光纤通信原理
重庆邮电大学研究生堂下考试答卷
2011-2012学年第 一 学期
考试科目 光纤通信原理
姓 名
学 号 年 级 11 级
专 业 通信与信息系统
电 话
2011年 12 月 20 日
通信光纤研究进展及趋势
摘要:光缆通信在我国已有20多年的使用历史,这段历史也就是光通信技术的发展史和光纤光缆的发展史。光纤通信因其具有的损耗低、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。目前,光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域,包括邮电通信、广播通信、电力通信、石油通信和军用通信等领域。本文主要综述我国光纤通信研究现状及其发展。光纤通信一直是推动整个通信网络发展的基本动力之一,是现代电信网络的基础。 关键词:光纤通信 发展历史 现状 趋势
Progress and Trends in Fiber Optic Communication
Abstract: Cable Communications has been used more than a history of 20 years in China, this history is the history of development of optical communication technology and the optical fiber cable history. Because of low transmission frequency bandwidth, large capacity, small size, light weight, anti-electromagnetic interference, crosstalk, and so on, so optical fiber communication is treated as the most popular style of communication,and it develops very fast. Currently, fiber optic cable has been wired into all areas of communications, including telecommunications, radio communication, power communication, oil communications, and military communications. This paper reviews the status quo of China's optical communications research and development. Optical fiber communication has been one of the promotion which push the development of the entire communication networks, and it is the foundation of modern telecommunications networks. Key words: Optical fiber communication History of development Status quo Trends
传输容量需求的增加继续驱动传输技术领域
0 引言 的进步,随着密集波分复用(DWDM)技术、光纤放 大技术,包括掺铒光纤放大器(EDFA)、分布喇曼
目前,在实际运用中相当有前途的一种通信技光纤放大器(DRFA)、半导体放大器(SOA)和光时术之一,即光纤通信技术已成为现代化通信非常重分复用(OTDM)技术的发展和广泛应用,光纤通信要的支柱。作为全球新一代信息技术革命的重要标技术不断向着更高速率、更大容量的通信系统发志之一,光纤通信技术已经变为当今信息社会中各展,并且逐步向全光网络演进。 种多样且复杂的信息的主要传输媒介,并深刻的、 广泛的改变了信息网架构的整体面貌,以现代信息
1 光纤通信技术的发展历史 社会最坚实的通信基础的身份,向世人展现了其无
限美好的发展前景。
自上世纪光纤通信技术在全球问世以来,整个近十几年来,光纤通信技术有了长足的进展,的信息通讯领域发生了本质的、革命性的变革,光其中的新技术也不断被发掘,大大提高了传统意义纤通信技术以光波作为信息传输的载体,以光纤硬上的通信能力,这使得光纤通信技术在更大的范围件作为信息传输媒介,因为信息传输频带比较宽,内得到了应用。 所以它的主要特点是:通信达到了高速率和大容 光纤通信技术是指把光波作为信息传输的载量,且损耗低、体积小、重量轻,还有抗电磁干扰波,以光纤作为信息传输的媒介,将信息进行点对和不易串音等一系列优点,从而备受通信领域专业点发送的现代通信方式。光纤通信技术的诞生及深人士青睐,发展也异常迅猛。 入发展是信息通信史上一次重要的改革。光纤通信
技术从理论提出到工程领域的技术实现,再到今天高速光纤通信的实现,前后经历了几十年的时间。
