的噪聲才能進入系統(tǒng)，而其他噪聲均被帶寬較窄的微波中頻放大器濾除?？梢?，外差探測有良好的濾波性能。此外，由于相干檢測優(yōu)良的波長選擇性，相干接受機可以使頻分復用系統(tǒng)的頻率間隔大大縮小，從而實現(xiàn)密集波分復用，具有以頻分復用實現(xiàn)更高傳播速率的潛在優(yōu)勢。具有多種調制方式，老式光通信系統(tǒng)中，只能使用強度調制方式對光進行調制。而相干光通信中，除了可以進行幅度調制外，還可以使用PSK、DPSK、QAM等多種調制格式，利于靈活的工程應用，相對于老式光接受機只響應光功率的變化，相干探測可以探測出光的振幅、頻率、相位、偏振態(tài)攜帶的所有信息，因此相干探測是一種全息探測技術。相干光通信得到迅速的發(fā)展，尤其是對于超長波長(2～10μm)光纖通信來說，相干光通信最具吸引力。由于在超長波段，由瑞利散射決定的光纖固有損耗將深入大幅度減少(瑞利散射損耗與1/λ?4成正比)，故從理論上講，在超長波段可實現(xiàn)光纖跨洋無中繼通信。而在超長波段，直接探測接受機的性能很差，于是相干探測方式自然而然地成為唯一的選擇了。超長波長光纖通信系統(tǒng)是以超長波長光纖作為傳播介質，運用相干光通信技術實現(xiàn)超長距離通信。在該系統(tǒng)中超長波長光纖是至關重要的。它是一種更為理想的傳播媒介，其重要特性是損耗特低，只有石英材料的千萬分之一。因此，超長波長光纖可以實現(xiàn)數(shù)萬公里傳播，而不要中繼站。它可以大幅度減少通信成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對海底通信和沙漠地區(qū)更具有尤其重要的意義。光孤子通信技術：光孤子即是理想的光脈沖，由于其很窄，脈沖寬度在皮秒級，這樣即可使相鄰脈沖間隔很小而不至于發(fā)生脈沖重疊嗎，產生干擾。運用光脈沖通信其容量可以說幾乎是沒有限制的，傳播速率可達每秒兆比特。光孤子通信是一種全光非線性通信方案，其基本原理是光纖折射率的非線性（自相位調制）效應導致對光脈沖的壓縮可以與群速色散引起的光脈沖展寬相平衡，在一定條件（光纖的反常色散區(qū)及脈沖光功率密度足夠大）下，光孤子可以長距離不變形地在光纖中傳播。它完全掙脫了光纖色散對傳播速率和通信容量的限制，其傳播容量比本來最佳的通信系統(tǒng)高出1~2個數(shù)量級，中繼距離可達幾百公里，被認為是下一代最有發(fā)展前途的傳播方式之一。光孤子通信關鍵技術：光孤子源，光孤子源是實現(xiàn)超高速光孤子通信的基礎，應能直接產生具有雙曲正割(sech)形式的基階光孤子，目前光孤子通信試驗系統(tǒng)大多采用體積小、反復頻率高的增益開關分布反射（DFB）半導體激光器或鎖模半導體激光器作為孤子光源，所輸出的脈沖均為高斯形，因而功率較小。光孤子放大，目前所應用的孤子放大技術有兩種，一種是分布式光放大技術，最大的特點是可以對光信號直接進行放大，所使用的是受激喇曼散射（SRS）放大器或分布式摻餌光纖放大器（EDFA）。ASE噪聲控制。重要優(yōu)勢：傳播容量比最佳的線性通信系統(tǒng)大1~2個數(shù)量級；可以進行全光中繼，由于光孤子脈沖的特殊性質使中繼過程簡化為一種絕熱放大過程，大大簡化了中繼設備，高效、便捷、經(jīng)濟；在傳播速度方面采用超長距離的高速通信，時域和頻域的超短脈沖控制技術以及超短脈沖的產生和應用技術使現(xiàn)行速率10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上；在增大傳播距離方面采用重定期，整形，再生技術和減少ASE，光學濾波使傳播距離提高到100000公里以上；在高性能EDFA方面是獲得低噪聲高輸出EDFA可以看出，光孤子通信和線性光纖通信比，無論在技術上還是在經(jīng)濟都具有明顯的優(yōu)勢，光孤子通信在高保真度、長距離傳播方面，優(yōu)于光強度調制/直接檢測方式和相干光通信。全光通信網(wǎng)：全光通信網(wǎng)就是信號傳播與互換等重要功能均在光狀態(tài)下進行而不通過光電轉換變成電信號的通信網(wǎng)絡。在全光網(wǎng)絡中，由于沒有光電轉換的障礙，因此容許存在多種不一樣的協(xié)議和編碼形式，信息傳播具有透明性，且無需面對電子器件處理信息速率難以提高的困難。全光通信網(wǎng)關鍵技術：光交叉連接（OXC），OXC是全光網(wǎng)中的關鍵器件，它與光纖構成了一種全光網(wǎng)絡。可以進行光路由、自動故障隔離、重新選擇路由和網(wǎng)絡重新配置等操作；光分插復用（OADM），OADM具有選擇性，可以從傳播設備中選擇下路信號或上路信號，也可僅僅通過某個波長信號，但不要影響其他波長信道的傳播。OADM在光域內實現(xiàn)了SDH中的分插復用器在時域內完畢的功能，且具有透明性，可以處理任何格式和速率的信號，能提高網(wǎng)絡的可靠性，減少節(jié)點成本；摻鉺光纖放大器（EDFA），EDFA是目前光放大技術的主流，它能簡化系統(tǒng)，減少傳播成本，增長中繼距離，提高光信號傳播的透明性，是實現(xiàn)全光網(wǎng)的關鍵器件。全光通信網(wǎng)的重要優(yōu)勢：全光網(wǎng)絡通過波長選擇器來實現(xiàn)路由選擇，即以波長來選擇路由，對傳播碼率、數(shù)據(jù)格式以及調制方式均有透明性，可提供多種協(xié)議業(yè)務，可不受限制地提供端到端以業(yè)務。透明性是指網(wǎng)絡中的信息在從源地址到目的地址的過程中，不受任何干涉。由于全光網(wǎng)中信號的全書全是在光域中進行，信號速率、格式等僅受限于接受端和發(fā)射端，因此全光網(wǎng)是對信號透明的。全光網(wǎng)不僅可以與既有的通信網(wǎng)絡兼容，并且還可以支持未來的寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)以及網(wǎng)絡的升級。全光網(wǎng)絡具有可擴展性，加入新的網(wǎng)絡節(jié)點時，不影響原有網(wǎng)絡構造和設備，減少了網(wǎng)絡成本?？筛鶕?jù)通信業(yè)務量的需求，動態(tài)地變化網(wǎng)絡構造，充足運用網(wǎng)絡資源，具有網(wǎng)絡的可重組性。全光網(wǎng)絡構造簡樸，端到端采用透明光通路連接，沿途沒有變換和存儲，網(wǎng)中許多光器件都是無源的，可靠性高、可維護性好。總結從上面對相干光通信技術、光孤子通信技術及全光通信網(wǎng)的簡要簡介，我們從概念、關鍵技術及優(yōu)缺陷上對光纖通信現(xiàn)階段的幾種主流技術有了一種大體理解，同步對該領域未來一段時間的大體走向有了一定認識。我們在學習了光纖通信這門課之后，通過上網(wǎng)查閱有關文檔資