光纖通信原理和應(yīng)用及其發(fā)展趨勢分析研究 通信工程專業(yè)

光纖通信原理和應(yīng)用及其發(fā)展趨勢摘要：簡述光纖通信的發(fā)展歷史及其優(yōu)點，介紹了光纖的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)光原理、光纖通信在各個方面的應(yīng)用以及其發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：光纖通信優(yōu)點原理應(yīng)用1引言光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。光纖通信技術(shù)（opticalfibercommunications）從光通信中脫穎而出，已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光導(dǎo)纖維通信就是利用光導(dǎo)纖維傳輸信號，以實現(xiàn)信息傳遞的一種通信方式。可以把光纖通信看成是以光導(dǎo)纖維為傳輸媒介的“有線”光通信。光纖通信作為一門新興技術(shù)，在近30年來迅猛發(fā)展，給世界通信技術(shù)乃至國民經(jīng)濟(jì)、國防事業(yè)和人民生活帶來了巨大變革。2發(fā)展歷史1966年，英籍華人高錕(C·K·Kao)預(yù)見利用玻璃可以制成衰減為20dB／km的通信光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)。當(dāng)時，世界上最優(yōu)秀的光學(xué)玻璃衰減達(dá)l000dB／km左右。1970年，美國康寧公司首先研制成衰減為20dB／km的光纖。從此，光纖就進(jìn)入了實用化的發(fā)展階段，世界各國紛紛開展光纖通信的研究。光纖的主要作用是引導(dǎo)光在光纖內(nèi)沿直線或彎曲的途徑傳播。為了實現(xiàn)長距離的光纖通信，必須減小光纖的衰減。C·K·Kao早就指出降低玻璃內(nèi)的過渡金屬雜質(zhì)離子是降低光纖衰減的主要因素。另一方面，玻璃內(nèi)的OH離子對衰減也有嚴(yán)重的影響。到了1976年，人們設(shè)法降低OH含量后發(fā)現(xiàn)衰減的長波長窗口有：1.31μm、1.55μm。1980年，光纖衰減已降低到0.2dB／km(1.55μm)，接近理論值。這樣，使得進(jìn)行長距離的光纖通信成為可能。與此同時，為促進(jìn)光纖通信系統(tǒng)的實用化，人們又及時地開發(fā)出適用于長波長的光源、激光器、發(fā)光管、光檢測器。應(yīng)運而生的光纖成纜。光無源器件和性能測試及工程應(yīng)用儀表等技術(shù)日臻成熟。這都為光纖光纜作為新的通信傳輸媒介奠定了良好的基礎(chǔ)。1976年，美國西屋電氣公司在亞特蘭大成功地進(jìn)行了世界上第一個44.736Mbit／s且傳輸110km的光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場實驗，使光纖通信向?qū)嵱没~出了第一步。1981年以后，用光纖通信技術(shù)大規(guī)模地制成商品并推向市場。歷經(jīng)近20年突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖通信速率由1978年的45Mbit／s提高到目前的40Gbit／s。我國自70年代初就開始了光纖通信技術(shù)的研究。1977年，武漢郵電研究院研制成功中國第一根階躍折射率分布的、波長為0.85μm多模光纖。后來又研制成單模光纖和特殊光纖以及光通信設(shè)備?，F(xiàn)在，我國光纖通信產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，能夠生產(chǎn)光纖光纜、光電器件、光端機(jī)及其他工程應(yīng)用方面的配套儀表器件等。由此可見，中國已具有大力發(fā)展光纖通信的綜合實力。3光纖通信的優(yōu)點(1)頻帶極寬，通信容量大。光纖比銅線或電纜有大得多的傳輸帶寬，光纖通信系統(tǒng)的于光源的調(diào)制特性、調(diào)制方式和光纖的色散特性。對于單波長光纖通信系統(tǒng)，由于終端設(shè)備的電子瓶頸效應(yīng)而不能發(fā)揮光纖帶寬大的優(yōu)勢。通常采用各種復(fù)雜技術(shù)來增加傳輸?shù)娜萘?，特別是現(xiàn)在的密集波分復(fù)用技術(shù)極大地增加了光纖的傳輸容量。目前，單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般在2.5Gbps到10Gbps。(2)損耗低，中繼距離長。目前，商品石英光纖損耗可低于0～20dB/km，這樣的傳輸損耗比其它任何傳輸介質(zhì)的損耗都低；若將來采用非石英系統(tǒng)極低損耗光纖，其理論分析損耗可下降的更低。