光纤通信的基本概念

摘要

光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。光纤通信作为信息化的主要技术支柱之一，必将成为21世纪最重要的战略性产业。

关键词：通信系统光导纤维

Abstract

Optical fiber communication system is based on the carrier, the use of high purity glass drawn into very fine optical fiber as a transmission medium by photoelectric conversion, light to transmit information in communication systems. With the Internet business and communications industry, the rapid development of information technology to the world's productive forces and the development of human society has brought great promotion. Optical fiber communication technology as the main pillars of information, one will become the 21st century's most important strategic industry.

Keywords: optical fiber communication system

目录

一、光纤通信的基本概念

1、光纤通信技光纤通信基本光纤通信系统

2、数字光纤通信系统

二、光纤通信技术的特点及应用

1、光纤通信技术

2、光纤通信技术的特点

3、光纤通信技术在有线电视网络中的应用

三、光纤通信的发展史

四、光纤通信发展趋势

1、向超高速系统的发展

2、向超大容量WDM系统的演进

3、实现光联网——战略大方向

浅谈光纤通信系统的发展趋势

一、光纤通信的基本概念

光纤通信技术和计算机技术是信息化的两大核心支柱，计算机负责把信息数字化，输入网络中去；光纤则是担负着信息传输的重任。当代社会和经济发展中，信息容量日益剧增，为提高信息的传输速度和容量，光纤通信被广泛的应用于信息化的发展，成为继微电子技术之后信息领域中的重要技术。

1、光纤通信技光纤通信基本光纤通信系统

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。

2、数字光纤通信系统

光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲"0"码和"1"码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulse code modulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。

二、光纤通信技术的特点及应用

光纤通信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。本文探讨了光纤通信技术的主要特征及应用。

1、光纤通信技术

光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输的通信方式。在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波的频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或导波管的损耗低得多，所以说光纤通信的容量要比微波通信大几十倍。光纤是用玻璃材料构造的，它是电气绝缘体，因而不需要担心接地回路，光纤之间的串绕非常小；光波在光纤中传输，不会因为光信号泄漏而担心传输的信息被人窃听；光纤的芯很细，由多芯组成光缆的直径也很小，所以用光缆作为传输信道，使传输系统所占空间小，解决了地下管道拥挤的问题。

光纤通信在技术功能构成上主要分为：(1)信号的发射；(2)信号的合波；(3)信号的传输和放大；(4)信号的分离；(5)信号的接收。

2、光纤通信技术的特点

(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。

3、光纤通信技术在有线电视网络中的应用

20世纪90年代以来，我国光通信产业发展极其迅速，特别是广播电视网、电力通信网、电信干线传输网等的急速扩展，促使光纤光缆用量剧增。广电综合信息网规模的扩大和系统复杂程度的增加，全网的管理和维护，设备的故障判定和排除就变得越来越困难。可以采用 SDH ＋光纤或ATM＋光纤组成宽带数字传输系统。该传输网可以采用带有保护功能的环网传输系统，链路传输系统或者组成各种形式的复合网络，可以满足各种综合信息传输。对于电视节目的广播，采用的宽带传输系统可以将主站到地方站的所需数字，通道设置成广播方式，同样的电视节目在各地都可以下载，也可以通过网络管理平台控制不同的站下载不同的电视节目。

有线电视网络在全国各地已基本形成，在有线电视网络现有的基础上，比较容易地实现宽带多媒体传输网络，因此在目前的情况下，不应完全废除现有的有线电视网，而用少量的投资来完善和改造它，满足人们的目前需要。很多地区的 CATV已经是光纤传输，

到用户端也是同轴电缆进入千万家。但是现在建设的CATV 大多是单向传输，上行信号不能在现有的有线电视网中传送。可以通过电信网 PSTN 中语音通道或数据通道形成上行信号的传送，也可以通过语音接入系统来完成。将电话接到各用户，这样各用户间即可以打电话，也可以利用广电自己的综合信息网中的宽带传输系统构成广电网中自己的上行信号的传送，组成了双向应用的Internet网。

现在光通信网络的容量虽然已经很大，但还有许多应用能力在闲置，今后随着社会经济的不断发展，作为经济发展先导的信息需求也必然不断增长，一定会超过现有网络能力，推动通信网络的继续发展。因此，光纤通信技术在应用需求的推动下，一定不断会有新的发展。

三、光纤通信的发展史

在日常生活中，我们时常听到「光纤通讯(Optical Fiber Communications)」，但什么是「光纤通讯」呢？它又是如何传递光的讯号呢？为了解这个问题，我们先从「光传输」的历史讲起

