什么是光纤通信技术
冻肉的做法-
什么是光纤通信技术
？
光纤通信技术是通过光学纤维传输信息的通信技术。
在发信端，信息被转换和处理成便
于传输的电信号，电信号控制—光源，使发出的光信号
具有所要传输的信号的特点，从而实现
信号的电一光转换、
发信
端发出的光信号通过光纤传输出到远方的收信端，
经光电二极管等转
换成电信号，
从而实现信号的光一电转换。
电信号再经过处
理和转换而恢复为原发信端相同的
信息。光波也是电磁波，但它的频率比电信中利用的电
磁波高出几个数量级：频率极高难度挑
通信系统有极大的通信容量，所用光纤和由多根光
纤组成的光纤光缆体积小，重量轻，易于运
输和施工。光纤的衰耗很低，故无中断，通信
距离很长。此外，光纤是绝缘体，不会受高压线
和雷电的电磁感应，抗核辐射的能力也强
，因而在某些特殊场合，电通信受干扰不能工作而光
纤通信却能照常工作。光纤几乎可做
得不漏光，因此保密性好，光缆中的光纤也互不干扰。当
通信容量较大，距离较远时，光
纤通信系统的每话路公里的造价较电缆通信的为低。光纤通信
因有这些优点而得到迅速发
展。
1880
年，
A
·
G
贝尔发明了利用太阳光作为光源的通话装置，
光波在大气中传输，通话距离达
213
米。
后来改用孤光灯作为光源，延长通信距离。但光源在
大气中传输受到雨、
雾、
烟和尘土的阻抗或减弱，
通信很不稳定，
应用上受到很大的限制。
1966
年，高锟等人
提示了实现低衰耗光导纤维的可能性。
1970
年，美国研制出
衰耗为
20
分贝
/
公
里的石英光纤和体积很小的半导体激光器。此后，光纤及激光器等部件的质量逐年
迅速提高，
因而以半导体激光器作为光源，
以石英光纤作为光的
传输媒介，
以半导体光电二极管作为接收
器件的光源通信系统迅
速发展起来。
80
年代，以短波长光源和多模光纤为标志的第一
代光通
信技术已很成熟，无中断通信距离约为
10
公里，通信路次约为
1000
路，已用作市话局之间
的
中继线，也用于城市间的通信系统，但中继站较多，站距较短。以长波长光源和单模光
纤为标
志的第二代光纤通信技术也已成熟，无中继通信距离约为
30
公里，通信容量约为
5000
路，
适
用于长途干线通信。
全光化和光集
成化的光纤通信技术正在研究之中。全光化指的是在中继
器中光信号直接被放大，
省去了光—电转换和电—光转换过程。
全光化的光集成化功能大大减<
/p>
少中断器和光端机的体积，降低功耗和成本，提高可靠性。
光纤通信技术进展综述
一
引言
随着
Internet
的迅速普及以及宽带综合业务数字网
(B-ISDN)
的快速发展，人们对信息的需求
呈现出爆炸性的增长，几乎是每半年翻一番。
在这样的背景下，信息高速公路建设已成为
世
界性热潮。
而作为信息高速公路的核心和支柱的光纤通信技术更是成为重中之重。
很多国
家和地区不遗余力地斥巨资发展光纤通信技术及其产业，
光纤通信事业得到了空前发展。
此
外，由于信
息的生产、传播、交换以及应用对国民经济和国家安全有决定性的影响，所以，
与其它行
业相比，光纤通信更具有特殊意义。
光纤通信事业是一个巨大
的系统工程。它的
各个组成部分互为依存、
互相推动，
共同向前发展。就光纤通信技术本身来说，应该包括以
下几个主要部分<
/p>
:
光纤光缆技术、传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络
技术等。
二
光纤光缆技术的进展
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
)
、
1310n
m(
第二窗口
)
以及
< br>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。
特种光纤具体有以下几种
:
1.
