我国光纤通信技术的现状及发展趋势

解放军理工大学气象学院 学生论文学生论文 标题 我国光纤通信技术的现状及发展趋势标题 我国光纤通信技术的现状及发展趋势 系 别 应用科学技术系 应用科学技术系 专 业 通信工程通信工程 学 号 姓 名 张弘毅张弘毅 20092009 年年 4 4 月月 1414 日日 摘要摘要 光纤通信自问世以来 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 由于光纤通信通过其通信容量大 传输距离长 抗电 磁干扰 保密性好 重量轻 资源丰富等优点 已经广泛应用于市内局间中继 长途通信和海底通信等公用通信网以及铁道 电力等专用通信网 同时在公用 电话 广播和计算机专用网中得到应用 并已逐渐用于用户系统 光纤通信对 整个电信网和信息产业将产生深远的影响 它的演变和发展结果将在很大程度 上决定电信网和信息产业的未来大格局 也将对以后的社会经济发产将生巨大 的影响 关键词 光纤通信 光缆线路 FTTH 一 发展概况一 发展概况 光纤通信是当今世界上发展最快的领域之一 也是我国与国际先进水平差 距最小的一个领域 在国外光纤通信的研究起步不久 我国于 70 年代初就开始了光纤通信的基 础研究 在光纤光缆 光电器件和光电端机取得阶段性研究成果的基础上 70 年代末就进行了光纤通信系统现场试验 80 年代主要进行实用化攻关 完成了 武汉市话中继实用化工程 武汉 荆州多模光缆 34Mbit s 省内干线工程 扬州 高邮 成都 灌县单模光缆 34Mbit s 省内干线工程和合肥 芜湖 140Mbit s 单模光缆一级干线工程 为大规模推广应用打下了基础 90 年代初期 我国就 开始了光纤通信系统的大量建设 市话中继 省内干线 国家干线 包括农村 通信都用光缆逐渐取代电缆 建设现代化的电信网 完成了 八纵八横 国家 干线 这八纵八横干线主要是采用 PDH140Mbit s 系统 随着市场的需要和建设 的进步 逐渐采用了 SDH622Mbit s 和 2 5Gbit s 系统 国产 8 2 5Gbit sDWDM 系统已用于济南 青岛一级干线 32 2 5Gbit s 系统也即 将进入实用 10Gbit sTDM 系统也通过了实验室验收 在光纤研制方面 我国对国际上现有的光纤类型都在跟踪研究并有了成果 武汉邮科院和长飞公司研制的非零色散位移光纤已经实用 其它如色散补偿光 纤 偏振保持光纤 掺铒光纤 数据光纤 塑料光纤等均能达到生产水平 光 有源器件的研制在掺铒光纤激光器 主动锁模光纤环形激光器 被动锁模光纤 环形激光器 光纤光栅激光器 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等方面都有显著进展 目前光无源器件研制的热点在于光纤光栅做成各种光无源器件等方面 如 光纤光栅波分复用器 光纤光栅色散补偿器 光纤光栅分插复用器等 此外 在平面波导器件及常规光无源器件的研制上也有新的突破 如聚合物薄膜光波 导 极化聚合物光波导 集成光波导器件 双芯 SC 光纤活动连接器 光环形器 高速光开关 混合集成光开关等 光传输设备和系统的研究相当快 在 STM 1 155Mbit s STM 4 622Mbit s STM 16 2 5Gbit s 系列 SDH 产品研制成功之后 又成功地研制 出 8 2 5Gbit sSDH 波分复用系统和波分复用网络管理系统 同时研制的 STM 64 10Gbit s 系统也成功地进行了 180km 的传输实验 在 DWDM 的研究方面进展 很快 除了 4 2 5Gbit s 和 8 2 5Gbit s 系统之外 16 2 5Gbit s 系统也 取得了单向传输 600km 的成绩 此外许多单位还开展了光时分复用 OTDM 方面 的研究 4 2 