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光纤通信技术的现状及发展趋势电子信息科学与技术专业 王可霞指导老师 张琛摘要：在现代通信网的三大支柱（光纤通信、卫星通信、无线通信），因光纤通信具有频带宽、通信容量大、损耗低、中继距离长、抗电磁干扰、无串音干扰、光线原材料丰富等优点。而成为了通信网的主体，备受业内人士的青睐，发展非常迅速。本文主要从光纤光缆、光器件、光传输设备和系统等几个方面介绍光纤通信的发展、研发、应用现状，展望光线通信在我国的应用发展前景。关键词：光线通信、现状、前景光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。中国通信技术的发展经历了许多曲折和困难，有研发初期“巴统”的技术封锁、基础和工业实施配套跟不上、资金投入的不足、人才资源缺乏等到我国通信界的同行们为发展自己的民族光通信事业，克服重重困难，掌握了光纤、器件、系统等各方面的技术，逐渐走进了国际光通信的先进行列。1发展、研发现状1、1光纤光缆的发展现状 光纤 符合itu-t g.652.a规定的普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展，光中继距离和单一波长信道容量增大,g.652.a光纤的性能还有可能进一步优化，表现在1550nm区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合itu-t g.654规定的截止波长位移单模光纤和符合g.653规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。g.653光纤虽然可以使光纤容量有所增加，但是，原本期望得到的零色散因为不能抑制四波混频，反而变成了采用波分复用技术的障碍。 星酷网星酷网为了取得更大的中继距离和通信容量，采用了增大传输光功率和波分复用、密集波分复用技术，此时，传输容量已经相当大的g.652普通单模光纤显得有些性能不足，表现在偏振模色散（pmd）和非线性效应对这些技术应用的限制。核心网光缆我国已在干线（包括国家干线、省内干线和区内干线）上全面采用光缆，其中多模光纤已被淘汰，全部采用单模光纤，包括g.652光纤和g.655光纤。g.653光纤虽然在我国曾经采用过，但今后不会再发展。g.654光纤因其不能很大幅度地增加光纤系统容量，它在我国的陆地光缆中没有使用过。干线光缆中采用分立的光纤，不采用光纤带。 干线光缆主要用于室外，在这些光缆中，曾经使用过的紧套层绞式和骨架式结构，目前已停止使用。当前我国广泛使用的干线光缆有松套层绞式和中心管式两种结构，并且优先采用前者。松套层绞式光缆采用sz绞合结构时的生产效率高，便于中间分线，同时也能使光缆取得良好的拉伸性能和衰减温度特性，目前它已获得广泛采用。在长途线路中，由于距离长、分支少，光缆在系统中所占费用比例相对较高。因此，干线光缆将通过采用g.655光纤和波分复用、密集波分复用技术来扩大容量。光缆本身的基础结构己相对成熟，不会有大的改变。但是，光缆的某些防护结构和性能仍有待开发完善。接入网光缆接入网中的光缆距离短，分支多，分插频繁，为了增加网的容量，通常是增加光纤芯数。特别是在市内管道中，由于管道内径有限，在增加光纤芯数的同时增加光缆的光纤集装密度、减小光缆直径和重量，是很重要的。 接入网使用g.652普通单模光纤和g.652.c低水峰单模光纤。低水峰单模光纤适合于密集波分复用，目前在我国已有少量的使用。 接入网用光缆中广泛采用光纤带型式，它可使光缆适应芯数大和光纤集装密度高的要求，而且可以通过光纤带整带接续的方式提高光缆接续效率。但是，在小芯数光缆情况下，也直接采用分立的光纤。 由于光纤带光缆中光纤集装密度增大，可能损害光缆的拉伸性能和衰减温度特性，以及有可能损害光纤的传输衰减。因此，在获得大芯数、小外径要求的同时，光纤带光缆还有许多课题值得研究。 接入网光缆主要用于室外，目前有松套层绞式、中心管式和骨架式三种类型。虽然这些结构在国内都得到应用，但是都还需要在获得高集装密度、小尺寸、良好性能、便于制造、低成本和便于使用（例如便于分线和下线）等方面经受考验。室内光缆 室内光缆往往需要同时用于话音、数据和视频信号的传输。并目还可能用于遥测与传感器。多模光纤虽然不再用于核心网和接入网，但芯径包层直径为62.5125m的渐变型多模光纤在室内综合布线中仍有较多的应用，今后也可能应用50125m渐变型多模光纤。