有源光纤
这类光纤主要是指掺有稀土
离子的光纤。如掺铒
(Er3+)
、掺钕
(Nb3+)
、掺
镨
(Pr3+)<
/p>
、掺镱
(Yb3+)
、掺铥
(Tm3+)
等，以此构成
活性物质。
这是制造光纤光放大器的核心物质。不同掺
杂的光纤放
大器应用于不同的工作波段，
如掺饵光纤放大器
(EDFA)
应用于
1550nm
附近
(C
、
L
波段
);
掺
镨光纤放
大器
(PDFA)
主要应用于
1310
nm
波段
;
掺铥光纤放大器
(TDFA)
主要应用于
S
波段
等。这些掺杂光纤放大器与喇曼
(Raman)
光纤放大器一起给光纤通信技术带来了革命性的变
化。它的显著作用是
:
直接放大光信号，延长传输距离
;
在光纤通信网和有线电视网
(CA
TV
网
)
中作分配损耗补偿
;
此外，在波分复用
(WDM)
系统中及光孤子通信系统中是不可缺少的
关键元器件。
正因
为有了光纤放大器，
才能实现无中继器的百万公里的光孤子传输。
也正是
有了光纤放大器，不仅能使
WDM
传输的距离大幅度延长，而且也使得传输的性能最佳化。
2.
色散补偿光纤
(Dispersion
Compesation
Fiber
，
DCF)
常规
G
.652
光纤在
1550nm
波长
附近的色散为
17ps/nm?km
。当速率超过
2.5Gb/s
时，随着传输距离的增加，会导致误码。
< br>若在
CATV
系统中使用，会使信号失真。其主要原因是
正色散值的积累引起色散加剧，从
而使传输特性变坏。为了克服这一问题，必须采用色散
值为负的光纤，
即将反色散光纤串
接
入系统中以抵消正色散值，
从而控制整个系统的色散大小。
这里
的反色散光纤就是所谓的
色散补偿光纤。
在
1550nm
处，反色散光纤的色散值通常在
-50~200ps/nm?km
。为了得到如
此
高的负色散值，
必须将其芯径做得很小，
相对折射率差做得很大
，
而这种作法往往又会导
致光纤的衰耗增加
(0.5~1dB/km)
。色散补偿光纤是利用基模波导色散来获得高的负色散值
，
通常将其色散与衰减之比称作质量因数，
质量因数当然越大越
好。
为了能在整个波段均匀补
偿常规单模光纤的色散，最近又开
发出一种既补偿色散又能补偿色散斜率的
双补偿
光纤
(DDCF)
。
该光纤的特点是色散斜率之比
(RDE)
与常规
光纤相同，
但符号相反，
所以更适合在
整个波形内的均衡补偿。
3.
光纤光栅
(Fiber
Grating)
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在紫外光
的照射
(
通常称
为紫外光
写入
下，
< br>于光纤芯部产生周期性的折射率变化
(
即光栅
)
而制成的。
使用的是掺锗
光纤，在相位掩膜板的掩蔽下，用紫外光照射
(
在载氢气氛中
)
，使纤芯的折射率产生周期性
的变化
，
然后经退火处理后可长期保存。
其制作原理如图
2
所示。
图
2
中的相位掩膜板实际
上为一块特殊设计的光栅，
其正
负一级衍射光相交形成干涉条纹，
这样就在纤芯逐渐产生成
光栅
。光栅周期
A
是模板周期的二分之一。
众所周知，光栅本身是一种选频器件，利用光
纤光栅可以制作成
许多重要的光无源器件及光有源器件。例如
:
色散补偿器、增
益均衡器、
光分插复用器、光滤波器、光波复用器、光模或转换器、光脉冲压缩器、光纤
传感器以及光
纤
器等。
4.
多芯单模光纤
(Multi-Coremono-Mode
Fiber
，
MCF)
多芯光纤是一个共用外包层、内含有多
根纤芯、而每根纤芯又有自己的内包层
的单模光纤。这种光纤的明显优势是成本较低。
4
芯
的这种光纤的生产成本较普通的光纤约低
50%
。
此外，这种光纤可以提高成缆的集成密度，
同时也可降低施工成本。
以上是光纤技术在近几年里所取得的主要成就。至于光缆方面的
< br>成就，
我们认为主要表现在带状光缆的开发成功及批量化生产方面。
这种光缆是光纤接入网
及局域网中必备的一种光缆。
目前光缆的含纤数量达千根以上，
有力地保证了接入网的建设。
三
光有源器件的进展
光有源器件的研究
与开发本来是一个最为活跃的领域，
但由于前
几年已取得辉煌的
成果，所以当今的活动空间已大大缩小。超晶格结构材料与量子阱器件，
目
前
已
完
全
< br>成
熟
，
而
且
可
以
大
批
量
生
产
，
已
完
全
商
品
化
，
如
多
量
子
阱
<
br>
href=
target=
激
光
器
(MQW-LD
，
MQW-
DFBLD)
。
除此之外，目前已在下列几方面取得重大成就。
1.
