浅谈光纤通信技术

-15-目录前言 -1-一、光纤通信技术的概述 -1-二、光纤通信技术的发展现状 -1-2.1波分复用技术 -2-2.2光纤接入技术 -3-2.3宽带放大器技术 -4-2.4色散补偿技术 -5-2.5孤子WDM传输技术 -5-三、光纤通信技术的特征 -6-四、光纤通信技术的应用 -7-4.1光纤通信技术中光纤应用的现状 -8-4.1.1普通单模光纤 -8-4.1.2高强度耐弯单模光纤 -8-4.1.3无水峰光纤 -9-4.1.4大有效面积光纤 -10-五、光纤通信技术的的发展趋势及展望 -10-5.1向超高速系统的发展 -10-5.2向超大容量WDM系统的演进 -11-5.3实现光联网 -11-5.4新一代的光纤 -12-5.5光接入网 -12-5.6IPoverSDH与IpoverOptical -13-5.7无源宽带光接入网技术的发展 -13-六、总结 -13-前言1966年，美籍华人高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表论文，预见了低损耗的光纤能够用于通信，敲开了光纤通信的大门，引起了人们的重视。1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/km的光纤，光纤通信时代由此开始。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。由于光纤通信具有损耗低、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。光纤通信系统的传输容量从1980年到2000年增加了近1万倍，传输速度在过去的10年中大约提高了100倍。一、光纤通信技术的概述光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。光纤通信之所以发展迅猛，主要缘于它具有以下优点:1)通信容量大、传输距离远；2)信号串扰小、保密性能好；3)抗电磁干扰、传输质量佳；4)光纤尺寸小、重量轻，便于敷设和运输；5)材料来源丰富，环境保护好；6)无辐射，难于窃听；7)光缆适应性强，寿命长。二、光纤通信技术的发展现状为了适应网络发展和传输流量提高的需求，传输系统供应商都在技术开发上不懈努力。富士通公司在150km、1.3μm零色散光纤上进行了55x20Gbit/s传输的研究，实现了1.1Tbit/s的传输。NEC公司进行了132x20Gbit/s、120km传输的研究，实现了2.64Thit/s的传输。NTT公司实现了3Thit/s的传输。目前，以日本为代表的发达国家，在光纤传输方面实现了10.96Thit/s(274xGbit/s)的实验系统，对超长距离的传输已达到4000km无电中继的技术水平。在光网络方面，光网技术合作计划(ONTC)、多波长光网络(MONET)、泛欧光子传送重叠网(PHOTON)、泛欧光网络(OPEN)、光通信网管理(MOON)、光城域通信网(MTON)、波长捷变光传送和接入网(WOTAN)等一系列研究项目的相继启动、实施与完成，为下一代宽带信息网络，尤其为承载未来IP业务的下一代光通信网络奠定了良好的基础。2.1波分复用技术波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)技术可以充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源。根据每一信道光波的频率(或波长)不同，将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器(合波器)，将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。自从上个世纪末，波分复用技术出现以来，由于它能极大地提高光纤传输系统的传输容量，迅速得到了广泛的应用。1995年以来，为了解决超大容量、超高速率和超长中继距离传输问题，密集波分复用DWDM(DensWavelengthDivisionMulti-plexing)技术成为国际上的主要研究对象。DWDM光纤通信系统极大地增加了每对光纤的传输容量，经济有效地解决了通信网的瓶颈问题。据统计，截止到2002年，商用的DWDM系统传输容量已达400Gbit/s，以10Gbit/s为基础的DWDM系统已逐渐成为核心网的主流。DWDM系统除了波长数和传输容量不断增加外，光传输距离也从600km左右大幅度扩展到2000km以上。与此同时，随着波分复用技术从长途网向城域网扩展，粗波分复用（CWDM）技术应运而生。CWDM的信道间隔一般为20nm，通过降低对波长的窗口要求而实现全波长范围内(1260nm～1620nm)的波分复用，并大大降低光器件的成本，可实现在0km～80km内较高的性能价格比，因而受到运营商的欢迎。波分复用系统的原理与实现如图1：2.2光纤接入技术光纤接入网是信息高速公路的“最后一公里”。实现信息传输的高速化，满足大众的需求，不仅要有宽带的主干传输网络，更关键的是用户接入部分，光纤接入网是高速信息流进千家万户的关键技术。在光纤宽带接入中，由于光纤到达位置的不同，有FTTB、FTTC、FTTCab和FTTH等不同的应用，统称FTTx。FTTH(光纤到户)是光纤宽带接入的最终方式，它提供全光的接入，因此，可以充分利用光纤的宽带特性，为用户提供所需要的不受限制的带宽，充分满足宽带接入的需求。我国迄今已经在30多个城市建立了试验网和试商用网，包括居民用户、企业用户、网吧等多种应用类型，也包括运营商主导、驻地网运营商主导、企业主导、房地产开发商主导和政府主导等多种模式，发展势头良好。