光纖通信傳輸技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用與展望

樊玉俊

（河南大學(xué) 歐亞國(guó)際學(xué)院，河南 開(kāi)封 475000）

0 引 言

縱觀世界，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為這個(gè)時(shí)代的快速發(fā)展提供了強(qiáng)大的動(dòng)力，便捷的新技術(shù)在人們的生活中得到了廣泛的應(yīng)用，從而給人們的生活帶來(lái)了意想不到的便利，這是科學(xué)技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的福祉，也是人類進(jìn)步的象征。當(dāng)下，科技的快速發(fā)展離不開(kāi)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)一個(gè)國(guó)家的進(jìn)步也離不開(kāi)科技創(chuàng)新與發(fā)展。光纖通信技術(shù)的創(chuàng)新將為國(guó)家?guī)?lái)堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，進(jìn)而推動(dòng)國(guó)家整體科技水平的發(fā)展。我國(guó)發(fā)展多年以來(lái)，一直離不開(kāi)科技的完善與創(chuàng)新。在現(xiàn)代信息傳輸?shù)姆绞疆?dāng)中，光纖通信傳輸技術(shù)是關(guān)鍵的方式之一，它具備較大的傳輸帶寬和傳輸速率，能應(yīng)付各種信息通信，符合因特網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用需求。因此，我國(guó)高度重視光纖通信，大力發(fā)展光纖通信傳輸技術(shù)，并將其運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。

1 光纖通信概述

目前，光纖通信快速發(fā)展，其所需傳遞信息的媒介為光纖，傳輸條件是利用光的全反射條件和相干加強(qiáng)條件。首先在發(fā)射端通過(guò)光發(fā)射機(jī)將要傳送的攜帶信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，其次將其通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，再次在接收端通過(guò)光接收機(jī)將傳送過(guò)來(lái)產(chǎn)生畸變且微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最后將電信號(hào)進(jìn)行調(diào)整并放大后輸入到電接收端機(jī)經(jīng)解調(diào)器解調(diào)恢復(fù)出原始信息。其系統(tǒng)流程如圖1所示。近幾十年來(lái)，光纖光纜行業(yè)快速發(fā)展，在全球范圍內(nèi)光纖已鋪設(shè)3×109km以上。與此同時(shí)，我國(guó)與國(guó)際相比較而言，光纖通信技術(shù)的總體水平呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。未來(lái)，我國(guó)市場(chǎng)光纖光纜具有較大的發(fā)展空間，但光纖通信技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，因此需要不斷進(jìn)行探索，從而推動(dòng)新一代通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另外，光纖通信技術(shù)對(duì)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，這些領(lǐng)域的發(fā)展與壯大將促進(jìn)我國(guó)社會(huì)及城市的進(jìn)步?；诖耍饫w通信技術(shù)在未來(lái)的技術(shù)發(fā)展中前途不可限量[2]。

圖1 光纖通信系統(tǒng)

2 現(xiàn)代光纖通信傳輸技術(shù)特點(diǎn)

2.1 現(xiàn)代光纖通信傳輸技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1.1 通信容量大

光纖通信傳輸技術(shù)的頻帶很寬，由香農(nóng)公式可以推出光纖通信的傳輸容量很大。光纖通信傳輸設(shè)備的傳輸帶寬與普通傳輸技術(shù)的帶寬相對(duì)比，前者更寬一些[3]。光纖分單模光纖與多模光纖，單模光纖相對(duì)于多模光纖有著較大的傳輸容量且適合遠(yuǎn)距離通信。傳輸容量的擴(kuò)大能夠有效滿足當(dāng)下通信行業(yè)的發(fā)展。目前，信息傳輸量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，因此需要更深入地研究通信傳輸技術(shù)，采取能夠長(zhǎng)距離及大容量傳輸?shù)墓饫w通信技術(shù)很有必要。

2.1.2 信息傳輸耗損少

光纖的主要材料是SiO2，SiO2能很好地反射光信號(hào)，并能實(shí)現(xiàn)全反射，而且技術(shù)非常成熟，進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸損耗極小。通過(guò)光傳輸和光接收機(jī)的配合能夠進(jìn)行數(shù)百千米的中繼傳輸，因此被廣泛利用在長(zhǎng)距離干線通信中。光導(dǎo)纖維在1.55 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的損耗可以降低到0.18 dB/km，比已知的其他通信線路的損耗要低得多。

2.1.3 具有抗電磁干擾能力

光纖是絕緣體，因此不怕雷電的影響，也不受高電壓和電磁等外界環(huán)境的干擾[4]。各種干擾波的頻率一般都比較低，而光纖中傳輸?shù)氖枪獠ǎ獠ň哂泻芨叩念l率，所以一般環(huán)境下干擾波不能影響頻率比它高的多的光波。光纖有著杰出的抗核輻射能力，由電絕緣的SiO2材料制成。