集
成
器
件
这
里
主
要
指
光
电
集
成
(OEIC)<
/p>
已
开
始
商
品
化
，
如
分
布
反
馈
器
(DFB-LD)
与电吸收调制器
(EAMD)
的集成，
即
DFB-
EA
，
已开始商品化
;
其它发射器件的集成，
如
DFB-
LD
、
MQW-LD
分别与
MESFET
或
HBT
或
HEMT
的集成
;
< br>接收器件的集成主要是
PIN
、
金属
?
半导体
?
金属
探测器分别与
MESFET
或<
/p>
HBT
或
HEMT
的前置放大电路的集成。虽然这些集成都已获得
成功，但还没有商品化。
2.
垂直腔面发射
器
(VCSEL)
由
于
便
于
集
成
和
高
密
度
应
用
，<
/p>
垂
直
腔
面
发
射
器受到广泛重视。这种结构
的
器
件
已
在
短
< br>波
长
(ALGaAs/GaAs)
方
面
取
得
巨
大
的
成
功
，
并
开
始
商
品
化
;
在
长
波
长
(InGaAsF/InP)
方面的研制工作早已开始进行，
< br>目前也有少量商品。
可以断言，
垂直腔面发射
激光
< br>器将在接入网、局域网中
发挥重大作用。
3.
窄带响应可调谐集成光子探测器
由于
DWDM
光网络系统信道间隔越来
越小，甚至
到
0.1nm
。为此，探测
器的响应谱半宽也应基本上达到这个要求。恰好窄带探测器有陡锐的
响应谱特性，
能够满足这一要求。
集
F-P
腔滤波器和光吸收有源层于一体的共振腔增强
(RCE)
型探测器能提供一个重要的全面解决方案。
4.
基于硅基的异质材料的多量子阱器件与集成
(SiGe/Si
MQW)
这方面的研究是一大热
点。
众所周知，硅
(Si)
、锗
(Ge)<
/p>
是简接带源材料，发光效率很低，不适合作光电子器件，但
是
Si
材料的半导体工艺非常成熟。于是人们设想，利用能带剪裁工程
使物质改性，以达到
在硅基基础上制作光电子器件及其集成
(<
/p>
主要是实现光电集成，即
OEIC)
的目
的，这方面已
取得巨大成就。在理论上有众多的创新，在技术上有重大的突破，器件水平
日趋完善。
四
光无源器件
光无源器件与光有源器件
同样是不可缺少的。
由于光纤接入网及全光网
络的发展，
导致光无源器件的发展空前地热门。
常规的常用器件已达到一定的产业
规模，
品
种和性能也得到了极大的扩展和改善。
所谓光无源器件就是指光能量消耗型器件、
其种类繁
多
、功能各异，在光通信系统及光网络中主要的作用是
:
连接光波导或光路
;
控制光的传播
方向
;
控制光功率的分配
;
控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合
;
合波
与分波
;
光信道的上下与交叉连接等。
早期的
几种光无源器件已商品化。其中光纤活动连
接器无论在品种和产量方面都已有相当大的规
模，
不仅满足国内需要，
而且有少量出口。
光
分路器
(
功分器
)
、光衰减器和光隔离器已有小批量生产。随着光纤通信技术的发展，相继又<
/p>
出现了许多光无源器件，如环行器、色散补偿器、增益平衡器、光的上下复用器、光交叉连
接器、阵列波导光栅
CAWG
等等。这
些都还处于研发阶段或试生产阶段，有的也能提供少
量商品。
按光纤通信技术发展的一般规律来看，当光纤接入网大规模兴建时，光无源器件
的需求量远远大于对光有源器件的需求。
这主要是由于接入网的特点所决
定的。
接入网的市
场约为整个通信市场的三分之一。因而，接入
网产品有巨大的市场及潜在的市场。
五
光复用技术
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。光复用技术是当今光纤通信
技术中最为活跃的一个领域，它的技术进
步极大地推动光纤通信事业的发展，给传输技术
带来了革命性的变革。
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<
/p>
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<
/p>
个波长
(
包括光的偏振模色散复用，
OPDM)
。据
1999
< br>年
5
月多伦多的
Light
Management Group Inc of Toronto
演示报导，在一根
光纤中传送
了
65536
个光波，把<
/p>
PC
数字信号传送到
200m