光纤通信是七十年代发展起来的一门新兴技术。光纤是光导纤维的简称。它是由玻璃材料(SiO

)抽丝而成的一种光传输媒体。以光波传送信息，以光纤为传输介质的通

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信方式称为光纤通信。

利用光进行信息传递的历史至少可以追溯到我国古代的峰火台，当时是用火光来传递讯号作为警戒用途，至今已有七百多年的历史。后来则是在海上航行的船只利用灯号来作为通讯用途，比如：海军旗语、信号弹。乃至现在在大城市仍然使用的红绿灯都是利用光进行通信的。从近代科技的发展史来看，「光通讯」重大发明则是在公元1880年由贝尔(Alexander Graham Bell)发明的「光话机」(Photophone)所获得。贝尔将太阳聚成一道极为狭窄的光束，照射在很薄的镜子上，当人们发出声音的「声波」让这面薄镜产生振动时，「反射光」「强度」的变化使得感应的侦测器产生变动，改变「电阻」值。而接收端则利用变化的「电阻」值产生电流，还原成原来的「声波」。当贝尔测试「光话机」成功时，他写下了「我听到光线的笑声、咳嗽声和歌唱声」。

他的这项发明仅能传播约200公尺，因为藉由空气传递的光束，遇到的情况都不尽相同，例如雾、雨或雪都能阻挡光线，甚至在干燥而新鲜的空气中，光线强度仍会随距离迅速减弱。当时贝尔虽曾预测这项发明「在科学世界里，将远比电话、留声机和麦克风更有趣」，但是这种初期的光通信所能传送的信息是十分有限的。一方面由于普通光源或日光成份复杂、振动方面杂乱而无法调变；另一方面利用大气为介质进行光通信损耗大，受气候影响严重、不能全天侯进行、易受地理条件的限制。因此，贝尔的“光话机”由于高强度光源的可靠度和低损耗介质的稳定性，仍未能解决而一直未能实用。1960年，正当人们开始认识到信息对未来社会重要性的时候，美国的Maimen发明了红宝石雷射二极管。由此，人们得到了良好的同调光，使光通信得到了新生。这更加激发了人们对低损耗导光介质的研究热潮。

有人也想到了利用物质传导光。所以在公元1870年时，约翰道耳(John Tyndall)作了一个实验，让「光波」在由桶底流出的水柱中传播，因为光为「电磁波」的一种，所以我们称水柱那样可以传导光波的物质为「波导（waveguide）」。介质「波导」的理论则始于公元1910年，由Hondros及Debye首先提出。

近代的「光纤通讯」始于1960年代，而使得「光纤」成为现在及未来通讯的主力乃是基于两个事件的激发：首先是公元1960年美国物理学家梅门（Theodore Harold Maiman）成功地使红宝石振荡产生「雷射光」。第二则为公元1966年，科学家高锟（Charles Kao）及George A. Hockham，他们预测所制作的「光纤」，能够让「光波」在其中传输一公里，仍有原来1﹪的光能量，那么「光纤」就能够像电缆一般，来作为传输工具。因为在当时，即使是最好的「光纤」，「光波」在其中传输20公尺就已使光能量降低至原来能量的1﹪。

到了公元1970年，由贝尔实验室制作成功，可于常温下连续振荡之半导体雷射（Semi-Conductor-Laser）及康宁玻璃工厂（Corning Glass Work）制造出每公里衰灭小于20分贝的低损失石英质（Silica）光纤后，「光纤」技术一日千里。今日，由于光电科技的发展，每公里衰灭低于1分贝，传输带宽（「频率宽度」）高于800MHZ的光电缆已可大量生产，再配合「高阶数字多任务」（High Order Digital Multiplex）技术的发展以及高性能「光电组件」（Opto-Electronic Device）的开发，每秒传播速度高达九千万「位（Binary Digit，简称bit）」，甚至每到每秒四亿「位」之高速大容量光通讯系统，目前已达实用化的阶段。

