光纤通信技术发展应用及展望.doc

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1、摘要光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。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，进行工业检测，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的主要特征及应用和光纤通信技术的发展历史与发展现状，并对其发展趋势进行了展望。关键字：光纤通信技术，现状，展望，发展，趋势AbstractOptical fiber communication is the use of light waves as a carrier, optical fiber as a transmission medium, the infor

2、mation transmitted from one to another means of communication. Optical fiber communication not only can be applied to the trunk lines of communication may also be applied in power communication control systems, industrial inspection, control, and use in the military field more and more widely. This

3、paper discusses the development of the main features of the optical fiber communication applications and optical fiber communication technology history and development of the status quo and development trend outlook.Key word:Optical fiber communication technology Present Situation ProspectDeveloping

4、 Trend 摘要.1Abstract 2第一章 引言4第二章 光纤通信概述42.1光纤通信的概念42.2 光纤通信的发展历史42.3 光纤的机构组成52.4 光纤通信技术的特点5第三章 光纤通信技术在有线电视网络中的应用6第四章 光纤通信技术的发展及现状64.1光纤的应用从干线网一步步延伸到接入网74.2 光纤通信已从传统的 PDH 系列转为 SDH 系列74.3在光波复用技术方面84.4光纤通信向全光通信方向发展9第五章 光纤通信技术的趋势及展望105.1向超高速系统的发展105.2 向超大容量WDM系统的演进105.3 实现光联网115.4 开发新代的光纤115.5 IPoverSDH与

5、IpoverOptical115.6 解决全网瓶颈的手段一光接入网12第一章 引言光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命，光通信正以超摩尔定律的速度向前发展，近光纤容量及光电子器件的性能，每9个月就会翻一番。据有关资料报导，国外容量达16Tb/s的光通信系统已经在实验水平上实现。目前世界上80%以上的信息是通过光纤传送的，可见光纤用于未来传送网是不容置疑的。第二章 光纤通信概述2.1光纤通信的概念光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。光纤由纤芯，包层和涂层组成，内芯一般为几十微米或几微米，比一根头发丝还细；中间层称为包层，通过纤芯和包层的折射率不同

6、，从而实现光信号在纤芯内的全反射也就是光信号的传输；涂层的作用就是增加光纤的韧性保护光纤。 光纤通信的原理是：在发送端首先把要传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号把它变成电信号，经解调后恢复原信号。2.2 光纤通信的发展历史1966年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。从此，开创了光纤通信领域的研究工作。1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。85微米波段的多模光纤

7、为第一代光纤通信系统。1981年又实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。1984年实现了1.3微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率，用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。新系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，将得到应用。光孤子通信系统可以获得极高的速率，20世纪末或21世纪初可能达到实用化。在该系统中加上光纤放大器有可能实现极高速率和极长距离的光纤通信。2.3 光纤的机构组成 就光纤通信技术本身来说，应该包括以下几个主要部分：光纤光缆技

8、术、光交换技术传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。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。2.4 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，

9、中继距离长。目前，商品石英光纤损耗可低于020dB/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

10、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

11、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。第三章 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，

12、通道设置成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 第四章 光纤通信技术的发展及现状光纤通信的诞

13、生与发展是电信史上的一次重要革命。光纤从提出理论到技术实现和今天的高速光纤通信也不过几十年的时间。从国外的发展历程我们可以看出，20世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400分贝以上，1966年英国标准电信研究所高锟及Hockham从理论上预言光纤损耗可降至20分贝/千米以下，日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100分贝/千米，1970年康宁公司(Corning)采用“粉末法”先后获得了损耗低于20分贝千米和4分贝/千米的低损耗石英光纤，1974年贝尔实验室(Bell)采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品。到1979年，掺锗石英光纤在1.55千米处的损耗已经降