不少城市制订了FTTH的技术标准和建设标准，有的城市还制订了相应的优惠政策，这些都为FTTH在我国的发展创造了良好的条件。在FTTH应用中，主要采用两种技术，即点到点的P2P技术和点到多点的xPON技术，亦可称为光纤有源接入技术和光纤无源接入技术。P2P技术主要采用通常所说的MC(媒介转换器)实现用户和局端的直接连接，它可以为用户提供高带宽的接入。目前，国内的技术可以为用户提供FE或GE的带宽，对大中型企业用户来说，是比较理想的接入方式。2.3宽带放大器技术掺饵光纤放大器(EDFA)是WDM技术实用化的关键，它具有对偏振不敏感、无串扰、噪声接近量子噪声极限等优点。但是普通的EDFA放大带宽较窄，约有35nm(1530～1565nm)，这就限制了能容纳的波长信道数。进一步提高传输容量、增大光放大器带宽的方法有：(1)掺饵氟化物光纤放大器(EDFFA)，它可实现75nm的放大带宽；(2)碲化物光纤放大器，它可实现76nm的放大带宽；(3)控制掺饵光纤放大器与普通的EDFA组合起来，可放大带宽约80nm；(4)拉曼光纤放大器(RFA)，它可在任何波长处提供增益，将拉曼放大器与EDFA结合起来，可放大带宽大于100nm。2.4色散补偿技术对高速信道来说，在1550nm波段约18ps(mmokm)的色散将导致脉冲展宽而引起误码，限制高速信号长距离传输。对采用常规光纤的10Gbit/s系统来说，色散限制仅仅为50km。因此，长距离传输中必须采用色散补偿技术。2.5孤子WDM传输技术超大容量传输系统中，色散是限制传输距离和容量的一个主要因素。在高速光纤通信系统中，使用孤子传输技术的好处是可以利用光纤本身的非线性来平衡光纤的色散，因而可以显着增加无中继传输距离。孤子还有抗干扰能力强、能抑制极化模色散等优点。色散管理和孤子技术的结合，凸出了以往孤子只在长距离传输上具有的优势，继而向高速、宽带、长距离方向发展。三、光纤通信技术的特征(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，光纤通信系统的于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。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。目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般在2.5Gbps到1OGbps。(2)损耗低，中继距离长。目前，商品石英光纤损耗可低于0～20dB/km，这样的传输损耗比其它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的更低。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。(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。与之相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，光纤传输系还特别适合于军事应用。(4)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皮所吸收，即使在转弯处，漏出的光波也十分微弱，即使光缆内光纤总数很多，相邻信道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。除以上特点之外，还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设；光纤的原材料资源丰富，成本低；温度稳定性好、寿命长。由于光纤通信具有以上的独特优点，其不仅可以应用在通信的主干线路中，还可以应用在电力通信控制系统中，进行工业监测、控制，而且在军事领域的用途也越来越为广泛。四、光纤通信技术的应用中国从20世纪70年代中期开始光纤光缆的研究，几乎与国外同时起步，并在1977初研制出第一根石英光纤。近年来在我国大规模通信建设需求的带动下，我国的光纤光缆产业发展迅速，已经形成了从光纤预制棒到光缆产品完整的产业链。我国光纤光缆企业的生产和技术实力也迅速发展壮大，产品开发能力和技术创新能力进一步提高。中国已成为世界第二大光纤光缆国，各方面都达到世界先进水平。2009年1-11月，我国光纤、光缆制造行业实现累计产品销售收入44，529，731，000元，比上年同期增长了28.86%；实现累计利润总额3，270，894，000元，比上年同期增长了53.71%。2010年1-5月，我国光纤、光缆制造行业实现累计产品销售收入20，980，722，000元，比上年同期增长了28.87%；实现累计利润总额1，297，711，000元，比上年同期增长了31.58%。4.1光纤通信技术中光纤应用的现状4.1.1普通单模光纤传统的普通单模光纤(G.652光纤)在1310nm波长窗口色散为0，但是损耗较大(0.35dB/km)，在1550nm波长窗口损耗小(0.2dB/km)，但是色散较大(20ps/nm•km)。为了利用光纤的1550nm长窗口的低损耗特性和成熟的光放大技术(EDFA)，而又想具有低色散，可以对光纤的结构进行设计，从而使零色散波长产生位移，设计出了色散位移光纤，即G.653光纤。G.653光纤在1550nm波长窗口的低损耗和低色散特性非常适合光纤孤子通信的需要，在高速光纤孤子通信系统中得到了大量应用，但是它1550rim处的色散为零，在进行WDM时会产生严重的FWM效应，不适应波分复用系统的需要。