通信工程中光纖技術的設計應用和發展趨勢

劉春雨，盛 會

（1.中國電子科技集團公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.石家莊麥特達電子科技有限公司，河北 石家莊 050051）

0 引 言

與傳統的通信工程技術相比，光纖技術的應用具有極大的優勢，可以快速安全有效地傳遞通信信號。經過大量的實驗證明，光纖同時還豐富了信號傳輸的載體和形式，將光纖應用到通信工程中可以顯著提高通信時的網速，有效保證信號傳輸質量。

1 光纖通信技術發展現狀及其構成特點

經過大量的研究發現，光纖技術應用于通信工程具有傳輸頻帶寬、損耗低等優點[1]。進入21世紀后，通信技術的發展和建設進一步加快。光纖和電纜技術已融入通信工程的各個方面，如廣播通信、互聯網、民航局域網等。同時，光纖通信技術的應用呈現出向以功能為導向的分化趨勢，如光纖接入技術、分支波復用技術等。如圖1所示，波分復用技術是一種在一根光纖上傳輸多路信號的通信技術，通過合波器將一系列載有信息、但波長不同的光信號合成一束，沿著單根光纖傳輸；并在接收端通過分波器將各個不同波長的光信號分開，達到波分復用的目的。例如，波長復用技術是以單模光纖為主，可以發揮其單模光纖的低損耗的特點，使光纖發揮更高的性能。

圖1 波分復用系統原理圖

當信號傳輸使用光纖通信技術來完成時，需要對數字或模擬電信號進行調制，使信號能夠沿光纜傳播。為了在信號的接收端分析和接收相應的信號，有必要再次對電信號進行調制[2]。光纖通信系統中，一些光源器件起到調制信號和傳輸光波的作用。目前，使用半導體是一種相對經濟的方案，其信號調制和傳輸效率相對較低，但足以滿足大多數通信要求。半導體的性能明顯優于LED，但受高成本的限制，僅用于有遠距離或高信號傳輸質量要求的通信項目。通信系統的設計應用要求不同時，所選擇的光纖類型是不同的，可以根據其系統的設計需求來選擇單芯光纖或多芯光纖如圖2所示。通常情況下，半導體二極管參數必須與發射端和光纜相匹配，以確保3者能在同一光纖頻段工作[3]。此外，雪崩光電二極管是接收端的常見器件，但它與接收端的半導體激光二極管具有相同的缺點，即成本過高。

圖2 單芯光纜與多芯光纜結構圖

光纖通信系統的多數優點是由光導纖維和光波介質的性質所決定的。首先，由于光導纖維的原材料是石英絕緣體原料，不易被侵蝕，其絕緣性能相當好[4]。但是由于各種電磁泄露往往會造成通信通道中存在各通路相互干擾串線的問題，因此通信保密性較差。與傳統的光纖通信系統相比，基于長帶寬和色散特性的光纖終端可以在光纖通信系統的設計中發揮其優勢[5]。光纖通信原理如圖3所示。

圖3 光纖通信原理

2 光纖通信在各領域的應用

2.1 廣電傳媒

光纖通信系統具有較強的通信能力，可以高質量地傳輸各種類型的模擬或數字信號[6]。在電視、廣播和新型傳輸媒體的建設過程中，光纜已經取代了同軸電纜和雙絞線等舊傳媒方式。廣播電視媒體行業需要穩定的長距離和低延遲的信號傳輸，其網絡部署環境十分復雜，使用光纖技術來進行光電傳媒的通信工程網絡構建，可以充分發揮光纖的長距離穩定、低延遲的信號傳輸優點[7]。如圖4所示，隨著網絡通信的快速發展，網絡通信用戶數量呈指數型增長，而傳統的通信傳輸介質構建的通信系統已經很難滿足時代的發展和人們的日常需求。隨著用戶總流量和使用頻率的增加，對信號傳輸的安全性和速度提出了更高的要求。目前，除特殊環境要求外，新建的互聯網主干網和分支網均采用光纖通信技術。網絡運營商正在逐步取代原有的互聯網基礎設施，以滿足互聯網的使用需求。

圖4 光纖接入網拓撲圖

2.2 民航等特殊行業的局域網

光纖通信技術具有長距離穩定傳輸、低延遲的特點，可以使信號傳輸的速度和質量得到大幅提升，在民航鐵路領域也有著廣泛的應用，且發揮了重大的作用[8]。其網絡覆蓋范圍更大，可以支持人員使用移動設備，適合長距離鐵路區段運輸項目。隨著科技的發展，光纖技術也與其他行業頂尖技術相結合并實現了創新發展，尤其是在運輸和能源行業。光纖通信以其強大的抗電磁干擾能力和運行穩定性被廣泛應用于輸變電網絡、地鐵、民航、智能管理系統的綜合布線和高速鐵路自動化中[9]。如圖5所示，為供電系統中的光纖通信示意圖，各站點通過光電交換機與光纖網絡進行信息交互，主站也通過光纜接入光纖通信系統，從而實現各類頂層業務的開展與電網調度。此外，光纖通信網絡也被用于自動化程度較高的制造企業，以構建自動化生產管理和過程控制網絡。

圖5 光纖通信在供電系統中的應用

3 光導纖維通信系統的發展分析

光纖作為光信號的載體，其性能對通信質量有著決定性的影響。目前光纖的原材料是石英，其成分主要是二氧化硅，通過對二氧化硅中所含的元素含量做出調整或者添加其他的一些元素則可以使光纖的傳輸距離變遠。根據通信技術的不同設計要求，可選擇不同規格和結構形狀的電纜。對于光纖的設計、生產技術的改變和創新主要是為了使光纖通信工程技術能夠在面對不同的環境條件及需求時充分發揮性能，提高效率。

在當前的通信項目中存在大量的通信節點，整體通信速率和信號傳輸質量的提高是有限的。因此，需要對于通信工程的傳輸系統的結構進行優化和技術改進，使所有相關環節都使用光纖通信系統，并對信號傳輸和轉換進行關注，從而使光纖通信技術充分發揮相應的價值[10]。目前，各專業科研機構和大型通信產品制造商在光器件研發和信號傳輸方式改進方面投入了大量資源，一些新的生產技術和新興產品也得到了很好的推廣和使用。其中波長復用等通信技術的應用極大地提高了系統通信容量和傳輸距離，減少了系統空間的浪費。

光纖網絡采用光纖通信技術，降低了信號傳輸能量的損耗和衰減，所有通信節點由通信媒體和設備引發，全面提高傳輸速率和通信業務處理能力，使系統運行更加高效、順暢。目前，要實現全光網絡的快速發展仍然存在一些技術上的問題需要解決。與此同時，隨著科技的進步、生產技術和工藝的改進和創新，相關課題的研究進程也在加快。通信工程中對于光弧技術的應用是較為廣泛和普遍的，光弧放大器利用波傳輸技術的方式可以設計一種新的技術方案來補償光弧的能量強度。新的光通信方案可以降低能耗，提高遠程通信服務質量。

4 結 論

目前無線通信技術的應用越來越多，在信號覆蓋方面具有一定的優勢。在遠程和特殊環境下信號傳輸的干擾防護等方面，光纖通信技術是不可替代的，可以有效降低網絡建設的運營和維護成本。隨著玻璃纖維材料等光學器件的發展和光纜制造等技術的進步，光纖通信技術在各個領域中扮演著越來越重要的角色。