浅谈光纤通信的发展、应用以及展望

湖南省师大附中梅溪湖中学 邓宇轩

1.前言

光纤通信是光导纤维通信的简称，是一种以光纤作为传输媒介、以光波作为信息载体，从而实现信息传递的通信方式。

光纤通信具有很多特点：作为信息载体的光波，其频率远高于电波，作为传输媒介的光纤，其损耗远低于导波管或同轴电缆。它具有中继距离长、损耗低、通信容量大以及频带极宽等特点。光纤由玻璃材料构成，其电气绝缘性决定了光纤通信抗电磁干扰能力。光波在光纤中传输，因而保密性能优良，无串音干扰。另外，它还具有易敷设、安全性能较高、重量轻、温度稳定性好、能适应环境以及寿命长等特点。而在21世纪的今天，多媒体应用、视频、音频、数据的增长尤其是因特网业务的发展，迫切需求大容量信息传输系统和网络。光纤通信的优势使它快速成长为现代通信的主要支柱之一，被应用于全球电信网、通信网、高质量彩色电视的传输、交通以及工业生产现场的监视控制、调度指挥，强大的传输能力使其发展前景不可限量。

2.光纤通信的历史发展

1966年，英籍华人高锟发表《光频介质纤维表面波导》一文，提出利用光纤进行信息传输，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。

1970年，美国康宁公司研制出20DB/KM的低损耗光纤。

1973年，美国贝尔实验室把光纤损耗降至2.5DB/KM；1974年又降至1.1DB/KM；1976年，日本电报电话公司将光纤损耗降至0.47DB/KM；之后十年，光纤损耗更降至0.154DB/KM，该数值已接近光纤最低损耗的理论极限。

同时，光纤通信光源发展也十分迅速。20世纪70年代，半导体激光器技术不断取得进步，80年代更经历了从短波长到长波长，从多模光纤到单模光纤，从低速率到高速率的发展过程。目前，光纤通信系统的建设在全世界已全面铺开且进展迅速。

光纤通信从研究到应用，大致可分为四个时期。如表1所示。

3.光纤通信技术及主要应用领域

3.1 在电力系统中的应用

光纤通信技术广泛应用于电力系统，加快了系统的处理速度，提高了传输承载能力，逐渐向超长距离传输、超大容量以及超高速方向发展。

表1 光纤通信的发展Table1. The Development of Optical Fiber Communication

3.1.1 新型光纤的使用

单模光纤逐渐不能满足高质量、长距离的信号传输。随着领域城域网、干线网的发展，两种新型光纤应运而生。一种是非零色散光纤，它经过改进，融合了色散位移光纤和标准光纤的特点。另一种是无水吸收峰光纤。这两种光纤质量高，安全性能好，损耗低，传输容量大，能带来成千上万倍的经济效益。

3.1.2 光复用技术

光复用技术推动了光纤通信事业的快速发展，它的表现很活跃，可分为三种：（1）波分复用。即在一根光纤上同时传递多个不同波长的光载波，从而提高光纤的传输能力，甚至可利用波长的方向性不同从而实现单根光纤的双向传输，方便性和灵活性较强。（2）频分复用。光频分复用系统中，相邻两峰值波长间隔小于1NM，光载波间隔密，可用于大容量高速通信系统或分配式网络系统，像合波器、分波器等传统的频分复用系统器件很难区分光载波，于是采用了分辨率更高的可调谐光滤波器和相干光通信技术。（3）光码分复用。可通过直接光编码和光解码，从而实现光信道的复用和信号交换功能，提高了网络容量，较好解决了抗多径衰落、抗干扰问题，增强了系统的保密性。

3.1.3 光联网的应用与发展

光联网应用于电力系统，促进电力通信迈上了一个崭新的台阶。光联网不仅增加了网络的范围和节点数，实现了超大容量的光网络，而且增强了网络的透明度，能有效连接不同系统以及不同信号，加强了网络的灵活性。另一方面，在发生故障时，光联网能快速恢复网络，降低建网、运行和维护成本。