4.1.2高强度耐弯单模光纤在光通信领域中，高强度耐弯单模光纤是企业最具竞争力的一种光纤，主要是因为在光纤网建设重点由骨干网向城域网、用户接入网发展，高强度耐弯单模光纤主导的全业务接入网正在成为光缆市场的主要拉动力，其中最具代表性的就是正在迅速发展的FTTH网络，高强度耐弯单模光纤特点就是光纤可以沿着建筑拐角施工，从而降低网络布线的成本。4.1.3无水峰光纤与传统的单模光纤相比，无水峰光纤具有下列优势：其一，在全部可用波长范围内比常规光纤增加了约一半，可复用的波长数大大增加，可实现超大容量传输；其二，可用波长范围大大扩展后，可以采用稀疏波分复用(CWDM)方案，使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的元件，使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降；其三，1350～1450nm波长窗口的光纤色散仅为1550nm波长区的一半，容易实现高比特率长距离传输。4.1.4大有效面积光纤超高速系统的主要性能限制是色散和非线性。通常线性色散可以用色散补偿的方法来消除，而非线性的影响却不能用简单的线性补偿的方法来消除，光纤的有效面积是决定光纤非线性的主要因素。为了适应超大容量长距离密集波分复用系统的应用，大有效面积光纤已经问世。在c波段，由大有效面积光纤构成的以10Gbit/s为基础的高密集WDM系统信噪比较高，误码率较低，光放大器的间隔较长，因而得到了广泛的应用。五、光纤通信技术的的发展趋势及展望随着信息社会的到来，信息共享、有线电视、电视点播、电视会议、家庭办公、计算机互联网等应运而生，迫使光纤通信向高速化、大容量发展。目前，我国的光纤通信系统正朝着超高速、超长传输距离、超大容量以及全光网的方向发展。5.1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下降30%～40%，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。目前商用系统已从45Mbps增加到10Gbps,其速率在20年时间里增加了20O0倍,比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多。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。目前10Gbps系统已开始大批量装备网络,全世界安装的终端和中继器已超过5000个,主要在北美,在欧洲、日本和澳大利亚也已开始大量应用。5.2向超大容量WDM系统的演进采用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。采用波分复用系统的主要好处是:1)可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使容量可以迅速扩大几倍至上百倍；2)在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，从而大大降低了传输成本；3)与信号速率及电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段；4)利用WDM网络实现网络交换和恢复可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。鉴于上述应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动，波分复用系统发展十分迅速。5.3实现光联网以点到点通信为基础的系统的波分复用系统技术，具有巨大的传输容量，但灵活性和可靠性还不够理想。在光路上实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能光的分插复用器(OADM)和光的交叉连接设备(OXC)做了很好的改进。实现光联网的基本目的是:1)实现超大容量光网络；2)实现网络扩展性，允许网络的节点数和业务量的不断增长；3)实现网络可重构性，达到灵活重组网络的目的；4)实现网络的透明性，允许互连任何系统和不同制式的信号；5)实现快速网络恢复，恢复时间可达100ms。鉴于光联网具有上述潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研，光联网已经成为继SDH电联网以后的又一新的光通信发展高潮。5.4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。目前，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了两种不同的新型光纤，即非零色散光纤(G.655光纤)和无水吸收峰光纤(全波光纤)。5.5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。接入网中采用光接入网的主要目的是：减少维护管理费用和故障率；开发新设备，增加新收入；配合本地网络结构的调整，减少节点，扩大覆盖；充分利用光纤化所带来的一系列好处；建设透明光网络，迎接多媒体时代。5.6IPoverSDH与IpoverOptical以lP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而能否有效地支持JP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志。目前，ATM和SDH均能支持lP，分别称为IPoverATM和IPoverSDH两者