5Gbit s 的 OTDM 已初见成效 4 10Gbit s 系统研究也拉开帷幕 对光 CDMA 光 ATM 交换机 光孤子传输等研究也有很大进展 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 目前的研究目标是综合业务接入 宽带接入 降低成本等方面 在带 V5 接 口的无源光网络 带 V5 接口的综合数字用户环路 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方面都取得阶段性成 果 用于接入网的 SDH 设备 如紧凑型 STM 1 设备 内置 SDH 系统的接入网已 研制成功 PON IDLC 等已开始有产品 应用于接入网的单纤收发集成器件亦 能提供 同时 光纤通信技术还应用于 CATV 移动通信的光纤直放站 计算机 网络的光纤联网 光纤图象监控系统等 在理论研究方面 主要是各大专院校和研究院所对光传输理论的分析研究 如光纤光缆方面的光纤翘曲特性 色散补偿光纤的折射率剖面 非线性的四波 混频效应 光纤拉伸应变 色散和损耗的同时补偿等 光无源器件主要集中在 光纤光栅方面和对光开关 滤光器 光耦合器 光隔离器 光环形器 光双稳 态器件等的研究 光有源器件方面研究反射光对激光器线宽的影响 激光器的 啁啾特性分析 应变量子阱激光器 光纤激光器 蓝绿光发光器件 半导体光 放大器 泵浦激光器和高速收发模块等 还有系统方面的调制不稳定性 EDFA 级联的各种问题 啁啾对传输的影响 光孤子传输 高速系统的色散补偿 DWDM 系统的各种问题 OTDM 系统 光 CDMA 系统 光传送网的探讨等 目前 我国对光通信研究走在前面的城市是武汉 武汉作为我国第一根光 纤的发源地 是光通信产业重要的研发基地 光通信产业已成为支持武汉 中 国光谷 发展的主导产业 同时也是我国为数不多的覆盖产业链各环节 基本 与世界同步 拥有部分核心技术和自主知识产权的高科技产业 2006 年 武汉 市光通信产业规模以上企业 41 家 完成工业总产值 119 6 亿元 同比增长 69 实现销售收入 98 4 亿元 同比增长 26 5 实现利税 9 75 亿元 同比增 长 44 生产光纤 1185 万芯公里 含预制棒 约占全国产量的 45 生产光缆 697 万芯公里 约占全国产量的 35 2007 年光通信产业继续保持快速增长 上半年光纤生产 550 万公里 同比增长 21 4 实现销售 477 万公里 产销率 86 7 光缆生产 138 万芯公里 同比增长 32 7 实现销售 275 万芯公里 产 销率 199 光通信产业重点企业武汉市邮电科学研究院 2006 年实现产值 32 17 亿元 增长 40 7 预计 2007 年全年可实现产值 40 亿元 增长 25 长飞光纤 光缆 2006 年共实现产值 20 亿元 增长 44 预计 2007 年全年可实现产值 25 亿元 增长 25 武汉凡谷 2006 年实现销售收入 8 亿 税收 7000 万 2007 年 上半年已实现产值 5 29 亿元 同比 44 68 二 促进光纤通信发展的因素二 促进光纤通信发展的因素 随着技术的发展 市场需求的增长 通信发展和运行环境的变化对光纤通信 提出了更高的要求 长期以来 电话业务以小于 10 的速度稳步增长 以电话 业务为主的电信网容量需求不大 以此为依据敷设的干线光缆芯数较少 进入 90 年代中期以来 计算机和因特网的发展 数据业务以 40 的速度增长 成为 电信业务量的主要增长点 特别是 IP 业务呈爆炸性增长 现代社会对通信的依 赖性越来越大 网络的生存性更显得至关重要 光纤通信作为一门新学科来讲 其发展的速度与潜力在通信历史上很少有其他技术能与之相比 目前单模光纤 的生产以完全实用化 它的传输频带达几十 G Hz 以上 在 