这种情况与综合布线系统的现有技术状况有关，随着单模光纤系统的发送模块、接收模块和相关设备成本的降低，本身价廉的单模光纤仍然有可能取代综合布线用的多模光纤。 随着我国ftth、fttc系统的采用和各种要求的智能大厦的建设，要求越来越多的室内光缆产品投入应用。目前所用的综合布线光缆芯数较小、缆芯不填充油膏、防火性能要求只限于阻燃或不延燃，这些光缆在品种、结构和性能等方面还急需进一步开发、完善和提高。 在布线光缆所用的光纤类型方面，国外正在探索采用多芯光纤，例如前面提到的四芯光纤，这样可使光缆外径小、重量轻、柔软性好。随着通信业务的急剧增加，局内光缆布线的芯数将增加数倍，减小尾缆的直径，以便在有限的机房空间内布放更多的终端模块，就显得很重要。电力线路中的通信光缆 光纤是介电质，光缆也可作成全介质，完全无金属。这样的全介质光缆将是电力系统最理想的通信线路。用于电力线杆路敷设的全介质光缆有两种结构：即全介质自承式（adss）结构和用于架空地线上的缠绕式结构。 adss光缆因其可以单独布放，适应范围广，在当前我国电力输电系统改造中得到了广泛的应用。国内已能生产多种adss光缆满足市场需要。但在产品结构和性能方面，例如大志数光缆结构、光缆蠕变和耐电弧性能等方面，还有待进一步完善。adss光缆在国内的近期需求量较大，是目前的一种热门产品。在高压电力线路同杆路敷设的另一类光缆是光纤架空复合地线（opgw）。它把光纤放在电力线路的保护地线中，既用于通信，又作保护地线。这种光缆往往在新建地线和更换旧地线时才可能采用。目前国内已能生产这类产品，但在产品结构和性能方面也还有待进一步完善。在opgw中采用金属管作松套管，除了有利于防上光纤发生氢损之外，还可很好的保证中心管中的光纤余长，提高光缆强度，提高容许的短胳电流和减小低温附加衰减。 汽车用光缆由于汽车的对发动机的综合监视、汽车诊断、智能信息系统、光电显示和可靠性、安全性的需要，光纤的应用已开始进入汽车之中。据国外报道，在汽车总线中加入了一种带微型扎纹管的pof（聚合物光纤）光缆，能用于智能车的导航、无线电收音机、光盘唱机、高保真度系统和无线电话。由于pof能够不受干扰地实时工作，从而确保汽车的安全要求。突变型折射率分布pof的衰减为150dbkm，100m长度上的数据传输速率为50mbs。如果采用氧化聚甲基丙烯酸甲酯生产的渐变型折射率分布光纤，预期传输衰减可降低到10dbkm和数据传输速率5gbs。 目前，我国的干线光缆结构已较成熟。接入网光缆、室内光缆和电力线路光缆等都还处于发展中。为了适应光通信的发展需要，我国在光缆结构改进、新材料应用和性能提高等方面都还有进步.在主要技术上，都有自己的特色和创新，如1B1H的光线路码型、自己特色的网络管理系统、能构成自愈环的PDH设备、自行设计的全套SDH专用芯片、在线升级的SDH设备、通过LAPS实现的IP over SDH等，形成了自己的知识产权，为进一步发展打下了良好的基础。1、2 研发、应用现状在光纤研制方面，我们已基本掌握了常规单模和多模光纤的生产技术，已研制出了色散位移单模光纤(G653光纤)、非零色散位移单模光纤(G655光纤)、大有效面积非零色散位移单模光纤、色散补偿光纤(DCF)、掺铒光纤、保偏光纤、数据光纤等，并能达到生产水平。对通信用塑料光纤的制造和特性也进行了深入的研究。其中以大保实光纤为代表的大有效面积非零色散位移单模光纤已在工程中应用，其主要特性如表1虽然光纤光缆的研制仅短短的20多年，其应用却已相当普遍。迄今，已敷设光缆长度超过100万km，光缆已敷设到世界屋脊西藏。生产光缆的厂家有200多家，每年所用光纤的数量超过400万km。在实际网络中，无论是核心网还是接入网，目前主要应用的还是G.652光纤。在核心网中新建线路已开始采用G.655光纤，在接入网中已开始应用光纤带光缆。 器件是光通信设备和系统的基础，目前国内自行开发的光通信设备中，已采用了最先进的光器件和光电器件。 光电器件的研制在高速激光器、增益开关半导体激光器、量子阱双稳态激光器、掺铒光纤激光器、主动锁模光纤环形孤子激光器、被动锁模光纤环形激光器、光纤光栅激光器、光收发模块、半导体光放大器(SOA)、掺铒光纤放大器(EDFA)、增益平坦EDFA、高增益低噪声EDFA、掺铒光纤均衡放大器、DFB-LD与EA型外调制器的集成器件、应用于接入网的单纤收发集成器件等方面都有显著进展。特别是国产的EDFA和光收发模块已在国内普遍推广应用。典型的DWDM用掺铒光纤放大器的特性参数如表2所示。