的广告板上，并采用声光控制技术，这说明
了密集波分复用技术的潜在能力
是巨大的。
OTDM
是指在一个光频
率上，在不同的时刻传
送不同的信道信息。
这种复用的传输速度
已达到
320Gb/s
的水平。
若将<
/p>
DWDM
与
OTDM
相
结合，则会使复用的容量增加得更大，如虎添翼。
六
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，<
/p>
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
(<
/p>
如铒、镨、铥等
)
作
为
活性物质。每一种掺杂
剂的增益带宽是不同的
< br>(
如图
4
所示
< br>)
。
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<
/p>
;
掺镨光纤放大器的增益带在
1310
nm
附近。而喇曼光放大
器
则
是
利
用
喇
曼
散
射
效
< br>应
制
作
成
的
光
放
大
器
，
即
大
功
率
的
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)<
/p>
一
般
是
指
行
波
光
放
大
器
，
工
作
原
理
与
半
导
体
A
TM-PON
、
EPON
或
GPON
等。在核心网，实现
IP
等数据信号在光层（
包括在波分复用系统）的直接承载，就是大家熟知的
IP over
Optical
的技术。
由于<
/p>
SDH
系统的良好特性及已有的大量资源，可充分利用原有的
SDH
系统来传送数据信号。起初只
考虑了
对
ATM
的承载，
后来，
通过
SDH
网络承载的数据信号的类型越来越多，<
/p>
例如
FR
、
AT
M
、
IP
、
1
0M-baseT
、
FE
、
GE
、
10GE
、
DDN
、
FDDI
、
Fiber
Channel
、
FICON
、
ESCON
等。于是，人们提出了许多将
IP
等信号
< br>送进
SDH
虚容器
VC
的方法，
起初是先将
IP
或
Ethernet
装进
ATM
，
然后再映射进
SDH
传输，
即
IP/Ethernet
over
ATM
，
再
over SDH
。
后来，
又把中间过程省去，
< br>直接将
IP
或
Ethernet
送到
SDH
，
如
PPP
、
LAPS
< br>、
SDL
、
GFP
等，即
IP over SDH
、
< br>POS
或
EOS
。
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，
40GB
/s
已实现商品化。同时，
还正在探讨更大容量的系统，
如
160Gb/s
（单波道）
系统已在实验室研制开发成功，
正在考虑为其制定标准。
此外，利用波分复用等信道复用技术，还可以将系统容量进一步提高。目前
32×
10Gb/s
（即
320Gb/s
）的
DWDM
系统已普遍应用，
160×
10Gb/s
（即
1
.6Tb/s
）的系统也投入了商用，实验室中超过
10Tb/
s
的系统已
在多家公司开发出来。光时分复用
< br>OTDM
、孤子技术等已有很大进展。毫无疑问，这些对于骨干网的传输
是非常有利的。
信号超长距离的传输
从宏观
来说，对光纤传输的要求当然是传输距离越远越好，所有研究光纤通信技术的机构，都在这方
面下了很大工夫。
特别是在光纤放大器出现以后，
这方面的
记录接连不断。
不仅每个跨距的长度不断增加，
例如，由当初的
20km
、
40km
< br>，最多为
80km
，增加到
12
0km
、
160km
。而且，总的无再
生中继距离也在不
断增加，如从
600km
左右增加到
3000km
、
400
0km
。从技术的角度看，光纤放大器其在拉曼光纤放大器的
出
现，
为增大无再生中继距离创造了条件。
同时，
采用有利于长距离传送的线路编码，
如
RZ
或
CS-RZ
码；
采用<
/p>
FEC
、
EFEC
或
SFEC
等技术提高接收灵敏度；用色散补偿和
PMD
补偿技术解决光通道代价和选用合
适的光纤
及光器件等措施，
已经可以实现超过
STM-64
或基于
10Gb/s
的
DW
DM
系统，
4000km
无电再生中<
/p>
继器的超长距离传输。
光传输与交换技术的融合
随着对
光通信的需求由骨干网逐步向城域网转移，光传输逐渐靠近业务节点。在应用中人们觉得光通