14、到0.2分贝/千米，这一数值已经十分接近由Rayleigh散射所决定的石英光纤理论损耗极限。目前国内光纤光缆的生产能力过剩，供大于求。特种光纤如FTTH用光纤仍需进口，但总量不大，国内生产光纤光缆价格与国际市场没有差别，成本无法再降，已经是零利润，在国际市场没有太强竞争力，出口量很小。二十年来的光技术的两个主要发展，WDM和PON，这两个已经相对比较成熟。多业务传输发展平台两个方面，一方面是更有效承载以太网业务、数据业务，另一方面是向业务方面发展。AS0N的现状是目前的系统只是在设备中，或是在网络中实现了一些功能，但是一些核心作用还没有达到。4.1光纤的应用从干线网一步步延伸到接入网 光纤最早

15、应用于干线网，近几年，干线网核心部分无论是交换还是传输都更新了好几代；不久将成为软件主宰和控制的高度集成和智能化的网络。而另一方 面，现存的接入网 90以上仍是以双绞线铜缆为主的原始落后的模拟系统，干 线网和接入网在技术上的巨大反差，说明接入网确实成为制约全网进一步发展的 瓶颈。尽管目前已出现了一系列解决这一瓶颈问题的技术手段，如双绞线的 XDSL 系统、同轴电缆上的 HFC 系统、宽带无线接入系统和以太网接入等，尤其是 xDSL 系统由于能够充分利用现有铜线资源，具有性价比高、可靠性强等优势，近几年 得到了迅速发展。但这些技术都是过渡性的解决方案，惟一能够彻底解决这一瓶 颈问题的长远技术手段

16、是光接入网。所谓 FTTC，FTTB 等，就是根据光纤深入用 户的程度而定义。4.2 光纤通信已从传统的 PDH 系列转为 SDH 系列光纤通信技术自 20 世纪 80 年代投入商用以来经历了准同步数字体系（PDH） 和同步数字体系（SDH）两个阶段。由于 PDH 体制本身具有的不可克服的局限 性,ITU-T 于 1988 年通过了第一批 SDH 建议，从此传输网发展进入了一个新的时 期。SDH 传输体制是一套完整而严密的传送网技术体制，由于他具有同步复用、 标准接口、强大网络管理能力等显著特点，因此一经诞生就获得了广泛的支持。 我国从 1995 年开始在干线网上全面转向 SDH 体制，目前建

17、成世界第一大 SDH 网 络，干线网上大约 90的业务量已由 SDH 系统所携带。但是 SDH 网络的高可靠 性尚未得到充分发掘，我国省际干线主要仍是点到点线路系统，尚未敷设联网节 点数字交叉连接器（DXC）而终未构成自愈网。SDH 环网的建设才刚刚开始，因 此 SDH 网的建设和完善是一项不可忽视的重要 SDH 技术的主要发展方向之一是速 率继续向高、低端扩展。高端是指传输速率向高速率方向发展，目前 10 Gbs 系统已开始大批量装备网络，不少电信公司已开发出 40 Gbs 的系统，实验室 水平已达到 160 Gbs，但是单路波长的传输速率受限于集成电路硅材料和砷化镓材料的电子迁移率、传输媒

18、介的色散和极化模色散，以及所开发系统的性能价 格比是否有商用经济价值。因此，进一步扩容的现实出路是转达向 WDM 方式；低 端则是向低于 155 Mbs 和 52 Mbs 的方向扩展，主要应用于接入网，乃至用 户驻地网，由于接入网对成本的高度敏感性和运行环境的恶劣性，因此适用于接 入网的 SDH 设备必须是高度紧凑、低功耗和低成本的。近来开发成功的甚短距离 SDH 技术（VSR）就是这一应用趋势的具体体现。其次，随着 IP 逐渐成为网络的 主导业务，SDH 的最新发展趋势是支持 IP 接入，可利用部分 SDH 净负荷来传送 IP 业务，从而使 SDH 也能支持 IP 的接入。4.3在光波复用技

19、术方面 光纤通信系统复用技术方面已从电时分复用（ETDM）系统向波分复用（WDM）系统、光频分复用（OFDM）系统、光时分复用（OTDM）系统、光码分复用（OCDM） 系统等方向发展。（1）ETDM准同步传输体系 PDH、同步传输体系 SDH 都是使用 ETDM 技术，速率从 STM-1(155Mb/s),STM-4(622Mb/s),STM-16(2488Mb/s),STM-64(10Gb/s)发展到 STM-256(40Gb/s),采用 ETDM 技术的 10Gb/s SDH 系统已商用。目前，实验速率已 达 40 Gbs，再提高则受到电子瓶颈的限制，现有微电子工艺难以支持。（2）WDMO