当然，利用玻璃中的全反射原理传光，早已为人们所熟知，并且已在医学领域中得到应用(短距离传光光纤束)。但到60年代中期，最好的光学玻璃的传输损耗仍高达1000dB/km。这意味着，如果要在一公里长的光纤末端检测到一个波长为1μm的光子 (其能量hυ≒2×10-19焦耳)，则在其入端要输入的光的能量为2×1081焦耳。这将远超过太阳系自形成以来的，全部辐射能量的总和。在希望渺茫的局面下， 1966年英籍华人高锟(C.K.Kao)博士和Hockham发表了一篇具有划时代意义的论文，他们提出，如果利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维(光纤)来进行光通信，其损耗可能低于20dB/km。他们还指出，这类玻璃的理论最低损耗值比这一数值还要低得多。 1970年美国的康宁公司果然制造出损耗为20dB/km的光导纤维(所使用光源的波长约为0.8μm)。在此之后，光纤通信技术的进展发生了急剧的变化，光导纤维已成为光纤通信系统中最优越的传光线路。1972年康宁公司又生产出7dB/km的低损耗光纤，1973年贝尔实验室又将此项指标降为2.5dB/km，后来国际上又有1.5dB/km的光纤报导，1979年日本茨城通信研究所又研制出接近理论极限值的0.2dB/km的光纤。 1970年代初的另一重要事件是实现了半导体雷射二极管的室温运转。在此同时，发明了镓-砷发光二极管。

至此，光通信技术中的两大难题─高强度光源的可靠度和低损耗介质的稳定性都得到了解决，使光纤通信技术受到了空前的重视。短短二十余年的发展时间，已从实验室走向实用，并带来了巨大的社会经济效益。目前，横跨大西洋海底和太平洋海域的光纤

通信已正式使用，它可以提供40000路电话的通信，传输的数据率每秒可达8.4亿位。西方的一些发达国家已相继建成了多条、遍及国内的光纤通信系统。美国、日本等亦正在着手建立全国光纤通信信息网络。

四、光纤通信发展趋势

光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。近几年来，随着技术的进步，电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面开放，光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面，本文旨在对光纤通信领域的主要发展热点作一简述与展望。

1、向超高速系统的发展

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。光复用方式有很多种，但目前只有波分复用（WDM）方式进入大规模商用阶段，而其它方式尚处于试验研究阶段。

2、向超大容量WDM系统的演进

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，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。如果认为1995年是起飞年的话，其全球销售额仅仅为1亿美元，而2000年预计可超过40亿美元，2005年可达120亿美元，发展趋势之快令人惊讶。目前全球实际敷设的WDM系统已超过3000个，而实用化系统的最大容量已达320Gbps （2*16*10Gbps），美国朗讯公司已宣布将推出80个波长的WDM系统，其总容量可达200Gbps（80*2.5Gbps）或400Gbps（40*10Gbps）。实验室的最高水平则已达到2.6Tbps （13*20Gbps）。预计不久实用化系统的容量即可达到1Tbps的水平。可以认为近2年来超大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一里程碑。不仅彻底开发了无穷无尽的光传输键路的容量，而且也成为IP业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础。

3、实现光联网——战略大方向

上述实用化的波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新一层的威力。根据这一基本思路，光的分插复用器（OADM）和光的交叉连接设备（OXC）均已在实验室研制成功，前者已投入商用。

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，特别是美国国防部预研局（DARPA）资助了一系列光联网项目，如以Be11core 为主开发的“光网技术合作计划（ONTC）”，以朗讯公司为主开发的“全光通信网”预研计划”，“多波长光网络（MONET）”和“国家透明光网络（NTON）”等。在欧洲和日本，也分别有类似的光联网项目在进行。

综上所述光联网已经成为继SDH电联网以后的又一新的光通信发展高潮。其标准化工作将于2000年基本完成，其设备的商用化时间也大约在2000年左右。建设一个最大透明的。高度灵活的和超大容量的国家骨干光网络不仅可以为未来的国家信息基础设施(NII) 奠定一个坚实的物理基础，而且也对我国下一世纪的信息产业和国民经济的腾飞以及国家的安全有极其重要的战略意义。

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，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。

结论与建议

虽然光纤通讯产业目前正遭逢剧烈的调整期，不管国际大厂、国内业者都尝到投资策略失当的苦果。但带动产业成长的动力和环境只是失调，并未完全失去活力，如因特网的持续成长、骨干光纤陆续建立、DWDM、AWG技术突破、PC普及、无线通信快速成长以及数据通讯价格大幅下降，都导致宽带需求大幅增加，整体来看光纤通讯成长的动力仍强，待景气回稳后便可恢复以往活力。在经过不断的裁员、关厂、购并、结盟后，光纤通讯产也必将重新洗牌，系统设备厂因为生存门坎提高，将产生目前信息业的型态，也就是[大者恒大]仅有前几大业者得以生存。但是在组件领域方面，可能产生不同的结果，除了大型厂商以量产、研发、营销取胜外，中小型厂商亦可在特殊的产品上寻求利基市场，所以可能是大、中、小厂并存的战国时代。

参考文献：

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