這意味著通過光纖通信系統(tǒng)可以跨越更大的無中繼距離；對于一個長途傳輸線路，由于中繼站數(shù)目的減少，系統(tǒng)成本和復(fù)雜性可大大降低。(3)抗電磁干擾能力強(qiáng)。光纖原材料是由石英制成的絕緣體材料，不易被腐蝕，而且絕緣性好。與之相聯(lián)系的一個重要特性是光波導(dǎo)對電磁干擾的免疫力，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動的干擾，也不受人為釋放的電磁干擾，還可用它與高壓輸電線平行架設(shè)或與電力導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)成復(fù)合光纜。這一點對于強(qiáng)電領(lǐng)域(如電力傳輸線路和電氣化鐵道)的通信系統(tǒng)特別有利。由于能免除電磁脈沖效應(yīng)，光纖傳輸系還特別適合于軍事應(yīng)用。(4)無串音干擾，保密性好。在電波傳輸?shù)倪^程中，電磁波的泄漏會造成各傳輸通道的串?dāng)_，而容易被竊聽，保密性差。光波在光纖中傳輸，因為光信號被完善地限制在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，而任何泄漏的射線都被環(huán)繞光纖的不透明包皮所吸收，即使在轉(zhuǎn)彎處，漏出的光波也十分微弱，即使光纜內(nèi)光纖總數(shù)很多，相鄰信道也不會出現(xiàn)串音干擾，同時在光纜外面，也無法竊聽到光纖中傳輸?shù)男畔?。除以上特點之外，還有光纖徑細(xì)、重量輕、柔軟、易于鋪設(shè)；光纖的原材料資源豐富，成本低；溫度穩(wěn)定性好、壽命長。由于光纖通信具有以上的獨特優(yōu)點，其不僅可以應(yīng)用在通信的主干線路中，還可以應(yīng)用在電力通信控制系統(tǒng)中，進(jìn)行工業(yè)監(jiān)測、控制，而且在軍事領(lǐng)域的用途也越來越為廣泛。4光纖的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)光原理4.1光纖的結(jié)構(gòu)光纖是傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡稱。其典型結(jié)構(gòu)是多層同軸圓柱體，自內(nèi)向外為纖芯、包層和涂覆層。核心部分是纖芯和包層，其中纖芯由高度透明的材料制成，是光波的主要傳輸通道；包層的折射率略小于纖芯，使光的傳輸性能相對穩(wěn)定。纖芯粗細(xì)、纖芯材料和包層材料的折射率，對光纖的特性起決定性影響。涂覆層包括一次涂覆、緩沖層和二次涂覆，起保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕相機(jī)械的擦傷，同時又增加光纖的柔韌性，起著延長光纖壽命的作用。4.2光纖中的射線光學(xué)理論光波長很短，但相對光纖的幾何尺寸要大得多，因此從射線光學(xué)理論的觀點出發(fā)，研究光纖中的光射線，可以直觀認(rèn)識光在光纖中的傳播機(jī)理和一些必要的概念。下面用射線光學(xué)理論對階躍型及漸變型多模光纖的傳輸特性進(jìn)行分析。射線光學(xué)的基本關(guān)系式是有關(guān)其反射和折射的菲涅耳（Fresnel）定律。首先，我們來看光在分層介質(zhì)中的傳播，如下圖所示。圖中介質(zhì)1的折射率為n1，介質(zhì)2的折射率為n2，設(shè)n1>n2。當(dāng)光線以較小的角入射到介質(zhì)界面時，部分光進(jìn)入介質(zhì)2并產(chǎn)生折射，部分光被反射。它們之間的相對強(qiáng)度取決于兩種介質(zhì)的折射率。由菲涅耳定律可知反射定律（1）折射定律（2）在n1>n2時，逐漸增大，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光線進(jìn)一步趨向界面，直到趨于90°。此時，進(jìn)入介質(zhì)2的光強(qiáng)顯著減小并趨于零，而反射光強(qiáng)接近于入射光強(qiáng)。當(dāng)=90°極限值時，相應(yīng)的角定義為臨界角，由于sin90°=1，所以臨界角當(dāng)>時，入射光線將產(chǎn)生全反射。應(yīng)當(dāng)注意，只有當(dāng)光線從折射率大的介質(zhì)進(jìn)入折射率小的介質(zhì)，即n1>n2時，在界面上才能產(chǎn)生全反射。（3）接下來分析一下全反射，全反射現(xiàn)象是光纖傳輸?shù)幕A(chǔ)。光纖的導(dǎo)光特性基于光射線在纖芯和包層界面上的全反射，使光線限制在纖芯中傳輸。光纖中有兩種光線，即子午光線和斜射光線。子午光線是位于子午面(過光纖軸線的平面)上的光線，而斜射光線是不經(jīng)過光纖軸線傳輸?shù)墓饩€。下圖所示階躍型的光纖，纖芯折射率為n1，包層的折射率為n2，且n1>n2，空氣折射率為n0。