上世纪六十年代开始的光纤通信技术最开始起源于国外,当时研制的光纤损耗高达400分贝/千米,后来,英国标准电信研究所提出,在理论上光纤损耗能够降低到20分贝/千米,然后,日本紧接着研制出通信光纤的损耗是100分贝/千米,康宁公司基于粉末法研制出了损耗在20分贝/千米以下的石英光纤,到最近的掺锗石英光纤的损耗降低至0. 2分贝/千米,已经接近了石英光纤理论上提出的损耗极限。
由以上光纤通信技术的发展历程,可以把光纤通信技术分为大致五个阶段,即850纳米波段的多模光波,到1310纳米多模光纤,到1310纳米单模光纤,再到1550纳米单模光纤,最后是长距离进行传输的光纤通信技术。
通信用传输光纤的进步从降低损耗和降低色散开始,不断减少线性效应和非线性效应影响,提升和改进产品质量。20世纪70年代末到80年代初,普通单模光纤(ITU-T G.652)研制成功;1983年,普通单模光纤商用化,色散位移单模光纤(ITU-T G.653)研制出来;1985年以后,色散位移单模光纤商用化,大量用于长距离、大容量的通信干线系统。为了适应新一代使用掺铒光纤放大器(EDFA)和密集波分复用(DWDM)通信系统的需要。1993年以后,先后研制出了色散补偿光纤和非零色散位移单模光纤(ITU-T G.655),并很快投入商业使用。1995年前后;开拓了1565~1625nm的L带,称为第四窗口。1998年,朗讯公司推出了全波光纤(All Wave Fiber),该光纤几乎完全消除了OH离子吸收峰,打开了1360~1460nm的第五窗口。1999年以后,又陆续推出了许多新型光纤品种。
自20世纪90年代中期以来,多模光纤研究与开发进入了一个新阶段。由于计算机信息处理容量的增加和因特网的迅速发展,使信息速率呈指数增长趋势。在北美、西欧等发达国家,以前建立的几十、几百Mbps的数据LAN系统已经落伍,向Gbps(千兆比特/秒)以上的超高速率发展。IEEE于1998年6月通过了IEEE 802.3zGigabit以太网标准。1999年2月,国际上有关标准化组织开始考虑10Gbps以太网标准(IEE 802.3ae),该标准已于2002年上半年出台。技术的进步,促进了多模光纤的发展,必须提高原来光纤的性能,开发新一代多模光纤(NGMMF),以满足Gigabit以太网应用(1~10G)的需要。
2 光纤通信技术的现状
2.1 光纤通信技术中的波分复用技术
即WDM,充分利用了单模光纤低损耗区的优势,获得了大的带宽资源。波分复用技术基于每一信道光波的频率和波长不同等情况出发,把光纤的低损耗窗口规划为许多个单独的通信管道,并在发送端设置了波分复用器,将波长不同的信号集合到一起送入单根光纤中,再进行信息的传输,而接收端的波分复用器把这些承载着多种不同信号的、波长不同的光载波再进行分离。
2.2 光纤通信技术中的光纤接入技术
光纤接入网技术是信息传输技术的一个崭新的尝试,它实现了普遍意义上的高速化信息传输,满足了广大民众对信息传输速度的要求,主要由宽带的主干传输网络和用户接入两部分组成。其中后者起着更为关键的作用,即FTTH(光纤到户),作为光纤宽带接入的最后环节,负责完成全光接入的重要任务,基于光纤宽带的相关特性,为通信接收端的用户提供了所需的不受限制的带宽资源。 2.3 光孤子通信系统
在常规的线性光纤通信系统中,光纤损耗和色散是限制其传输容量和距离的主要因素。由于光纤制作工艺的不断提高,光纤损耗已接近理论极限,因此光纤色散已成为实现超大容量、超长距离光纤通信的“瓶颈”,亟待解决。人们用了一百多年的时间来探讨,发现由光纤非线性效应所产生的光孤子可以抵消光纤色散的作用,利用光孤子进行通信,可以很好解决这个问题,从而形成了新一代光纤通信系统,也是21世纪最有发展前途的通信方式。
任何事物都是在发展中前进,光通信在超长距离、超大容量发展进程中,遇到了光纤损耗和色散的问题,限制了其发展的空间。科学家和业内人士受自然界的启发,发现了特殊的光孤子波,人们设想在光纤中波形、幅度、速度不变的波就是光孤子波。利用光孤子传输信息的新一代光纤通信系统,
真正做到全光通信,无需光、电转换,可在超长距离、超大容量传输中大显身手,是光通信技术上的一场革命。
3 光纤通信技术的发展趋势
3.1 光接入网通信技术的更进一步发展
现存技术上的接入网依旧是双绞线铜线的连接,仍然是原始的、落后的模拟系统,而网络中的光接入技术的应用使其成为了全数字化的,且高度集成的智能化网络。
光接入网通信技术所要达到的主要目标有:最大程度的使维护费用得到降低,故障率得到明显下降;可以用于新设备的开发和新收入的不断增加;与本地网络相结合,达到减少节点数目和扩大覆盖面范围的目的;通过光网络的建立,为多媒体时代的到来做好准备;另外,可以最大化的利用光纤本身的一些优势特点。
3.2 光纤通信技术中光传输与交换技术的融合 基于上述光接入网通讯技术的成熟发展,网络的核心架构己经得到了翻天覆地的改变,并正在日新月异的变化发展着,在交换和传输两方面来讲也都早已进行了好几代的更新。光接入网技术和光输与交换技术的融合技术,前者较后者在技术应用上有了一些技术上改进,从而也就提高了全网的往前的进一步有效发展,但此项技术相对来讲仍不成熟。
