光纖通信原理和應用及其發展趨勢分析研究 通信工程專業

光纖通信原理和應用及其發展趨勢摘要：簡述光纖通信的發展歷史及其優點，介紹了光纖的結構與導光原理、光纖通信在各個方面的應用以及其發展趨勢。關鍵詞：光纖通信優點原理應用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（opticalfibercommunications）從光通信中脫穎而出，已成為現代通信的主要支柱之一，在現代電信網中起著舉足輕重的作用。光導纖維通信就是利用光導纖維傳輸信號，以實現信息傳遞的一種通信方式?？梢园压饫w通信看成是以光導纖維為傳輸媒介的“有線”光通信。光纖通信作為一門新興技術，在近30年來迅猛發展，給世界通信技術乃至國民經濟、國防事業和人民生活帶來了巨大變革。2發展歷史1966年，英籍華人高錕(C·K·Kao)預見利用玻璃可以制成衰減為20dB／km的通信光導纖維(簡稱光纖)。當時，世界上最優秀的光學玻璃衰減達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，光纖就進入了實用化的發展階段，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光在光纖內沿直線或彎曲的途徑傳播。為了實現長距離的光纖通信，必須減小光纖的衰減。C·K·Kao早就指出降低玻璃內的過渡金屬雜質離子是降低光纖衰減的主要因素。另一方面，玻璃內的OH離子對衰減也有嚴重的影響。到了1976年，人們設法降低OH含量后發現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，使得進行長距離的光纖通信成為可能。與此同時，為促進光纖通信系統的實用化，人們又及時地開發出適用于長波長的光源、激光器、發光管、光檢測器。應運而生的光纖成纜。光無源器件和性能測試及工程應用儀表等技術日臻成熟。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。1976年，美國西屋電氣公司在亞特蘭大成功地進行了世界上第一個44.736Mbit／s且傳輸110km的光纖通信系統的現場實驗，使光纖通信向實用化邁出了第一步。1981年以后，用光纖通信技術大規模地制成商品并推向市場。歷經近20年突飛猛進的發展，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備?，F在，我國光纖通信產業已初具規模，能夠生產光纖光纜、光電器件、光端機及其他工程應用方面的配套儀表器件等。由此可見，中國已具有大力發展光纖通信的綜合實力。3光纖通信的優點(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，光纖通信系統的于光源的調制特性、調制方式和光纖的色散特性。對于單波長光纖通信系統，由于終端設備的電子瓶頸效應而不能發揮光纖帶寬大的優勢。通常采用各種復雜技術來增加傳輸的容量，特別是現在的密集波分復用技術極大地增加了光纖的傳輸容量。目前，單波長光纖通信系統的傳輸速率一般在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的損耗都低；若將來采用非石英系統極低損耗光纖，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，由于中繼站數目的減少，系統成本和復雜性可大大降低。(3)抗電磁干擾能力強。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。與之相聯系的一個重要特性是光波導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或與電力導體復合構成復合光纜。這一點對于強電領域(如電力傳輸線路和電氣化鐵道)的通信系統特別有利。由于能免除電磁脈沖效應，光纖傳輸系還特別適合于軍事應用。(4)無串音干擾，保密性好。在電波傳輸的過程中，電磁波的泄漏會造成各傳輸通道的串擾，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結構中，而任何泄漏的射線都被環繞光纖的不透明包皮所吸收，即使在轉彎處，漏出的光波也十分微弱，即使光纜內光纖總數很多，相鄰信道也不會出現串音干擾，同時在光纜外面，也無法竊聽到光纖中傳輸的信息。除以上特點之外，還有光纖徑細、重量輕、柔軟、易于鋪設；光纖的原材料資源豐富，成本低；溫度穩定性好、壽命長。由于光纖通信具有以上的獨特優點，其不僅可以應用在通信的主干線路中，還可以應用在電力通信控制系統中，進行工業監測、控制，而且在軍事領域的用途也越來越為廣泛。4光纖的結構與導光原理4.1光纖的結構光纖是傳光的纖維波導或光導纖維的簡稱。其典型結構是多層同軸圓柱體，自內向外為纖芯、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定。纖芯粗細、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，起保護光纖不受水汽的侵蝕相機械的擦傷，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，因此從射線光學理論的觀點出發，研究光纖中的光射線，可以直觀認識光在光纖中的傳播機理和一些必要的概念。下面用射線光學理論對階躍型及漸變型多模光纖的傳輸特性進行分析。射線光學的基本關系式是有關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中的傳播，如下圖所示。圖中介質1的折射率為n1，介質2的折射率為n2，設n1>n2。當光線以較小的角入射到介質界面時，部分光進入介質2并產生折射，部分光被反射。它們之間的相對強度取決于兩種介質的折射率。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，進入介質2的折射光線進一步趨向界面，直到趨于90°。此時，進入介質2的光強顯著減小并趨于零，而反射光強接近于入射光強。當=90°極限值時，相應的角定義為臨界角，由于sin90°=1，所以臨界角當>時，入射光線將產生全反射。