2.1.4 串音少保密性好

信息的實(shí)時(shí)性和保密性是信息傳遞的重要條件。在各類人際交往過(guò)程中，一旦發(fā)生信息泄露將對(duì)個(gè)人的隱私造成較大的影響，因此通信技術(shù)對(duì)于談話隱私的保障，無(wú)論是商業(yè)還是政治活動(dòng)都及其重要[5]。光纖通信技術(shù)無(wú)串音且保密性較好，可保障信息的安全性。光信號(hào)在管道內(nèi)部進(jìn)行傳輸，可增加信息的保密性和安全性，傳輸過(guò)程中保密性的增強(qiáng)，可有效防止竊聽(tīng)事件的發(fā)生。因?yàn)楣饫w的纖芯的折射率比包層的折射率高，光在光纖中的傳播是全反射，因此信息在光纖中傳輸泄露非常微弱，就算是在彎曲位置也無(wú)法竊聽(tīng)。想要監(jiān)聽(tīng)必須要使用光纖熔接機(jī)，否則光纖不能分接，無(wú)法進(jìn)行竊聽(tīng)，所以信息在光纖中傳輸非常安全。

2.1.5 原材料價(jià)格實(shí)惠、安全性強(qiáng)

光纖是光纖通信技術(shù)中最為基礎(chǔ)的設(shè)備，材料極細(xì)且新耗損較低，是一種高透明的電介質(zhì)材料，由纖芯和包層組成，石英玻璃光纖使用頻繁時(shí)在光纖通信技術(shù)的應(yīng)用具有一定的促進(jìn)作用。SiO2用于石英玻璃光纖的制造，此材料方便獲取，且開(kāi)采對(duì)環(huán)境所造成的傷害較小。光纖在光纖通信技術(shù)中使用的過(guò)程中，主要是由SiO2構(gòu)成，但還應(yīng)根據(jù)不同的條件置入劑量不同的物質(zhì)，從而滿足技術(shù)設(shè)計(jì)的要求[6]。

2.1.6 重量輕、體積小、節(jié)約金屬資源

通信設(shè)備的體積和重量對(duì)于很多領(lǐng)域都有極其重要的作用，石英的比重是2.2，銅的比重是8.9，傳輸同量容量的光纜是電纜重量的1/30～1/10。對(duì)等重量的光纖和同軸電纜的長(zhǎng)度進(jìn)行比較，1 kg的高純度石英玻璃可制成成千上萬(wàn)米的光纖，而120 t的銅和500 t鉛可制成1 000 km的8管同軸電纜。光纖體積小、重量輕以及柔軟易彎曲的特性可以廣泛地應(yīng)用于航空航天和汽車電子等領(lǐng)域。地球上金屬資源的儲(chǔ)量有限，而制造光纖的石英在地球上取之不盡、用之不竭。

2.2 光纖通信傳輸技術(shù)劣勢(shì)

光纖線插頭塑套內(nèi)的光纖玻璃絲機(jī)械強(qiáng)度差且質(zhì)地脆，在有外力破壞或者有生物啃咬時(shí)容易發(fā)生斷裂，因此光纖需要實(shí)施切斷處理和其他的處理工作，通過(guò)專業(yè)的技術(shù)進(jìn)行維護(hù)，但成本非常高。光纜與電纜鋪設(shè)在同一個(gè)坑道中，對(duì)光纖設(shè)備與管線進(jìn)行管理的過(guò)程中則需重視此結(jié)構(gòu)，否則容易造成光纖設(shè)備運(yùn)行耗損，并給維修工作人員帶來(lái)不必要的工作量，同時(shí)光纖光纜彎曲半徑應(yīng)適中，當(dāng)光纖光纜的彎曲半徑過(guò)大或過(guò)小超出所承受的范圍時(shí)，光功率降低，導(dǎo)致通信質(zhì)量降低。

3 光纖通信傳輸技術(shù)的應(yīng)用與展望

3.1 用戶網(wǎng)的光纖化

接入網(wǎng)是指骨干網(wǎng)絡(luò)到用戶終端之間的網(wǎng)絡(luò)連接，其長(zhǎng)度一般為幾百米到幾千米，因此被形象的稱為“最后一公里”[7]。接入網(wǎng)的接入方式包括銅線接入、光纖接入（Fiber To The X，F(xiàn)FTx）、光纖同軸電纜混合接入以及無(wú)線接入等幾種方式。FTTx是新一代的光纖用戶接入網(wǎng)，用于對(duì)電信運(yùn)營(yíng)商和終端用戶的連接[8]。根據(jù)光網(wǎng)絡(luò)單元的位置，光纖的接入方式主要有光纖到樓（Fiber to The Building，F(xiàn)TTB）、光纖到路（Fiber To The Curb，F(xiàn)TTC）、光纖到戶（Fiber To The Home，F(xiàn)FTH）3種形式。在未來(lái)，接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是光纖到桌面（Fiber To The Desktop，F(xiàn)TTD），就是利用光纖替代傳統(tǒng)銅線，將其延伸至用戶電腦終端。

