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论文光纤通信技术

光纤通信技术

论文

专业：

电子信息工程

班级：

11-1

姓名：

***

学号：

37

摘要：

光纤通信就是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。

光导纤维通信简称光纤通信。

21世纪一个信息爆炸的时代，也是一个信息传输的时代，而通信网中光纤通信以其独特而脱颖而出，或许在未来的社会中会迎来一个全新的广网络时代。

纤通信技术光纤通信自从问世以来，给整个通信领域带来了一场革命，它使高速率、大容量的通信成为可能。

光纤通信由于具有损耗低、传输频带宽容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点而备受业内人士的青睐，发展非常迅速。

 在现代社会，光纤通信越来越多地与另一种通信方式—计算机通信联系在了一起，二者一同成为办公自动化，局域网办公，网络资源共享，社区网络通信甚至是建设信息高速公路的核心技术。

一光纤通信发展的历史

伴随社会的进步与发展，以及人们日益增长的物质与文化需求，通信向大容量、长距离的方向发展已经是必然趋势。

由于光波具有极高的频率，也就是说是具有极高的宽带从而可以容纳巨大的通信信息，所以用光波作为载体来进行通信是人们几百年来追求的目标。

1966年，英籍华裔学者高锟博士在PIEE杂志上发飙了一篇十分著名的文章——《用于高频的光纤表面波导》，该文从理论上分析和证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可靠性，并设计了通信用光纤的波导结。

1970年，美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用改进型化学汽相沉积法制造出当时世界上第一根超低损耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索。

虽然当时康宁玻璃公司制造出的光纤只有几米长，衰耗约20dB/km，而且几个小时之后便损坏了。

但它证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用的超低损耗光纤是完全有可能的。

1970年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，其来势之凶、规模之大、速度之快远远超出了人们的意料，使光纤通信技术取得了及其惊人的进展。

从光纤的损耗来看，1970年是20dB/km，1972年是4dB/km，1974年是1.1dB/km，1976年是0.5dB/km，1979年是0.2dB/km，1990年是0.14dB/km，已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km。

从光器件看，1970年，美国贝尔公司研制出世界上第一只在室温下连续波工作的的砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。

后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的分布反馈式单纵模激光器以及多量子阱激光器。

光接收器件也从简单的硅PIN光二极管发展到量子效率达90%的雪崩光二极管APD。

从光纤通信系统看，正是光纤制造技术和光电器件制造技术的飞速发展，以及大规模、超大规模集成电路技术和微处理机技术的发展，带动了光纤通信系统从小容量刀大容量、从短距离刀长距离、从低水平到高水平、从旧体制刀新体制的迅猛发展。

二光纤通信的基本构成

光纤：

光纤由纤芯、包层与涂层三大部分组成。

光纤按模式分为多模光纤和单模光纤，对于公用通信网的骨干网，包括市内骨干网、接入网的光纤线路，需要使用单模光纤；专用的局域网和其它短距离光纤线路使用多模光纤。

光纤的工作波长有短波长和长波长，短波长是0.85μm，长波长则是1.31μm和1.55μm两种。

光纤的损耗在1.31μm为0.35dB/km，在1.55μm为0.20dB/km。

波长1.31μm光纤的色散为零，而波长1.55μm光纤有最低损耗却有不小的色散（Chromaticdispersion，简写dispersion），对长距离、高速率脉冲信号传输有限制。

经重新设计的光纤，使零色散波长从1.31μm移位至1.55μm，这样的单模光纤就称为‘色散移位光纤’，简写DSF（dispersionshiftedfiber）。

为了充分发展WDM/DWDM系统，应用波长1.55μm存在小量的色散恰恰足够抵消FWM（四波混频）的影响，称为‘非零色散光纤’，简写NZDF（non-zerodispersionfiber）。

光源：

光源是光纤通信系统中的关键光子器件。

光纤通信对光源器件的要求工作寿命长（光源器件寿命的终结是指其发光功率降低到初始值的一半或者其阈值电流增大到其初始值的二倍以上）、体积小、重量轻。

常见的光源器件有激光二极管（LD）和发光二极管（LED）两种。

O.5μm短波长光源常采用GaAlA/GaAs双异质结构，而长波长1.3～1.55μm则采用InGaAsP／lnp隐理式异质结构。

而WDM系统须利用长波长光源器件，它不仅要求激光管的发射波长高度稳定，保证器件与波导之间实现最佳耦合，插入损耗小，同时要求能把多路激光管和必要的附属电路集成在同一芯片上，使得多路光载波信号能够在一根光纤中加以传输。