在光纖內(nèi)傳輸?shù)淖游绻饩€，簡稱內(nèi)光線，遇到纖芯與包層的分界面的入射角大于時，才能保證光線在纖芯內(nèi)產(chǎn)生多次全反射，使光線沿光纖傳輸。5光纖通信的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢5.1應(yīng)用領(lǐng)域光纖通信的應(yīng)用領(lǐng)域是很廣泛的，主要用于市話中繼線，光纖通信的優(yōu)點在這里可以充分發(fā)揮，逐步取代電纜，得到廣泛應(yīng)用。還用于長途干線通信過去主要靠電纜、微波、衛(wèi)星通信，現(xiàn)以逐步使用光纖通信并形成了占全球優(yōu)勢的比特傳輸方法；用于全球通信網(wǎng)、各國的公共電信網(wǎng)（如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線）；它還用于高質(zhì)量彩色的電視傳輸、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)視和調(diào)度、交通監(jiān)視控制指揮、城鎮(zhèn)有線電視網(wǎng)、共用天線（CATV）系統(tǒng)，用于光纖局域網(wǎng)和其他如在飛機(jī)內(nèi)、飛船內(nèi)、艦艇內(nèi)、礦井下、電力部門、軍事及有腐蝕和有輻射等中使用。光纖傳輸系統(tǒng)主要由：光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)、光纜傳輸線路、光中繼器和各種無源光器件構(gòu)成。要實現(xiàn)通信，基帶信號還必須經(jīng)過電端機(jī)對信號進(jìn)行處理后送到光纖傳輸系統(tǒng)完成通信過程。它適合于光纖模擬通信系統(tǒng)中，而且也適用于光纖數(shù)字通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。在光纖模擬通信系統(tǒng)中，電信號處理是指對基帶信號進(jìn)行放大、預(yù)調(diào)制等處理，而電信號反處理則是發(fā)端處理的逆過程，即解調(diào)、放大等處理。在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，電信號處理是指對基帶信號進(jìn)行放大、取樣、量化，即脈沖編碼調(diào)制（PCM）和線路碼型編碼處理等，而電信號反處理也是發(fā)端的逆過程。對數(shù)據(jù)光纖通信，電信號處理主要包括對信號進(jìn)行放大，和數(shù)字通信系統(tǒng)不同的是它不需要碼型變換。5.2發(fā)展趨勢5.2.1向超高速系統(tǒng)的發(fā)展目前10Gbps系統(tǒng)已開始大批量裝備網(wǎng)絡(luò)，主要在北美，在歐洲、日本和澳大利亞也已開始大量應(yīng)用。但是，10Gbps系統(tǒng)對于光纜極化模色散比較敏感，而已經(jīng)鋪設(shè)的光纜并不一定都能滿足開通和使用10Gbps系統(tǒng)的要求，需要實際測試，驗證合格后才能安裝開通。它的比較現(xiàn)實的出路是轉(zhuǎn)向光的復(fù)用方式。光復(fù)用方式有很多種，但目前只有波分復(fù)用(WDM)方式進(jìn)入了大規(guī)模商用階段，而其它方式尚處于試驗研究階段。5.2.2向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn)采用電的時分復(fù)用系統(tǒng)的擴(kuò)容潛力已盡，然而光纖的200nm可用帶寬資源僅僅利用率低于1％，還有99％的資源尚待發(fā)掘。如果將多個發(fā)送波長適當(dāng)錯開的光源信號同時在一級光纖上傳送，則可大大增加光纖的信息傳輸容量，這就是波分復(fù)用(WDM)的基本思路。基于WDM應(yīng)用的巨大好處及近幾年來技術(shù)上的重大突破和市場的驅(qū)動，波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展十分迅速。目前全球?qū)嶋H鋪設(shè)的WDM系統(tǒng)已超過3000個，而實用化系統(tǒng)的最大容量已達(dá)320Gbps(2×16×10Gbps)，美國朗訊公司已宣布將推出80個波長的WDM系統(tǒng)，其總?cè)萘靠蛇_(dá)200Gbps(80×2.5Gbps)或400Gbps(40×10Gbps)。實驗室的最高水平則已達(dá)到2.6Tbps(13×20Gbps)。預(yù)計不久的將來，實用化系統(tǒng)的容量即可達(dá)到1Tbps的水平。[來源:5.2.3實現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)上述實用化的波分復(fù)用系統(tǒng)技術(shù)盡管具有巨大的傳輸容量，但基本上是以點到點通信為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，其靈活性和可靠性還不夠理想。