光传输设备及系统的研制和生产更是形势喜人，STM-1、STM-4、STM-16的TM、REG、ADM等已经大批量生产，除投入国内市场外，也进入了国际市场。STM-64已研制成功，进行了478.8km的传输实验。DWDM的研制进展很快，除了42.5Gb/s、82.5Gb/s、162.5Gb/s系统的产品已投放市场，322.5Gb/s系统正准备建立试验工程。810Gb/s系统完成了传输实验。目前正在进行1610Gb/s系统的研制。此外，许多院、所、校还开展了光时分复用(OTDM)方面的研究，42.5Gb/s的OTDM已初见成效， 410Gb/s 或810Gb/s的研究也拉开了帷幕。对光纤CDMA、光ATM交换系统、光孤子传输等的研究也有很大进展。 除DWDM的终端设备外，信息产业部武汉邮电科学研究院已研制出可以上下4个波道的光分插复用器OADM。北京邮电大学、清华大学、上海交通大学等已研制出小型的光交叉设备OXC。 除了向高速大容量系统发展之外，在光接入网的研究方面也投入了很大力量。目前的研究目标是在尽量使光纤接近用户、综合业务接入、宽带接入、降低成本等方面。例如带V5接口的无源光网络（PON）,带V5接口的IDLC、电信业务与广播电视的综合接入、宽带全业务接入网及降低光接入网的成本等是最主要的课题。用于接入网的SDH设备，如紧凑型STM-1（单板STM-1）设备已大量投放市场，PON、IDLC等已有产品提供。目前正在开发综合宽带光接入系统如ATM-PON等，为进一步实现FTTH打下基础。2、 前景展望 光纤通信技术作为在实际运用中相当有前途的一种通信技术,已成为现代化通信非常重要的支柱。作为全球新一代信息技术革命的重要标志之一,光纤通信技术已经成为当今信息社会中各种多样且复杂的信息的主要传输媒介,并深刻、广泛地改变了信息网架构的整体面貌,以现代信息社会最坚实的通信基础的身份,向世人展现了其无限美好的发展前景。 另外， 我国光纤市场的需求依然很大，光纤传输是所有网络的基础，作为基础行业，其未来的发展不可估量。从目前来看，随着3G网络的建设、光纤到户（FTTH）在国内的大范围推广，光纤市场规模迅速扩大，且缺口巨大，光纤产业极有可能成为下一个朝阳产业。2008年我国共铺设光纤5000万芯千米，累计铺设光纤已超过1.5亿芯千米。未来几年光纤市场将以每年20%的速度增长。我国已经拥有世界上最大的固话通信网络、最大的移动用户网和最大的互联网用户群，宽带光缆传输网络市场规模由此可见一斑。光纤已广泛应用在军事、互联网、金融、交通、环保、监控、医疗、文化及航天等领域。从长期战略上看，光纤产业应该是国家重点支持和发展的战略产业。2009年我国主要光纤厂商的产能规模为5000万芯千米，而国内光纤需求在6500-7000万芯千米，缺口达1500-2000万芯千米，2010年光纤供不应求的局势短期不会改变。由于光纤行业的需求缺口巨大，各地纷纷抓住时机，着手布局光纤产业的发展。 目前欧美和日本等发达国家仍处于国际金融危机的阴影中，不少国际大公司已退出或计划退出光纤市场，这给国内企业提供了进入国际市场的极好机会。为了提高我国光纤产品的国际竞争力，国内光纤企业要抱团发展，一致对外，防止将国内不理智的竞争手段带进国际市场。全球化合作趋势使企业单独作战获得成功的可能性大大降低，企业只有进行合作才能站在更高的起点，在竞争激烈的国际市场上获得更多、更持久的竞争优势。 目前光纤通信技术有个重要的发展趋势 其一，光纤通信技术目前正朝着超高速、超大容量和超长距离发展。（一） 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。 （二）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。其二 ，全光通信网未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化,但在网络结点处仍采用电器件,限制了目前通信网干线总容量的进一步提高, 而全光网络以光节点代替电节点,节点之间也是全光化,信息始终以光的形式进行传输与交换,交换机对用户信息的处理不再按比特进行,而是根据其波长来决定路由。在网络各节点上使用具有高可靠性、大容量和高灵活度的光交叉边接设备（OXC）来实现个网络节点间信息的交换。 