近年来研制的多波长光源器件主要是把多路激光管排成阵列，连同一个导形耦合器，利用硅的“平面光路”平台技术制成混合集成光组件，其结构趋于采用光纤光栅的外腔激光管结构。

光检测器：

光检测器件通过光/电转换将信号通信信息从光波中分离检测出来。

光检测器件的要求灵敏度高、响应度高、噪声低、工作电压低、体积小重量轻寿命长。

常见的光检测器有PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。

三光通信技术的特点

1频带极宽，通信容量大。

光纤的传输带宽比铜线或电缆大得多。

对单波长光纤通信系统，由于终端设备的限制往往发挥不出带宽大的优势。

因此需要技术来增加传输的容量，密集波分复用技术就能解决这个问题。

2损耗低，中继距离长。

目前，商品石英光纤和其它传输介质相比的损耗是最低的；如果将来使用非石英极低损耗传输介质，理论上传输的损耗还可以降到更低的水平。

这就表明通过光纤通信系统可以减少系统的施工成本，带来更好的经济效益。

3抗电磁干扰能力强。

石英有很强的抗腐蚀性，而且绝缘性好。

而且它还有一个重要的特性就是抗电磁干扰的能力很强，它不受外部环境的影响，也不受人为架设的电缆等干扰。

这一点对于在强电领域的通讯应用特别有用，而且在军事上也大有用处。

4无串音干扰，保密性好。

在电波传输的过程中，电磁波的传播容易泄露，保密性差。

而光波在光纤中传播，不会发生串扰的现象，保密性强。

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。

正是因为光纤的这些优点，光纤的应用范围越来越广。

四光纤通信技术的种类

1光纤光缆技术

光纤技术的进步可以从两个方面来说明:

一是通信系统所用的光纤;二是特种光纤。

早期光纤的传输窗口只有3个，即850nm（第一窗口）、1310nm（第二窗口）以及1550nm（第三窗口）。

近几年相继开发出第四窗口（L波段）、第五窗口（全波光纤）以及S波段窗口。

其中特别重要的是无水峰的全波窗口。

这些窗口开发成功的巨大意义就在于从1280nm到1625nm的广阔的光频范围内，都能实现低损耗、低色散传输，使传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。

这一技术成果将带来巨大的经济效益。

另一方面是特种光纤的开发及其产业化，这是一个相当活跃的领域。

光复用技术

　　复用技术是为了提高通信线路的利用率，而采用的在同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术。

光复用技术种类很多，其中最为重要的是波分复用（WDM）技术和光时分复用（OTDM）技术。

光波分复用（WDM）技术是在一芯光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。

其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。

波分复用当前的商业水平是273个或更多的波长，研究水平是1022个波长（能传输368亿路电话），近期的潜在水平为几千个波长，理论极限约为15000个波长（包括光的偏振模色散复用，OPDM）。

而光时分复用（OTDM）技术指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用到一路上的技术。

光时分复用（OTDM）的原理与电时分复用相同，只不过电时分复用是在电域中完成，而光时分复用是在光域中进行，即将高速的光支路数据流（例如10Gbit/s，甚至40Gbit/s）直接复用进光域，产生极高比特率的合成光数据流。

2光放大技术

　　光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。

顾名思义，光放大器就是放大光信号。

在此之前，传送信号的放大都是要实现光电变换及电光变换，即O/E/O变换。

有了光放大器后就可直接实现光信号放大。

光放大器主要有3种:

光纤放大器、拉曼放大器以及半导体光放大器。

光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子（如铒、镨、铥等）作为激光活性物质。

每一种掺杂剂的增益带宽是不同的。

掺铒光纤放大器的增益带较宽，覆盖S、C、L频带;掺铥光纤放大器的增益带是S波段;掺镨光纤放大器的增益带在1310nm附近。

而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纤后，会发生非线性效应。

喇曼散射。

在不断发生散射的过程中，把能量转交给信号光，从而使信号光得到放大。

由此不难理解，喇曼放大是一个分布式的放大过程，即沿整个线路逐渐放大的。

其工作带宽可以说是很宽的，几乎不受限制。

这种光放大器已开始商品化了，不过相当昂贵。

半导体光放大器（S0A）一般是指行波光放大器，工作原理与半导体激光器相类似。

其工作带宽是很宽的。

但增益幅度稍小一些，制造难度较大。

这种光放大器虽然已实用了，但产量很小。

3光交换技术

光交换技术是指不经过任何光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。

目前已见报道的光交换技术的交换方式主要可以分为，空间分光交换方式，时分光交换方式，波分光交换方式，ATM光交换方式，码分光交换方式，自由空间光交换方式和复合型光交换方式等等。