20、FDM 波分复用（WDM）是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。光波分复用的实质是在光纤上进行光频分复用，只是因为光波通常采用波长而不用频 率来描述、监测与控制，在波分复用技术高度发展，以及每个光载波占用的频段 极窄、光源发光频率极其精确的前提下，或许使用光频分复用（OFDM）来描述更 恰当些。人们把在同一窗口中信道间隔较小的 WDM 称为密集波分复用 DWDM，目 前该系统是在 1 550 nm 波长段，同时用 8，16 或更多个波长在一对光纤（也可 以采用单光纤）构成的光通信系统，其中每个波长之间间隔为 16 nm，08 nm 或更低，对应约 200 GHz，100 GHz 或更窄

21、的带宽。由于目前网络业务量的爆涨与生存性的需要，要求迅速提高网络通信容量或 传输带宽，而“暗”光纤，又由于单波长系统电子器件速率瓶颈的限制，敷设新光 缆成本昂贵，多数难以承受，WDM 技术被普遍认为是最佳的网络升级扩容方式。 因为光纤具有巨大带宽的潜力，目前只利用了不到 1，99尚未挖掘；掺铒光 纤放大器 EDFA 以及拉曼光纤放大器的开发，促进了波分复用技术的快速发展。（3）OCDMOCDMA 是采用光纤信道，利用单极性扩频码序列对信息进行编解码，使低速 率的数据信息复用成高速率的光脉冲序列传输或解复用，实现多用户共享信道、 随机异步接入、高速率透明的通信方式。是码分多址扩频通信在光纤通信领

22、域的 应用，集 CDMA 通信与光纤通信之所长，具有天然保密性和安全性、用户随机异 步接入网等优点，是一种很有发展潜力的通信方式。无论 DWDM 还是 OTDM 本身， 由于技术的限制，都不可能将信道数做到无限大，因此总容量和总速率受到一定 的限制。如果将 DWDM 与 OTDM 结合使用，则可发挥两者的各自优势，从而极大地提高总容量和总速率。如 NTT 进行的 3 Tbs OTDMWDM 的传输实验，就是先用 OTDM 把每个波道速率提高到 160 Gbs（1610 Gbs），再将 19 个波道的 160Gbs 采用波分复用，得到 3 Tbs 的信号。单利用 OTDMWDM 方式还不能充分利

23、用光纤 100 Tbs 的带宽资源，如果在 每个时隙采用 OCDM，然后进行 OTDM，最后进行 DWDM，即 OCDMOTDMDWDM 的 方式，则总速率可达数十 Tbs 以上，就相对接近可利用带宽了。4.4光纤通信向全光通信方向发展随着 1 3001 650 nm 全波光纤的开发、光线路放大器 EDFA、拉曼光纤放 大器及各种复用技术、SDH 光传送网技术的发展，使通信网实现全光化成为可能。全光网是指信息从源节点到目的节点的传输完全在光域进行，即全部采用光 波技术完成信息的传输和交换的宽带网络。他包括光传输、光放大、光再生、光 选路、光交换、光存储、光信息处理等先进的全光技 6 术。全光网

24、有如下特点：（1）充分利用了光纤的带宽资源，有极大的传输容量和极好的传输质量；（2）全光网最重要的优点是他的开放性。全光网络的本质是完全透明的， 即对不同速率、协议、调制频率和制式的信号同时兼容，并允许几代设备 PDH SDHATM 甚至于 IP 技术共存于一个光纤基础设施。（3）全光网不仅扩大了网络容量，利用 OADM 可实现在不同的节点灵活地上、 下波长，利用 OXC 实现波长路由选择动态重构、网间互连、自愈功能。（4）采用虚波长通道 VWP 技术，解决了网络的可扩展性，节约网络资源。 但目前 WDM 系统的最大传输距离还只有 600640 km（多跨度系统），要传 更长的距离，还需要借助