全光网络具有良好的透明性、开放性、兼容性、可靠性和可扩展性,并能提供巨大的带宽、超大容量、极高的处理速度和较低的误码率,网络结构简单,组网非常灵活,可以随时增加新节点而不必安装信号的交换和处理设备，与以前的光网络相比，全光网络的优点表现在：光信号在经过光交换单元时，不需要经过光/电、电/光转换，因此它不受检测器、调制器等光器件响应速度的限制，对比特速率和调制方式透明，可以大大提高交换单元的吞吐量目前世界各国研究开发中的全光网络主要集中在美国、欧洲和日本。例如前几年开始的美国ARPA(Advanced Research Projects Agency)一期计划(ONTC、AON等)和二期全球网计划(MONET、NTON、ICON、WEST等)；欧洲的RACE(Research and development in Advanced Communications technologies in Europe)和ACTS(Advanced Communications Technologies and Services)光网络计划；日本有NTT、NEC和富士通等主要大公司和实验室进行的研究开发项目；此外，在法国、德国、意大利和英国同时也在做全光网络方面的研究。最近有Oxygen计划，美国光互联网规划、加拿大光网络规划，欧洲光网络规划等，既建立了许多试验平台，又进行了现场试验，以研究光网络结构、光网络管理、光纤传输、光交换和光网络对新业务的适应性等关键技术。比较著名的有美国的多波长光网络MONET(Multiwavelength Optical Networking)和国家透明光网络NTON；欧洲ACTS计划中的泛欧光传送网OPEN和光纤城域网METON；日本NTT的企业光纤骨干COBNET和光城域网PROMETEO等。在我国则有中科院、高等院校和科研院所进行的国家863计划重大项目中国高速信息示范网CAINONET等。值得注意的是，当业务变得以IP为中心时，在光领域的分组交换将具有明显的优点。因为它可以有效地将各种业务量集中在一起，提高每一波长或光路的利用率，降低每比特的费用，而不必过多地仅依靠配置和增加波长来疏通调节业务量；所以，将光分组交换与光波长交换相结合，才是一条实现全光通信网的技术坦途。面向未来IP业务的全光网络的研究已经成为各国和跨国公司研究计划的重点，而自动光交换网络是首当其冲的。（二） 光孤子通信光孤子是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲。一束光脉冲包含许多不同的频率成分，频率不同，在介质中的传播速度也不同，因此，光脉冲在光纤中将发生色散，使得脉宽变宽。但当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，将产生克尔效应，即介质的折射率随光强度而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制，使脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化引起频率升高，于是脉冲前沿比其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用可以恰好抵消，则脉冲可以保持波形稳定不变地在光纤中传输，即形成了光孤子，也称为基阶光孤子。若脉冲幅度继续增大时，变窄效应将超过变宽效应，则形成高阶光孤子，它在光纤中传输的脉冲形状将发生连续变化，首先压缩变窄，然后分裂，在特定距离处脉冲周期性地复原。光孤子的特点决定了它在通信领域的应用前景。通常将基阶光孤子用于通信，因为它在整个传播过程中没有任何变化。光孤子通信具有以下特点：（1）容量大：传输码率一般可达20Gb/s，最高可达100b/s以上；（2）误码率低、抗干扰能力强：基阶光孤子在传输过程中保持不变及光孤子的绝热特性决定了光孤子传输的误码率大大低于常规光纤通信，甚至可实现误码率低于1012的无差错光纤通信；（3）可以不用中继站：只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信号无畸变地传输极远距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、检查误码、电光转换、再重新发送等复杂过程。光孤子通信是实现超长距离高速通信的重要手段，它被认为是第五代光纤通信系统。近年来美、日、英等国相继进行了光孤子通信实验。美国的贝尔实验室先后进行了传输距离为4000、6000、15000的光孤子传输实验，验证了光孤子跨洋通信的可能性，并且完成了32b/s传输90无误码光孤子数据传输实验。日本的公司在完成了5b/s传输400和10b/s传输300实验的