3.3 单模光纤发展趋势
随着更大传输容量的需求和DWDM的继续发展,要求光纤工作在更宽的频率范围,从C波段发展到L波段和S波段;消除1383nm衰减水峰,从O波段扩展到E波段,实现全波段传输。为了适应这种情况,ITU-T对石英玻璃单模光纤的工作波长范围作出了定义。长距离DWDM用的光纤还应具有适宜的色散值、合适色散符号和小的色散斜率,适宜大的有效面积,很低的PMD值和衰减值,并通过不同光纤配置实现色散管理、减少线性影响和非线性损伤、最佳噪声特性等来达到超长距离、超大容量传
输。喇曼光纤放大器(EDFA)的出现和推广应用,进一步改善了光信噪比(OSNR)和扩展了光纤放大器之间的距离,喇曼放大要求设计出在泵埔波段低衰减光纤,以得到高的喇曼效率。
与长途网相比,城域网面临更加复杂多变的业务环境,直接支持大用户,需要服务的人口众多、密集,网络节点分布集中,信息量大,业务密度高,网络的物理半径(相对长途而言)较小,即通信距高较短,地下管道拥挤,网络动态变化幅度大,需要频繁的业务量疏导和带宽管理能力。因此,提高网络运行效率、降低建设成本和运行费用十分关键。采用密集波分复用(DWDM)技术是一个很有前途的解决方案。而城域网用光纤类型的选择是运营商和网络设计者应慎重考虑的问题。为了克服信道间隔不能无限变窄对于扩大系统容量的限制,利用具有更宽工作波长范围的单模光纤自然更理想。已经开发了低水峰单模光纤,也称全波光纤,这种新型光纤属于ITU-T G.652C类型,它在C、L波段的色散太大,不是理想光纤。康宁、阿尔卡特、住友均推出了城域网用非零色散位移光纤,但是,这些光纤不适于包括在S波段的传输,人们又在开发S-C-L三波段传输的城域网用新型光纤。 3.4 多模光纤发展趋势
本地网络(LAN)中,包括校园网络,采用的都是多模光纤。常用的多模光纤中主要有Ala类50/125μm和Alb类62.5/125μm两种类型。对本地网络,在发展吉比特(Gigabit)以太网(Ethernet)标准以前,没有更多安装那种多模光纤的讨论。由于62.5/125μm光纤芯径大、数值孔径大,具有较强的集光能力,是最普遍的多模选择。62.5/125μm光纤一直主宰多模光纤市场。其中,北美应用的62.5/125μm光纤最多,而日本、西欧则较多地采用50/125μm光纤。由于62.5/125μm光纤固有的性质,在850nm的模式带宽小于200MHz·km,使用上受到限制。目前的这两种多模光纤都能提供支持如以太网(Ethernet)、令牌环(Token Ring)和FDDI协议在标准规定的距离内所需的带宽,其性能已被过去十几年的应用所证明,二者具有同样的包层直径和机械性能,在1300nm能提供类似的带宽,二者都能升级到Gigabit的速率,标准组织接受了这两种光纤。当速率提高时,就存在使用那种光纤好的问题。62.5μm与50μm多模光纤有那些差别,那种光纤更适合于用户使用,选择光纤时
应考虑那些因素。答案是:具体情况具体分析。一方面,主要取决于网络的要求,即该网络在今后几年将需要支持那些应用和需要多长的链路长度;另一方面,也取决于是安装新线路,还是老线路升级。
目前,全世界各国都正在积极研究开发全光网络产品,其中关键产品便是光变换技术的产品。目前市场上的光交换机大多数是光电和光机械的,随着光交换技术的发展和成熟,基于热学、液晶、声一些短程光纤通信应用部门也在考虑应用多模光纤的10Gbps系统标准。这种超高速率LAN系统,必须采用激光器做光源,并配用高性能多模光纤和其它新技术。其目标之一。就是建立采用多模光纤的850nm波长串行速率10Gbps传输300m的系统标准。于是,美国康宁、朗讯等公司联合向各个标准体提出了新一代多模光纤,国际上开始了关于新一代多模光纤的研究与开发,包括标准研究(技术规范、测量程序)。新一代多模光纤是针对激光器为光源的情况优化的多模光纤,也称新型50μm多模光纤。 3.5 新一代的光纤
传统意义上的G. 652单模光纤已经在长距离且超高速的传送网络发展中表现出了力不从心的缺点,新一代光纤的研发己成为当今务实之需,它也构成了新一代网络基础设施建设工作的一个重要组成部分。在目前普遍需求的干线网和城域网的背景下,基于不同的发展需要,己经发展出了两种新一代光纤一非零色散光纤和全波光纤。 3.6 高速全光网光交换
光交换是指光纤传送的光信号直接进行交换。长期以来,实现高速全光网一直受交换问题的困扰。因为传统的交换技术需要将数据转换成电信号才能进行交换,然后再转换成光信号进行传输,这些光电转换设备体积过于庞大,并且价格昂贵。而光交换完全克服了这些问题。因此,光交换技术必然是未来通信网交换技术的发展方向。
未来通信网络将是全光网络平台,网络的优化、路由、保护和自愈功能在未来光通信领域越来越重要。光交换技术能够保证网络的可靠性,并能提供灵活的信号路由平台,光交换技术还可以克服纯电子交换形成的容量瓶颈,省去光电转换的笨重庞大的设备,进而大大节省建网和网络升级的成本。若采用全光网技术,将使网络的运行费用节省70%,设备费用节省90%。所以说光交换技术代表着人们对光通信技术发展的一种希望。
