关于国内外光纤通信系统发展现状和未来趋势

1、论文题目：国内外光纤通信发展及未来趋势中文摘要：本文主要讲述光纤通信的产生过程及光纤通信的特点。同时具体写我国光纤通信的发展及世界光纤通信发展趋势英文摘要：This article mainly described the generating process and optical fiber communication optical fiber communication features. At the same time our optical fiber communication of specific writing development and the optical fi

2、ber communication development trend论文正文：生活中光无处不在。而且光也有很多不同的作用，比如在通信中的作用。打手势也是一种目视形式的光通信，在黑暗中不能进行。白天太阳充当这个传输系统的光源，太阳辐射携带发送者的信息传送给接收者，手的动作调制光波，人的眼睛充当检测器。同时早在几千年前，我国的火光通信（也叫做烽火台）也是一种著名的光通信。其中较著名的有周朝的骊山烽火台，秦汉的长城烽火台，城上每隔一定距离设一个报警烽火台，一旦发现敌人入侵，白天燃烟，夜间举火，利用火光来传送军事情报。这种利用烽火台来传送军事情报，就是古代的光通信方式。1880年，贝尔发明了一种利用

3、光波作载波传递话音信息的“光电话”，它证明了利用光波作载波传递信息的可能性。他利用太阳光作光源，大气为传输媒质，用硒晶体作为光接收器件，成功地进行了光电话的实验，通话距离最远达到了213米。1881年，贝尔宣读了一篇题为关于利用光线进行声音的产生与复制的论文，报道了他的光电话装置。贝尔的光电话和烽火报警，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在有雾的天气里，它的能见度很小，遇到下雨下雪天影响就更大了。因此气候不好，光电话常常不能使用，这就限制了它的发展。激光器出现之前，光学中普遍使用普通的相干性较差的普通光源,这种光源谱线很宽，无法进行通信。1960 年，美国科学家梅曼（Meiman

4、）发明了第一个红宝石激光器。与普通光相比，激光谱线很窄，方向性及相干性极好，是一种理想的相干光源和光载波。由激光发展起来的激光通信有高度的相干性和空间定向性，通信容量大、体积较小并且有较高的保密性。所以激光是光通信的理想光源，它的出现是光通信发展的重要一步。激光器和光纤的发明，使人们看到了光通信的曙光。而要实现光纤通信，还需要在激光器和光纤的性能上有重大的突破。但是在这两方面的突破遇到了许多困难，尤其是光纤的损耗要达到可用于通信的要求，从每千米损耗1000 分贝降低到20 分贝似乎不太可能，以致很多科学家对实现光纤通信失去了信心。就在这种情况下，出生于上海的英藉华人高锟（K.C.Kao)博士，

5、通过在英国标准电信实验室所作的大量研究的基础上，对光波通信作出了一个大胆的设想。他认为，既然电可以沿着金属导线传输，光也应该可以沿着导光的玻璃纤维传输。1966年7 月，高锟就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文，论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因，大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里1000 分贝降低到20 分贝公里，从而有可能用于通信。这篇论文使许多国家的科学家受到鼓舞，加强了为实现低损耗光纤而努力的信心。同时由于光纤的发展，光纤系统也渐渐发展起来。1976 年，美国在亚特兰大（Atlanta）进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。1980年

6、，美国标准化FT-3 光纤通信系统投入商业应用。1976 年和1978 年，日本先后进行了速率为34Mb/s 的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s 的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983 年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8 底光缆通信系统于1988 年建成。第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989 年建、成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。光纤通信是利用光作为信息载体以光纤作为传输媒质的通信方式。实现光纤通信除了需要将传统多样的电信号转换为光信号的装置还需要有传

7、输光信号的介质以及将光信号转换为电信号的装置。所以在光纤通信中有3个主要的技术问题：便于应用且性能优良的光源；能长距离传输光信号的传输介质：灵敏地接收光信号并能把光信号转化为电信号的光检测器。光源是光纤传输系统的心脏部件它的功能是实现电，光转换其性能的好坏对整个传输系统的质量有举足轻重的作用一个完整的光通信系统，除光纤、光源和光检测器外还需要许多其它光器件特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。虽然对各种器件的特性有不同的要求但是普遍要求插人损耗小、反射损耗大、工作范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜等，许多器件还要求便于集成。在光纤通信系统