3.1.4 光放大技术和光交换技术

光放大器的研发促进了光复用技术，全光网络和光弧子通信的发展，而光交换技术可克服电子交换容量问题，提高透明性和速率，节省建网和网络升级成本。

3.2 FTTH的应用

FTTH（光纤到家庭）向终端用户提供更宽广的带宽来加速信息的交流和传输。而随着用户的增加，FTTH所需要的光纤是现已敷光纤的2到3倍。巨大的数据量和宽带视频业务对传输的速率要求也越来越高。现在，光电子器件发展很快，光收发模块和光纤价格调低，也加速了FTTH的实用化进程，其带宽优势，使它广泛应用于网上办公、网上游戏、视频会议以及医疗领域的PACS建设等方面。

3.3 高速光纤计算机应用——光纤分布式数据接口（FDDI）环网

FDDI是一个使用光纤作为传输媒质，高速通用的令牌环状网标准，可作为高速局域网，在小范围内连接高速计算机系统。作为教育科研的重要基础设施，各大专院校和科研院所的校园网建设都至关重要。它有很多显著特点：（1）网络规模大，网络节点有几百甚至数千个；（2）网络设备复杂，缺乏系统性，组网难度大；（3）主干网覆盖范围大，对带宽要求高；（4）需要很强的远程通信能力，连接因特网或公共数字网；（5）物理位置分散，分布在校园各教学楼内，子网分割较多，应用相对独立；（6）应用环境多，专业不同提供服务的类型也不同；（7）系统开放性强，能不断吸收新技术。上述特点使光纤通信技术在此领域的应用中呈现出光纤通信向超大容量、超长距离WDM系统发展，向超高速TDM系统发展，向融合的多业务节点发展，在城域网引入WDM技术，实现光传送联网的发展趋势。

3.4 光弧子通信

光弧子是一种特殊的超短光脉冲，群速度色散和非线性效应平衡，它能利用光弧子作为载体，进行长距离、无畸变的通信，这就脱离了光纤色散对通信容量和传输速度的限制，最有发展前途。

光脉冲的传输受到两种作用影响：一种是光纤色散作用。光纤色散使光脉冲在时域上展宽到一定程度后，会引起相邻脉冲的叠加，从而产生误码；另一种是光纤的非线性作用，它会引起光脉冲在频域上展宽，在时域上压缩，从而影响光通信，而光弧子脉冲呈现双曲正割形状，它的传输是利用光线的群速度色散以及非线性作用中的自相位调制两种影响使之达到平衡，因此在传播过程中能维持形状、幅度、速度不变，从而实现超大容量、超长距离的光通信，它的传输容量比最先进通信系统高1---2个数量级，且中继距离达几百公里。值得重视的是，因色散作用对弧子传输的影响，现已产生两大色散补偿技术，即周期性全局强色散补偿、弱色散以及局部色散补偿。实验证明，相对于工作常规系统易受群色散影响从而限制其传输速率和容量而言，光弧子系统可将不同波长的多信道复用到一根光纤中传输，这使得多信道系统具有广阔的应用前景。

3.5 全光通信网

传统的光网络结点处仍采用电器件，使通信网干线总容量受到限制，而全光网络中，光节点代替了电节点，所有信息均以光的形式进行传输与交换，使网络资源的利用率得到极大提高。

全光网主要由光网络层以及电网络层构成，采用光波技术实现用户与用户之间的信号传输与交换，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。这种点与点之间的全程光信号的交互与传输中采用了光复用、光交换以及其他光处理技术，使用了大容量、高度灵活可靠的光交叉连接设备，它具有许多优点：

（1）全光网以波长选择路由，数据格式，调制方式，对传输码率具有透明性；

（2）全光网有可重构性，可根据通信容量的需求，实现恢复建立、拆除光波长连接，可为突发业务提供临时连接；

（3）全光网有可扩展性，可同时扩展种类、用户、容量；

（4）全光网兼容现在通信网络，也支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级；

（5）全光网多了一个光网络，使用的是光器件，所以可靠度高，且维护费用降低。

4.展望

一项产业的发展，市场是牵引力，技术是推动力。光纤网络从骨干网的扩建到接入网、城域网的扩散并且向用户驻地的延伸，以及近十年来，我国西部大开发、铁路专线网改建，大大地刺激了光纤光缆市场的增长。而为适应时代的发展，满足用户的需求，光纤通信也必须向超高速运行方向发展，向超大容量WDM系统演变，进一步研发新一代光纤，全面实现全光网，大力展现光接入网技术。同时纵观光纤通讯的发展历程，我们所面临的挑战主要在于成本预算和技术创新，相信在不久的将来，将会出现光纤通讯的又一次伟大的革命。

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