空分光交换的基本原理是将光交换节点组成可控的门阵列开关,通过控制交换节点的状态可实现使输入端的任一信道与输出端的任一信道连接或断开,完成光信号的交换。

时分光交换方式的原理与现行电子学的时分交换原理基本相同,只不过它是在光域里实现时隙互换而完成交换的。

在光时分复用系统中,可采用光信号时隙互换的方法实现交换。

在光波分复用系统中,则可采用光波长互换（或光波长转换）的方法来实现交换。

光波长互换的实现是通过从光波分复用信号中检出所需的光信号波长,并将它调制到另一光波长上去进行传输。

光ATM交换是以ATM信元为交换对象的技术,它引入了分组交换的概念,即每个交换周期处理的不是单个比特的信号,而是一组信息。

光ATM交换技术已用在时分交换系统中,是最有希望成为吞吐量达到特定级别量的光交换系统。

码分光交换,是指对进行了直接光编码和光解码的码分复用光信号在光域内进行交换的方法。

自由空间光交换可以看作是一种空分光交换,它是通过在空间无干涉地控制光的路径来实现的。

由于各种光交换技术都有其独特的优点和不同的适应性,将几种光交换技术合适地复合起来进行应用能够更好地发挥各自的优势,以满足实际应用的需要。

已见介绍的复合型光交换主要有:

（1）空分ö时分光交换系统;

（2）波分ö空分光交换系统;（3）频分ö时分光交换系统;（4）时分ö波分ö空分光交换系统等

五不断发展的光纤通信技术

1光纤通信开始就是为传送基于电路交换的信息的，信号一般是TDM的连续码流，如PDH、SDH等。

伴随着科技的进步，特别是计算机网络技术的发展，传输数据也越来越大。

分组信号与连续码流的特点完全不同，它具有不确定性，因此传送这种信号，是光通信技术需要解决的难题。

2不断增加的信道容量光通信系统能从PDH发展到SDH，从155Mb/s发展到10Gb/s，近来，4OGB/s已实现商品化。

专家们在研究更大容量的，如160Gb/s（单波道）系统已经试验成功，目前还在为其制定相应的标准。

此外，科学家还在研究系统容量更大的通讯技术。

3光纤传输距离从宏观上说，光纤的传输距离是越远越好，在光纤放大器投入使用后，不断有对光纤传输距离的突破，为增大无再生中继距离创造了条件。

4向城域网发展光传输目前正从骨干网向城域网发展，光传输逐渐靠近业务节点。

而人们通常认为光传输作为一种传输信息的手段还不适应城域网。

作为业务节点，既接近用户，又能保证信息的安全传输，而用户还希望光传输能带来更多的便利服务。

5互联网发展需求与下一代全光网络发展趋势近年来，互联网业发展迅速，IP业务也随之火爆。

随着软件控制的进一步开发和发展，现代的光通信正逐步向智能化发展，它能灵活的让营运者自由的管理光传输。

而且还会有更多的相关应用应运而生，为人们的使用带来更多的方便。

总而言之，以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心，并面向IP互联网应用的光波技术是目前光纤传输的研究热点，而在以后，科学家还会继续对这一领域的研究和开发。

从未来的应用来看，光网络将向着服务多元化和资源配置的方向发展，为了满足客户的需求，光纤通信的发展不仅要突破距离的限制，更要向智能化迈进。

六光纤通信技术的发展趋势 

　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2000倍，比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多。

2向超大容量WDM系统的演进。

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。

3实现光联网。

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。

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。

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.

七光纤通信的新技术

光纤高速传输技术

人们需要光纤网络的超高速、超大容量,但到目前为止我们能够利用的最理想传输媒介仍然是光。

因为只有利用光谱才能带给我们充裕的带宽。

光纤高速传输技术现正沿着扩大单一波长传输容量、超长距离传输和密集波分复用（DWDM）系统三个方向在发展。

单一光纤的数据传输容量在20年里提升了万余倍;超长距离实现了1.28T（128x10G）无再生传送8000Km;波分复用实验室最高水平已做到273个波长、每波长40Gb。

宽带接入

光纤网络必须要有的支持,各种宽带服务与应用才能开展起来,网络容量的潜力才能真正发挥。

宽带接入技术五花八门,主要有以下四种:

一是基于高速数字用户线（VDSL）;二是基于以太网无源光网（EPON）的光纤到家（FTTH）;三是自由空间光系统（FSO）;四是无线局域网（WLAN）。

无源光网络

无源光网络（PON）的概念由来已久,它具有节省光纤资源、减少线路和外部设备的故障率,提高系统可靠性,节省维护成本、对网络协议透明的的特点,在光接入网中扮演着越来越重要的角色。

同时,以太网（Ethernet）技术以其简便实用,价格低廉、易维护、可扩展、标准化和广泛的商用软硬件支持的特性,几乎完全统治了局域网,随着IP业务在城域和干线传输中所占的比例不断攀升,以太网也在通过传输速率、可管理性等方面的改进,逐渐向接入、城域甚至骨干网上渗透。

而以太网与PON的结合,便产生了以太网无源光网络（EPON）。

它同时具备了以太网和PON的优点,被认为是下一代网络中主要的宽带接入技术。

它通过一个单一的光纤接入系统,实现数据、语音及视频的综合业务接入,并具有良好的经济性。

业内人士普遍认为,FTTH是宽带接入的最终解决方式,而EPON也将成为一种主流宽带接入技术。

由于EPON网络结构的特点,宽带入户的特殊优越性,使得全世界的专家都一致认为,无源光网络是实现“三网合一”和解决信息高速公路“最后一公里”的最佳传输媒介。

自动交换光网络

下一代的光网络是以软交换技术为核心,采用容量巨大高密集波分系统,具有自动配置功能的大容量光交换机,新一代的光路由器,各种适合于不同场合运用的低端光系统（如MSTP和RPR）,组成的智能光网络。

早在2002年AT&T在OFC上就称“智能光网络目前就已经成为现实”。

构建高效灵活的自动交换光网络的重要节点设备光交叉连接设备（OXC）和光分插复用设备（OADM）,随着这些设备的发展,智能光网络有了新的发展,也就是自动交换光网络（ASON）,其最突出的特征是在光传送网中引入了独立的智能控制平面,利用控制平面来完成路由自动发现、呼叫连接管理、保护恢复等,从而对网络实施动态呼叫连接管理。

目前,光网络的发展主要是利用DWDM技术扩大传输容量,但是,随着光分插复用（OADM）和光交叉连接（OXC）技术的逐步成熟,原来只是提供带宽传送的波长本身也能成为组网（分插、交换、路由）的资源。

同时,在扩大传输容量的同时,如何有效的运行、管理和维护如此大规模的网络已经被人们提上日程。

目前,光网络的管理与控制仍然采用类似于SDH网络的传统模式,光网络只作为简单的传送介质。

这种传统的传输业务与通信业务分别控制与管理的模式,使当前提供宽带通道仍然只能采用静态配置方式,不能灵活提供各种需要的带宽。

随着IP业务快速的增长及IP业务量本身的不确定性和不可预见性,使得对网络带宽的动态分配要求越来越迫切。

这种不可预见的业务需求要求具有很强动态性能的新型光网络出现,以适应新业务的需求。

另外,在当前竞争激烈的通信市场上,提供"即时服务"已经成为电信运营商竞争的关键优势。

因此,人们将在未来核心光网络中引入动态的网络配置方式,或称"自动交换",以满足数据/互联网的无法预测的动态特性。

这将充分提高网络的资源利用率,从而降低网络成本。

为此,ITU-T等国际标准化机构提出自动交换光网络（ASON）的概念作为下一代光网络的标准草案。

ASON这一概念的提出,是光传送网的一大突破,它将交换功能引入了光层,促进了通信网两大技术--传输和交换的进一步革新和融合。

ASON是一个智能化的光网络,它采用客户/服务器（Client/Server）的体系结构,具有定义明确的接口,可以使网络资源按照用户的需求快速动态的分配,同时具有快速的网络恢复和自愈能力,能够保证网络的可靠性和提供灵活的路由功能。

现有的光通信系统大都采用电路交换技术,而发展中的自动交换光网络凭借其"智能"交换技术为用户提供了交叉连接、交换和路由等强大的功能,从而实现了网络的高速率和协议透明性。