8、中作为载波的光波频率比电波的频率高的多而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多所以说光纤通信的容量要比微波通信大几十亿倍。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0.85m，长波长则是1.31m和1.55m两种。光纤的损耗在1.31m为0.35dB/km，在1.55m为0.20dB/km。波长1.31m光纤的色散为零，而波长1.55m光纤有最低损耗却有不小的色散（Chromaticdisper

9、sion，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1.31m移位至1.55m，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1.55m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

10、光源器件有激光二极管（LD）和发光二极管（LED）两种。O.5m短波长光源常采用GaAlA/ GaAs双异质结构，而长波长1.31.55m则采用InGaAsPlnp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。光检测器件通过光/电转换将信号通信信息从光波

11、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）。现代光纤通信具有强烈的优势。首先，光纤通信频带极宽，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。其次，它抗电磁干扰能力强。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。而

12、且光纤通信对电气绝缘。光纤是用玻璃材料构造的，它是电气绝缘体因而不需要担心接地回路。光纤之间的串扰非常小设备接El问题也简化了。特别是光纤在电气危险环境中广泛应用因为它不会产生电弧和火化。光纤通信保密性好，无串音干扰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。这样，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。光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。光纤的芯径很细，约为O1mm由多芯光纤组成光

13、缆的直径也很小8芯光缆的横截面直径约为10mm而标准同轴电缆为47mm。这样采用光缆作为传输信道，使传输系统所占空间小。解决了地下管道拥挤的问题节约了地下管道建设投资光纤通信向大容量、宽带化、超长距离发展。我国的光通信起步较早70年代初就开始了大气传输光通信的研究，随之又进行光纤和光电器件的研究，自1977年初研制出第一根石英光纤起跨过一道道难关取得一个又一个零的突破。我国光纤通信技术发展速度之快令世界瞩目目前铺设光纤总长度达2 500万km覆盖了全国省会以上城市和70多地市：参与建设、投资近20条海底光缆能与世界上70多个国家和地区进行通信业务：已基本上掌握了100 Gbs的同步数字体系高速

14、光通信系统技术、288芯和648芯带状光缆生产技术以及应用到同步数字体系高速光通信系统中的光放大器生产技术等。近年来，光通信以年均15一20的速度发展成为我国与发达国家之间差距最小的领域之一。但应该看到的是我国光纤通信设备所需的一些关键技术、元器件、材料仍部分依赖进I；3所以，今后光传输仍应是信息产业建设发展的重点日渐成熟的光纤通信技术已经和正在为信息的扩容和IP网络的发展起着巨大的推动作用。2、我国光纤通信技术的发展第一宽带光接入技术。通过研究宽带光接人技术解决未来互联网多业务高效接人问题。在具体研究过程中将研究基于千兆以太网的宽带无源光网络系统技术、动态带宽分配方案与实现技术、具有高性价比

15、的宽带接入解央方案与实用化技术、相关性能指标与测试技术等最终掌握具有自主知识产权的宽带光接入核心技术提出相关规范，获得相关专利，建立应用系统。第二，节点光交换技术。通过研究光交换技术解决未来互联网中节点业务交换等问题在具体研究过程中将重点研究基于光突发交换的系统构架、网络模型、业务模型、路由算法、突发交换模块、突发交换信令控制、边缘路由处的突发分组适配、动态带宽分配、相关性能指标与测试等核心技术，支持图像、话音、数据等业务的接入，提出相关规范，获得相关专利，建立试验系统。第三智能光联网技术。通过研究智能光联网技术解决未来互联网在光层上的动态、灵活、高效的组网问题。在具体研究过程中将重点研究自动

16、交换光网络，掌握核心技术，研制节点设备。提出相关规范完成系统及组网试验。尤其是对ASON的控制平面、传送平面和管理平面技术进行深入研究攻克多粒度光交换、动态波长选路与连接类型、接I；3单元(NNI、UNI)、业务适配与接入、自动资源发现、控制协议、接口与信令、链路监控与管理、组网与生存性、核心功能软件与网络管理系统等关键技术同时在测试技术方面，研究自动交换光网络的总体技术要求、性能评估方法和相应的测试方法完成包括光接口、光节点、光网络等不同层面的功能测试、性能测试、协议测试、联网测试等。而今世界光纤通信正往更高速，更智能化发展。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

17、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45Mbs增加到

18、10Gbs，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)

19、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

20、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SDH 10Gb/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。40

21、Gbit/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。参考文献： 【1】王海光纤陀螺与GPS组合定姿技术在航天器上的应用研究J中国惯性技术学报，2004 【2】Bouch

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