学、微机电技术的光交换机将会研究和开发出来,其中以将纳米技术为基础的微电子机械系统MEMS应用于光交换产品的开发更会加速光交换技术的发展。
3.7 超高速系统
从过去2O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。我国也将在近期开始现场试验。需要注意的是,10Gbps系统对于光缆极化模色散比较敏感,而已经敷设的光缆并不一定都能满足开通和使用10Gbps系统的要求,需要实际测试,验证合格后才能安装开通。在理论上,上述基于时分复用的高速系统的速率还有望进一步提高,例如在实验室传输速率已能达到4OGbps,采用色度色散和极化模色散补偿以及伪三进制(即双二进制)编码后已能传输100km。然而,采用电的时分复用来提高传输容量的作法已经接近硅和镓砷技术的极限,没有太多潜力可挖了,此外,电的40Gbps系统在性能价格比及在实用中是否能成功还是个未知因素,因而更现实的出路是转向光的复用方式。 3.8 超大容量WDM系统
如前所述,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。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,势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局,也将对下一世纪的社会经济发展产生巨大影响。
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。
3.9 光纤到家庭(FTTH)
FTTH可向用户提供极丰富的带宽,所以一直被认为是理想的接入方式,对于实现信息社会有重要作用,还需要大规模推广和建设。FTTH所需要的光纤可能是现有已敷光纤的2~3倍。过去由于FTTH成本高,缺少宽带视频业务和宽带内容等原因,使FTTH还未能提到日程上来,只有少量的试验。近来,由于光电子器件的进步,光收发模块和光纤的价格大大降低;加上宽带内容有所缓解,都加速了FTTH的实用化进程。
4、结束语
光纤通信技术现已作为一种重要的现代信息传输技术之一,在现在的信息社会背景下得到了普遍意义上的应用,在全球通信领域及相关行业在全球处于非常低迷的状态时,光纤通信技术仍得到了一些发展。依照我国现行的通信技术领域的发展模式,光纤通信技术的应用必会代替一切其他的信息传送方式,而成为未来通信领域发展的主流技术,带领人类进入全光时代!
光通信技术作为信息技术的重要支撑平台,在未来信息社会中将起到重要作用。虽然经历了全球光通信的“冬天”但今后光通信市场仍然将呈现上升趋势。从现代通信的发展趋势来看,光纤通信也将成为未来通信发展的主流。人们期望的真正的全光网络的时代也会在不远的将来如愿到来。
从上述涉及光纤通信的几个方面的发展现状与趋势来看,完全有理由认为光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新高潮。而这一次发展高潮涉及的范围更广,技术更新更难,影响力和影响面也更宽,
参考文献 :
[1] 辛化梅,李忠.论光纤通信技术的现状及发展[J].山东师范大学学报(自然科学版) ,2003,(04). [2] 毛谦.我国光纤通信技术发展的现状和前景[J].电信科学,2006,(8)
[3] 杨祥林 《光纤通信系统》 国防工业出版社 [4] 孙学康 张新菊《光纤通信技术 第二版》 人民邮电出版社
[5] 胡先志 余少华 《光纤通信基本理论及技术》 华中科技大学出版社
[6] Fiber-optic communication systems GP Agrawal, GP Agrawal - 1997
[7] A receiver model for optical fiber communication systems with arbitrarily polarized noise IT Lima Jr, AO Lima, Y Sun, H Jiao- Journal of Lightwave 2005 [8] Nonlinear loop mirror-based all-optical signal processing in fiber-optic communications S Boscolo, SK Turitsyn- Optical Fiber Technology, 2008 [9] Capacity limits of fiber-optic communication systems RJ Essiambre, G Foschini, P Winzer. Fiber Communication , 2009
[10] Siemen's claim to a fiber optic line that can not be tapped. Retrieved 18 Dec 2009