ASON网络体系主要由智能光传输设备、智能光交换设备和智能光终端设备组成,并通过专门的智能化的分布式控制软件平台完成ASON内的自动连接和交换的控制。

ASON通过将网元智能化,改集中式管理为分布式管理,将原来网管的许多功能下放到各网元中,从而实现了网络的实时管理。

使许多原来需要人工参与的工作使得网络本身去完成,这极大地增强了整个网络的服务效率,使ASON能够给用户提供灵活、快速的服务。

大容量、宽带化的发展

在世界网络带宽保持了50%-100%的年增长速率的同时，中国的干线业务量和带宽需求的实际年增长率均超过了200%。

根据美国跨大西洋Internet干线流量统计，中国近几年国内干线数据业务量年增长260%。

国际Internet带宽能力年增长245%，五年累增大约100倍。

传统的光纤通信发展始终在按照电信号的时分复用（TDM）方式进行，每当传输速率提高4倍，传输每个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。

单路波长的传输速率受限于集成电路材料的电子和空穴的迁移率；还受限于传输媒质的色散和极化模色散；最后受限于系统的性能价格比。

Lucent朗讯科技公司宣布实现了单信道160Gbit/s的传输速率，而目前商用系统从45Mb／s增加到10Gb／s，可以携带12万条话路，其速率在20年时间里提高了2000倍，比同期的微电子技术的集成度增长速度还要快得多。

高速系统的出现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业务提供了实现的可能。

目前，10Gbit/s系统已大批量装备网络，40Gbit/s系统已经商品化进入实用阶段。

从网络应用看，带10Gbit/s接口的路由器已经大量应用，带40Gbit/s接口的路由器也已经进入大量应用阶段，为了提高核心网的效率和功能，核心网的单波长速率向40Gbit/s发展是合乎逻辑的。

总的看，采用40Gbit/s传输的主要优势有：

（1）更有效地使用传输频带，频谱效率较高；

（2）如果40Gbit/s的成本降到10Gbit/s实际成本的2.5倍以下时，就达到了合理应用点，就有条件实现规模商用，降低传输成本；

（3）由于只用一个网元代替了四个网元，减少了OAM的成本、复杂性以及备件的数量；

（4）提高了核心网的效率和功能。

　　从实际应用看，对于40Gbit/s传输系统，必须用外调制器；能具备足够输出电压驱动外调制器的驱动集成电路还不够成熟；沿用多年的NRZ调制方式能否有效可靠地工作于40Gbit/s还没有把握，必须转向性能更好的普通归零（RZ）码乃至调制效率更高的其他调制方式，例如载频抑制的RZ（CS-RZ）码，差分相移键控RZ（DPSK-RZ）码，啁啾的RZ（CRZ）码，超级CRZ（SuperCRZ）码，双二进制码（D-RZ），伪线性RZ码，光孤子（Soliton）调制方式等。

从历史经验看，只有成本降到2.5倍以内才有可能获得规模应用。

近年来，能够普遍应用的基于单波道的最高传输容量一直停留在SDH10Gb/s。

40Gb/s的应用需求仍然存在，但它在节点技术、网络应用和系统的性能价格比等方面存在的问题仍然没有很好地得到解决。

另外，由于存在具有部分可替代性的解决方案（如DWDM），这也在一定程度上进一步影响了40Gb/sSDH系统大范围走向商用的步伐。

对于短距离传输，无须色散补偿、光放大器和外调制器，40Gbit/s系统具有最低的单位比特成本，上述问题不是障碍。

40Gbit/s的应用已经由短距离互联应用开始，包括端局内路由器、交换机和传输设备间的互联，乃至扩展至城域网范围和短距离长途应用。

随着通信技术的发展，新业务不断涌现，特别是IP业务的迅猛崛起，导致全球信息量呈级数增长，通信业务由传统单一的电话业务转向高速IP数据和多媒体为代表的宽带业务，对通信网络的带宽和容量提出了越来越高的要求。

光纤存在巨大的频带资源和优异的传输性能，是实现高速、大容量传输的最理想的传输媒质，进一步扩容传输系统、降低每比特传输成本的唯一出路就是转向使用光的复用技术。

DWDM的发展

光通信系统可以按照不同的方式进行分类如果按照信号的复用方式来进行分类可分为频分复用系统FDM-FrequencyDivisionMultiplexing、时分复用系统TDM-TimeDivisionMultiplexing、波分复用系统WDMWavelengthDivisionMultiplexing和空分复用系统SDM-SpaceDivisionMultiplexing。

传统的光纤传输一般在一个波长信道上进行，如果忽略激光器的线宽和啁啾效应，则对应1550nm处的高斯脉冲，即使采用光时分复用（OTDM）技术使信号速率达100Gbit/s，其所用带宽也仅为光纤带