25、电再生方式，同时路由交换的实现有待时日。另外目前 各种光学器件性能还不是很理想，节点结构设计还有待完善，这些都会给全光网 性能产生不利影响，使光信号在传输过程中质量不断下降。所以全光网是发展方 向，目前只能从光传送层做起，首先应用于局域网、城域网等内部的光路由选择， 采用的技术主要是基于 WDM 和宽带的 EDFA。从长远来说，全光网的发展趋势必 然向波分、时分、与空分 3 种方式结合的方向发展。因此全光网是光纤通信技术发展的最高阶段，也是理想阶段。第五章 光纤通信技术的趋势及展望目前在光通信领域有几个发展热点即超高速传输系统、超大容量WDM系统、光传送联网技术、新一代的光纤、IPoverOp

26、tical以及光接入网技术。5.1向超高速系统的发展 目前10Gbps系统已开始大批量装备网络，主要在北美，在欧洲、日本和澳大利亚也已开始大量应用。但是，10Gbps系统对于光缆极化模色散比较敏感，而已经铺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。它的比较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)方式进入了大规模商用阶段，而其它方式尚处于试验研究阶段。5.2 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率低于1，还有99的资源尚待发掘。如果将多个发

27、送波长适当错开的光源信号同时在一级光纤上传送，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。基于WDM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。目前全球实际铺设的WDM系统已超过3000个，而实用化系统的最大容量已达320Gbps(21610Gbps)，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(802.5Gbps)或400Gbps(4010Gbps)。实验室的最高水平则已达到2.6Tbps(1320Gbps)。预计不久的将来，实用化系统的容量即可达到1Tbps的水平。5.3 实现光联网上述实用化的波分

28、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，光光联网既可以实现超大容量光网络和网络扩展性、重构性、透明性，又允许网络的节点数和业务量的不断增长、互连任何系统和不同制式的信号。由于光联网具有潜在的巨大优势，美欧日等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。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。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，

29、不仅可以为未来的国家信息基础设施(NJJ)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。5.4 开发新代的光纤传统的G.652单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势，开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。目前，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了两种不同的新型光纤，即非零色散光(G.655光纤)和无水吸收峰光纤(全波光纤)。其中，全波光纤将是以后开发的重点，也是现在研究的热点。从长远来看，BPON技术无可争议地将是未来宽带接入技术的发展方向，但从当前技术发展、成本及应用需

30、求的实际状况看，它距离实现广泛应用于电信接入网络这一最终目标还会有一个较长的发展过程。5.5 IPoverSDH与IpoverOptical以lP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而能否有效地支持JP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志。目前，ATM和SDH均能支持lP，分别称为IPoverATM和IPoverSDH两者各有千秋。但从长远看，当IP业务量逐渐增加，需要高于24吉位每秒的链路容量时，则有可能最终会省掉中间的SDH层，IP直接在光路上跑，形成十分简单统一的IP网结构(IPoverOptical)。三种IP传送技术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥

31、自己应有的历史作用。但从面向未来的视角看。IPoverOptical将是最具长远生命力的技术。特别是随着IP业务逐渐成为网络的主导业务后，这种对JP业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术。5.6 解决全网瓶颈的手段一光接入网近几年，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换，还是传输都己更新了好几代。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，而另一方面，现存的接入网仍然是被双绞线铜线主宰的(90以上)、原始落后的模拟系统。两者在技术上存在巨大的反差，制约全网的进一步发展。为了能从根本上彻底解决这一问题，必须大力发展光接入网技术。

32、因为光接入网有以下几个优点：（1）减少维护管理费用和故障率；（2）配合本地网络结构的调整，减少节点，扩大覆盖；（3）充分利用光纤化所带来的一系列好处；（4）建设透明光网络，迎接多媒体时代。总之，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。参考文献1张劲松，等光波分复用技术M北京：邮电大学出版社，20022张宝富，等全光网络M北京：人民邮电出版社，20023杨世平，等SDH 光同步数字传输设备与工程应用M北京：人民邮 电出版社，20014 王磊，裴丽. 光纤通信的发展现状和未来 J.中国科技信息,2006.5 辛化梅, 李忠. 论光纤通信技术的现状及发展.山东师范大学学报,2003.