3.2 全光網(wǎng)絡(luò)

光交換是指直接通過(guò)光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)的交換，在沒(méi)有將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的情況下，可以從攜帶信息的光信號(hào)中直接提取有用信息。目前，光纖通信網(wǎng)絡(luò)是一種光纖網(wǎng)，傳輸光信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有全光交換機(jī)，必須將來(lái)自光纖網(wǎng)的光信號(hào)通過(guò)光接收機(jī)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種方法復(fù)雜且浪費(fèi)資源，需要開(kāi)發(fā)可將光信號(hào)直接交換的光交換機(jī)。具有自動(dòng)交換功能的光網(wǎng)絡(luò)稱為ASON，其關(guān)鍵技術(shù)是可重組光分插復(fù)用器（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers，ROADM），使線路可方便地調(diào)度，不但可作光線路的保護(hù)，還可滿足線路調(diào)度和今后發(fā)展出租電路的需要[9]。

3.3 智能光網(wǎng)絡(luò)

該技術(shù)的提出是近幾年光組網(wǎng)思路的演進(jìn)和變化。智能光網(wǎng)絡(luò)最初的想法是來(lái)源于幾年前提出的IP over WDM網(wǎng)絡(luò)模型，該技術(shù)是對(duì)該模型的優(yōu)化。

近幾年來(lái)，隨著IP等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在骨干網(wǎng)上的飛速增長(zhǎng)，WDM技術(shù)被廣泛應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)中來(lái)，IP over WDM組網(wǎng)模型被提出，這種模型認(rèn)為IP等數(shù)據(jù)包通過(guò)相應(yīng)封裝技術(shù)可以直接由WDM或OTN網(wǎng)絡(luò)傳送，從而省去了ATM甚至SDH/SONET層面，同時(shí)建設(shè)超大容量的光傳輸網(wǎng)，IP業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)質(zhì)量可以得到提升。然而，這種網(wǎng)絡(luò)模型的建網(wǎng)方式價(jià)格高，其主要原因是IP路由器、POS接口以及WDM系統(tǒng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器價(jià)格都比較昂貴，采用過(guò)度建設(shè)的策略將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)成本很高。

目前，盡管IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)所占用的帶寬在某些運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)中超出了傳統(tǒng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)所占用的帶寬，但是從業(yè)務(wù)收入角度來(lái)說(shuō)，語(yǔ)音業(yè)務(wù)費(fèi)用仍是運(yùn)營(yíng)商最主要的收入。因此有必要建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)來(lái)更經(jīng)濟(jì)、更有效地支撐未來(lái)大容量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量具有突發(fā)性和不確定性，這為通過(guò)分配和調(diào)度光網(wǎng)絡(luò)帶寬實(shí)行動(dòng)態(tài)以實(shí)現(xiàn)有效的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供了機(jī)會(huì)。對(duì)于同樣的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，這種優(yōu)化可以減少全網(wǎng)中所需光接口和相應(yīng)波長(zhǎng)的數(shù)目，既可以大規(guī)模降低建網(wǎng)成本，又可以提高帶寬利用率。

3.4 光孤子通信

光孤子通信系統(tǒng)由光孤子激光器與脈沖器進(jìn)行編碼調(diào)制，通過(guò)光功率放大器補(bǔ)償傳輸過(guò)程中信號(hào)能力的衰耗。在一定條件下，光纖的非線性效應(yīng)與色散效應(yīng)相互抵消，從而保持光脈沖在傳播過(guò)程中不變形，并在光纖中進(jìn)行大容量和高速傳播，到對(duì)端通過(guò)解碼和解調(diào)等方式還原傳輸信號(hào)[10]。光孤子通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光孤子通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié) 論

科技的進(jìn)步帶動(dòng)人民生活水平的提高，新技術(shù)在人們的日常生活中得到顯著體現(xiàn)，為人們的生活帶來(lái)意想不到的便捷。我國(guó)的光纖通信技術(shù)在快速發(fā)展，本文通過(guò)分析現(xiàn)代光纖通信傳輸技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用與展望發(fā)現(xiàn)，光纖通信技術(shù)有著光明的發(fā)展前景，將為國(guó)家?guī)?lái)堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，進(jìn)而推動(dòng)國(guó)家整體科技水平的發(fā)展。