應當注意，只有當光線從折射率大的介質進入折射率小的介質，即n1>n2時，在界面上才能產生全反射。（3）接下來分析一下全反射，全反射現象是光纖傳輸的基礎。光纖的導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，而斜射光線是不經過光纖軸線傳輸的光線。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。在光纖內傳輸的子午光線，簡稱內光線，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產生多次全反射，使光線沿光纖傳輸。5光纖通信的應用及其發展趨勢5.1應用領域光纖通信的應用領域是很廣泛的，主要用于市話中繼線，光纖通信的優點在這里可以充分發揮，逐步取代電纜，得到廣泛應用。還用于長途干線通信過去主要靠電纜、微波、衛星通信，現以逐步使用光纖通信并形成了占全球優勢的比特傳輸方法；用于全球通信網、各國的公共電信網（如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線）；它還用于高質量彩色的電視傳輸、工業生產現場監視和調度、交通監視控制指揮、城鎮有線電視網、共用天線（CATV）系統，用于光纖局域網和其他如在飛機內、飛船內、艦艇內、礦井下、電力部門、軍事及有腐蝕和有輻射等中使用。光纖傳輸系統主要由：光發送機、光接收機、光纜傳輸線路、光中繼器和各種無源光器件構成。要實現通信，基帶信號還必須經過電端機對信號進行處理后送到光纖傳輸系統完成通信過程。它適合于光纖模擬通信系統中，而且也適用于光纖數字通信系統和數據通信系統。在光纖模擬通信系統中，電信號處理是指對基帶信號進行放大、預調制等處理，而電信號反處理則是發端處理的逆過程，即解調、放大等處理。在光纖數字通信系統中，電信號處理是指對基帶信號進行放大、取樣、量化，即脈沖編碼調制（PCM）和線路碼型編碼處理等，而電信號反處理也是發端的逆過程。對數據光纖通信，電信號處理主要包括對信號進行放大，和數字通信系統不同的是它不需要碼型變換。5.2發展趨勢5.2.1向超高速系統的發展目前10Gbps系統已開始大批量裝備網絡，主要在北美，在歐洲、日本和澳大利亞也已開始大量應用。但是，10Gbps系統對于光纜極化模色散比較敏感，而已經鋪設的光纜并不一定都能滿足開通和使用10Gbps系統的要求，需要實際測試，驗證合格后才能安裝開通。它的比較現實的出路是轉向光的復用方式。光復用方式有很多種，但目前只有波分復用(WDM)方式進入了大規模商用階段，而其它方式尚處于試驗研究階段。5.2.2向超大容量WDM系統的演進采用電的時分復用系統的擴容潛力已盡，然而光纖的200nm可用帶寬資源僅僅利用率低于1％，還有99％的資源尚待發掘。如果將多個發送波長適當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，這就是波分復用(WDM)的基本思路。基于WDM應用的巨大好處及近幾年來技術上的重大突破和市場的驅動，波分復用系統發展十分迅速。目前全球實際鋪設的WDM系統已超過3000個，而實用化系統的最大容量已達320Gbps(2×16×10Gbps)，美國朗訊公司已宣布將推出80個波長的WDM系統，其總容量可達200Gbps(80×2.5Gbps)或400Gbps(40×10Gbps)。實驗室的最高水平則已達到2.6Tbps(13×20Gbps)。預計不久的將來，實用化系統的容量即可達到1Tbps的水平。[來源:5.2.3實現光聯網上述實用化的波分復用系統技術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的系統，其靈活性和可靠性還不夠理想。如果在光路上也能實現類似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。根據這一基本思路，光聯網既可以實現超大容量光網絡和網絡擴展性、重構性、透明性，又允許網絡的節點數和業務量的不斷增長、互連任何系統和不同制式的信號。由于光聯網具有潛在的巨大優勢，美歐日等發達國家投入了大量的人力、物力和財力進行預研，特別是美國國防部預研局(DARPA)資助了一系列光聯網項目。光聯網已經成為繼SDH電聯網以后的又一新的光通信發展高潮。建設一個最大透明的、高度靈活的和超大容量的國家骨干光網絡，不僅可以為未來的國家信息基礎設施(NJJ)奠定一個堅實的物理基礎，而且也對我國下一世紀的信息產業和國民經濟的騰飛以及國家的安全有極其重要的戰略意義。5.2.4開發新代的光纖傳統的G.652單模光纖在適應上述超高速長距離傳送網絡的發展需要方面已暴露出力不從心的態勢，開發新型光纖已成為開發下一代網絡基礎設施的重要組成部分。目前，為了適應干線網和城域網的不同發展需要，已出現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的重點，也是現在研究的熱點。從長遠來看，BPON技術無可爭議地將是未來寬帶接入技術的發展方向，但從當前技術發展、成本及應用需求的實際狀況看，它距離實現廣泛應用于電信接入網絡這一最終目標還會有一個較長的發展過程。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，光纖到戶和全光網絡也是人們追求的夢想。5.2.5全光網絡傳統的光網絡實現了節點間的全光化，但在網絡結點處仍用電器件，限制了目前通信網干線總容量的提高，因此真正的全光網絡成為非常重要的課題。全光網絡以光節點代替電節點，節點之間也是全光化，信息始終以光的形式進行傳輸與交換，交換機對用戶信息的處理不再按比特進行，而是根據其波長來決定路由。全光網絡具有良好的透明性、開放性、兼容性、可靠性、可擴展性，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，網絡結構簡單，組網非常靈活，可以隨時增加新節點而不必安裝信號的交換和處理設備。當然全光網絡的發展并不可能獨立于眾多通信技術，它必須要與因特網、ATM網、移動通信網等相融合。目前全光網絡的發展仍處于初期階段，但已顯示出良好的發展前景。從發展趨勢上看，形成一個真正的、以WDM技術與光交換技術為主的光網絡層，建立純粹的全光網絡，消