如果在光路上也能實現(xiàn)類似SDH在電路上的分插功能和交叉連接功能的話，無疑將增加新一層的威力。根據(jù)這一基本思路，光聯(lián)網(wǎng)既可以實現(xiàn)超大容量光網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、重構(gòu)性、透明性，又允許網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)和業(yè)務(wù)量的不斷增長、互連任何系統(tǒng)和不同制式的信號。由于光聯(lián)網(wǎng)具有潛在的巨大優(yōu)勢，美歐日等發(fā)達(dá)國家投入了大量的人力、物力和財力進(jìn)行預(yù)研，特別是美國國防部預(yù)研局(DARPA)資助了一系列光聯(lián)網(wǎng)項目。光聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為繼SDH電聯(lián)網(wǎng)以后的又一新的光通信發(fā)展高潮。建設(shè)一個最大透明的、高度靈活的和超大容量的國家骨干光網(wǎng)絡(luò)，不僅可以為未來的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施(NJJ)奠定一個堅實的物理基礎(chǔ)，而且也對我國下一世紀(jì)的信息產(chǎn)業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的騰飛以及國家的安全有極其重要的戰(zhàn)略意義。5.2.4開發(fā)新代的光纖傳統(tǒng)的G.652單模光纖在適應(yīng)上述超高速長距離傳送網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要方面已暴露出力不從心的態(tài)勢，開發(fā)新型光纖已成為開發(fā)下一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。目前，為了適應(yīng)干線網(wǎng)和城域網(wǎng)的不同發(fā)展需要，已出現(xiàn)了兩種不同的新型光纖，即非零色散光(G.655光纖)和無水吸收峰光纖(全波光纖)。其中，全波光纖將是以后開發(fā)的重點，也是現(xiàn)在研究的熱點。從長遠(yuǎn)來看，BPON技術(shù)無可爭議地將是未來寬帶接入技術(shù)的發(fā)展方向，但從當(dāng)前技術(shù)發(fā)展、成本及應(yīng)用需求的實際狀況看，它距離實現(xiàn)廣泛應(yīng)用于電信接入網(wǎng)絡(luò)這一最終目標(biāo)還會有一個較長的發(fā)展過程。對光纖通信而言，超高速度、超大容量、超長距離一直都是人們追求的目標(biāo)，光纖到戶和全光網(wǎng)絡(luò)也是人們追求的夢想。5.2.5全光網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了節(jié)點間的全光化，但在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點處仍用電器件，限制了目前通信網(wǎng)干線總?cè)萘康奶岣?，因此真正的全光網(wǎng)絡(luò)成為非常重要的課題。全光網(wǎng)絡(luò)以光節(jié)點代替電節(jié)點，節(jié)點之間也是全光化，信息始終以光的形式進(jìn)行傳輸與交換，交換機(jī)對用戶信息的處理不再按比特進(jìn)行，而是根據(jù)其波長來決定路由。全光網(wǎng)絡(luò)具有良好的透明性、開放性、兼容性、可靠性、可擴(kuò)展性，并能提供巨大的帶寬、超大容量、極高的處理速度、較低的誤碼率，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)非常靈活，可以隨時增加新節(jié)點而不必安裝信號的交換和處理設(shè)備。當(dāng)然全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展并不可能獨立于眾多通信技術(shù)，它必須要與因特網(wǎng)、ATM網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等相融合。目前全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展仍處于初期階段，但已顯示出良好的發(fā)展前景。從發(fā)展趨勢上看，形成一個真正的、以WDM技術(shù)與光交換技術(shù)為主的光網(wǎng)絡(luò)層，建立純粹的全光網(wǎng)絡(luò)，消