信仅仅作为一种传输手段尚未能完全适应城域网的需要。作为业务节点，比较靠近用户，特别对于数据业
务的用户，希望光通信既能提供传输功能，又能提供多种业务的接入功能。这样的光通信技术
实际上可以
看作是传输与交换的融合。目前已广泛使用的基于
S
DH
的多业务传送平台
MSTP
，就是
一个典型的实例。
基于
SDH
的
MSTP
是指在
SDH
的平台上，同时实现
TDM
、
ATM
、以太网等业务的接入处理和传送，提
供统一网管的多业务节点
设备。实际上，有些
MSTP
设备除了提供上述业务外，还可以
提供
FR
、
FDDI
< br>、
Fiber Channel
、
FICON
、
ESCON
等众多类型
的业务。
除了基于
SDH
的
MSTP
之外，
还可以有基于
WDM
的
MS
TP
。
实际上是将
WDM
的每个波道分别用作
各个业务的通道，即可以用透传的方式，也可以支持各种
业务的接入处理，如在
FE
、
GE
等端口中嵌入以
太网
2
层甚至
3
层交换功能等，使
WDM
系统不仅仅具有传送能力，而且具有业务提供能力。
进一步在光层网络中，将传输与交换功能相结合的结果，则导出了自动交换光网络
ASON
的概念。
ASON
除了原有的光传送平面和管理平面之外，还增加了控制平面，除了能实现原来光传送网的固定型连
接（硬连接）外，在信令的控制下，还可以实现交换的连接（软连接）和混合连接。即除了传送功能外
，
还有交换功能。
互联网发展需求与下一代全光网络发展趋势
近年来，随着互联网的迅猛发展，
IP
业务
呈现爆炸式增长。预测表明，
IP
将承载包括语音、图像、数<
/p>
据等在内的多种业务，构成未来信息网络的基础；同时以
WDM<
/p>
为核心、以智能化光网络（
ION
）为目
标
的光传送网进一步将控制信令引入光层，满足未来网络对多粒度信息交换的需求，提高
资源利用率和组网
应用的灵活性。因此如何构建能够有效支持
I
P
业务的下一代光网络已成为人们广泛关注的热点之一。
对承载业务的光网络而言，下一步面临的主要问题不仅仅是要求超大容量和宽带接入等明显需
求，还
需要光层能够提供更高的智能性和在光节点上实现光交换，其目的是通过光层和<
/p>
IP
层的适配与融合，
建立
一个经济高效、灵活扩展和支持业务
QoS
等的光网
络，满足
IP
业务对信息传输与交换系统的要求。
智能化光网络吸取了
IP
网的智能化特点，在现有的光传送网上增加了一层控制平面，
这层控制平面
不
仅用来为用户建立连接、提供服务和对底层网络进行控制，而且具有高可靠性、可扩展
性和高有效性等突
出特点，并支持不同的技术方案和不同的业务需求，代表了下一代光网
络建设的发展方向。
研究表明，随着
< br>IP
业务的爆发性增长，电信业和
IT
< br>业正处于融合与冲突的
“
洗牌
”
阶段，新技术呼之
欲出。尤其是随着软件控制（
“
软光
”
技术）的使用，使得
今天的光网络将逐步演进为智能化的光网络，它
允许运营者更加有效地自动配置业务和管
理业务量，同时还将提供良好的恢复机制，以支持带有不同
QoS
需求的业务，从而使运营者可以建设并灵活管理的光网络，并开展一些新的应用，包括带宽租赁、波长业
务、光层组网、光虚拟专用网（
OVPN
）等
新业务。
综上所述，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
< br>互联网应用的光波技术已构成了今天的光纤通信研究热点，在未来的一段时间里，人们将继续研究和建
设各种先进的光网络，并在验证有关新概念和新方案的同时，对下一代光传送网的关键技术进
行更全面、
更深入地研究。从技术发展趋势角度来看，
WDM<
/p>
技术将朝着更多的信道数、更高的信道速率和更密的信
道间隔的方
向发展。从应用角度看，光网络则朝着面向
IP
互联网、能融入
更多业务、能进行灵活的资源配
置和生存性更强的方向发展，尤其是为了与近期需求相适
应，光通信技术在基本实现了超高速、长距离、
大容量的传送功能的基础上，将朝着智能
化的传送功能发展。
光纤通信技术的发展趋势
——韦乐平
[
摘要
]<
/p>
对光纤通信技术领域的主要发展热点作一简述与展望，
主要有超高
速传输
系统、
超大容量波分复用系统、光联网技术、新一代的光纤、
IP
over SDH
与
IP over Op
tical
以及光接入网。关键词：光纤
超高速传输
超大容量波分复用
光联网