1 3um 窗口的损耗是 0 5db KZ 在 1 51um 窗口的损耗是 0 2 0 3db KZ 已接近理论极限值 当前 国家把加快信息通信发展放到了一个十分重要的地位 确立了 科教兴国 方 针 而信息技术是当今世界应用范围最广 产生效益最高 前景最为广阔的科 学技术 成为 21 世纪的世界第一大产业已是无可争辩的事实 因而作为信息技 术的支柱技术之一的光纤通信技术的地位空前提高 成为政策优先 重点倾斜 的对象 同时光纤通信是国家基础设施之一 属于国家加大投资力度 加快发 展之列 这都将以较大的力度拉动光纤通信技术的发展 这些有利因素给我国光纤通信发展带来机遇 与此同时 也应看到 正是 上述有利的因素 又使光纤通信技术的发展面临严峻的挑战 国外光纤通信产 业惊羡中国这一既巨大但又不成熟的光纤通信市场 纷纷欲涉足于此 而我国 长期模仿 使用别人的技术和设备 将会非常被动 在国际市场就不会有竞争 力 因此加快光纤通信技术的研发 转化和应用 研究拥有自主知识产权的产 品是促进光纤通信产业发展的关键环节 三 光纤通信的发展趋势三 光纤通信的发展趋势 近来有人对光纤通信的发展前景有些困惑 其一 200 年的 IT 行业泡沫 是光纤通信的生产规模投入过大 生产过剩 IT 行业中有许多小公司倒闭 特 别是光纤 国外对中国倾销 其二 有人认为光纤通信的传输能力已经达到 10Tbps 几乎用不完 而且现在大干线已经建设的差不多了 埋地的剩余光纤 还有很多 光纤通信技术不需要更多的发展 近几年 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开放 光纤通信又一次呈现了蓬勃发展的新局面 根据摩尔定律 CPU 的处理速度每 18 个月翻一番 根据近几年的发展 光纤通信的传输带宽每 9 个月就增加一倍 而成本同时降低一半 同时全球因特网流量每 6 个月就翻一番 作为当代通信 领域的支柱技术 光纤通信正以每 10 年速率增长 100 倍的速度发展 预计这一 发展速度还可持续 10 年 其总的发展趋势是容量越来越大 可靠性越来越高 提供的业务种类越来越多 1 光纤到家 FTTH 的发展 FTTH 可向用户提供极丰富的带宽 所以一直被认为是理想的接入方式 对 于实现信息社会有重要的作用 还需要大规模推广和建设 FTTH 所需要的光纤 可能是现有的已铺光纤的 2 3 倍 过去由于 FTTH 成本高 缺少宽带视频业务和 宽带内容等原因 使 FTTH 还未能提到日程上来 只有少量的试验 近来 由于 光电子器件的进步 光收发模块和光纤的价格大大降低 加上宽带内容有所缓 解 都加速了 FTTH 的实用化进程 发达国家对 FTTH 的看法不完全相同 美国 AT T 认为 FTTH 市场较小 在 OF2003 宣称 FTTH 在 20 50 年后才有市场 美国运行商 Verizon 和 Sprint 比 较积极 要在 10 12 年内采用 FTTH 改造网络 日本 NTT 发展 FTTH 最早 现在 已经有接近 200 万用户 目前我国 FTTH 处于试点阶段 2 容量不断扩大 增加光纤通信的容量 除了多敷光缆 同一缆内绞合数十数百根光纤外 最 常用的方法是时分复用 TDM 增加单信道的速率 按照电时分复用方式进行 的光纤通信 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 这就是光纤通信 系统传输速率在一直持续提高的根本原因 当前商用 TDM 系统的速率已达 10Gbit s 可以携带 12 万条话路 TDM 技术简单 成熟 利用常规光纤和普通 EDFA 即可使速率提高 4 倍 同时运行维护和网管也简单方便 但是速率的提 高受电子器件速率极限的限制 超高速器件难度大 价格贵 光纤色散对超高 速信号的影响也严重 同时超高速调制技术也增加了难度 虽然 TDM40Gbit s 已进行试用 将来用于本地通信也有可能 但难于用于长途通信 40Gbit s 以 上的 TDM 系统难度就更大了 单信道 TDM 系统只利用了光纤 200nm 可用容量的 1 左右 99 的资源尚待挖掘 因此 波分复用成为网络升级 增加容量的必由 之路 目前 实用化 WDM 系统的最大波道数已达 80 个 美国朗讯已推出 80 个 波长的 WDM 系统 其总容量可达 200Gbit s 80 2 5Gbit s 或 400Gbit s 40 10Gbit s 下世纪初预计可达 640Gbit s 发展十分迅速 从 理论上讲 光纤全部可用频段达 25000GHz 为无线通信全部可用频段 30GHz 的 800 多倍 因此具有巨大的发展潜力 要进一步增加传输容量 可采用光时分 复用 OTDM 避开电子器件速率极限的瓶颈 在光传送速率上进行时分复用 实现单信道 80Gbit s 160Gbit s 在此基础上再进行波分复用 光时分复用 与波分复用相接合 就可以实现特高速率传输 3 光传输网 未来的高速通信网将是光传送网 预计在未来 10 年内的超高速网络中 若 继续采用原来网络的 DXC 和 ATM DXC 设备 节点设备将变得复杂且实现难度很 大 超高速带来的经济效益将被反复转接所抵消 唯一的解决方法是走向光传 送网 即在未来的骨干传送网的主要节点引入光分 插复用器 OADM 和光交叉连 接设备 OXC 90 年代初期 为了网络的可靠 在光纤通信网中引入了自愈环 国外 在 1995 年就引入了 DWDM 建设国家干线 我国 1998 年建设了武汉 西安 进口 和济南 青岛 国产 两条 DWDM 干线 各省市也在用 WDM 规划本地网的升级 大城市城域网也在计划引入 OADM 形成 DWDM 环 以增加本地网的灵活性和可 靠性 我国的长途骨干网也将逐步引入 OADM 和 OXC 逐渐形成长途 DWDM 环 组成光传送网 光传送网具有超大容量 80Gbit s 320Gbit s 可消除电节点设备的 瓶颈 网络很容易扩展 允许节点数和业务量不断增长 并具有可重构性 光 传送网的透明性好 允许混合不同体制 格式和速率的信号 能够互联现有系 统及任何未来的新系统 光网络还能够实现快速恢复 恢复时间为 10ms 100ms 比电网络恢复快 2 到 4 个量级 光传送网络已经成为继 SDH 网络 以后的又一次新的光通信发展高潮 其标准化工作已于 1999 年基本完成 其设 备的商用化时间也大约在 2000 年以后 4 宽带光纤接入网 接入网是信息高速公路的最后一公里 以铜线组成的接入网是宽带信号传 输的瓶颈 为适应电信发展的需要 我国正在加紧改造和建设接入网 逐渐用 光纤取代铜线 将光纤向家庭延伸 信息时代对电信的要求 除了提供窄带话 音和低速数据外 还要求提供高速宽带业务 如计算机和因特网所需的高速数 据 多媒体 VOD 远程医疗诊断 远程教学 居家办公 家庭银行以及交互式 图象传输和高清晰度电视等 因此现在建设的接入网一方面要满足当前业务的 需要 另一方面还要便于向宽带业务升级 实现宽带接入网有各种不同的解决方案 有基于铜线双绞线的 xDSL 基 于同轴电缆的 HFC 光纤接入 FTTx 以及无线接入 WLL 等 其中光纤接入 是最能适应未来发展的解决方案 以 ATM 为基础无源光纤网 ATM PON 已被 证明是当前一种经济有效而较成熟的方案 另外 千兆比以太网也可能作为一 种宽带接入技术发挥作用 在宽带业务发展的初期 采用 FTTC B 将光纤引入用户附近 利用已有的 铜线双绞线和 xDSL 技术 将宽带信号送入用户 是一种经济的方案 特别是宽 带 PON 加上低速率 ADSL G Lite 是当前最有竞争意义和推广价值的方案 从 窄带