全光通信的發(fā)展和應(yīng)用研究

張廣強(qiáng)

（兗礦集團(tuán)信息化中心，山東 鄒城 273516）

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全光通信的發(fā)展和應(yīng)用研究

張廣強(qiáng)

（兗礦集團(tuán)信息化中心，山東 鄒城 273516）

［摘 要］當(dāng)前社會(huì)，信息技術(shù)迅猛發(fā)展，巨量的信息交換需要高速、高效的通信手段，全光通信具有大容量、高速、低成本的特點(diǎn)，因此，全光網(wǎng)絡(luò)日益被人們廣泛應(yīng)用。

［關(guān)鍵詞］全光通信；信息；網(wǎng)絡(luò)；光纖

在日常生活中，人們常常需要將信息從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方，這種信息傳遞的過程就是通信。從古代的烽火臺(tái)到1880年貝爾發(fā)明的電話，都是通信的手段，實(shí)現(xiàn)信息傳遞功能的技術(shù)稱為通信技術(shù)。隨著光纖的發(fā)明和普及，通信從電傳輸發(fā)展到了光傳輸，而近幾年“全光網(wǎng)絡(luò)”的提出和應(yīng)用使通信方式有了質(zhì)的飛躍。

1　光纖的發(fā)展

光纖是光導(dǎo)纖維的簡寫，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。傳輸原理是光的全反射。1960年，美國科學(xué)家Meiman發(fā)明了紅寶石激光器，光通信從此有了起點(diǎn)；1966年，高錕博士發(fā)表了《光頻率的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》一文，提出只要降低玻璃纖維的雜質(zhì)，就能使玻璃纖維的損耗降低到20 dB/km，就有了用于通信的可能；1970年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司和前蘇聯(lián)先后研制成功鎵鋁砷雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；1970年，美國康寧公司研制成功損耗20 dBkm的石英光纖；1986年光纖的損耗降低到了0.154 dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。光纖按傳輸模式分為單模光纖和多模光纖，工作波長從0.85 μm發(fā)展到1.31 μm和1.55 μm，傳輸速率從MB/S發(fā)展到GB/S。

光纖的特點(diǎn):頻帶極寬；損耗??；保密性強(qiáng)；抗干擾性強(qiáng)；光纖通信不帶電，可用于易燃易爆場合；使用環(huán)境溫度范圍寬；抗化學(xué)腐蝕，使用壽命長。

2　光纖通信的發(fā)展

所謂光纖通信，就是利用光導(dǎo)纖維來傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通信目的。電通信是以電流作為信息的載體實(shí)現(xiàn)信息傳輸，而光通信是以光波作為信息載體而實(shí)現(xiàn)信息傳輸。要使光波成為信息的載體，必須對(duì)光進(jìn)行調(diào)制。光纖通信原理是在發(fā)送端首先把信息變成電信號(hào)，然后調(diào)制到發(fā)光器發(fā)出的光束上，使光的強(qiáng)度隨電流信號(hào)的頻率變化發(fā)生變化，然后通過光纖傳送出去；在信息的接收端，檢測器把收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后變成原來的信息。

光纖通信系統(tǒng)可分為三部分:電端機(jī)（電發(fā)射機(jī)、電接收機(jī)）；光端機(jī)（光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)）；傳輸光纖。光纖通信是現(xiàn)代信息傳輸?shù)闹饕侄?，光纖通信的發(fā)展歷史雖然只有一二十年，但已經(jīng)已經(jīng)歷了三代:短波長多模光纖時(shí)期、長波長多模光纖時(shí)期和長波長單模光纖時(shí)期。光纖通信是通信史上的重大進(jìn)步，歐美日等許多國家都已不再建設(shè)電纜線路，而大力建設(shè)發(fā)展光纖通信網(wǎng)。中國的光纖通信這幾年進(jìn)步較快，大多數(shù)運(yùn)營商都已實(shí)現(xiàn)了信息的光纖傳輸。

3　全光通信

全光通信指的是用戶與用戶之間的信號(hào)傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程都在光域內(nèi)進(jìn)行，而且其在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換使用可靠性高、大容量和高度靈活的光交叉連接設(shè)備（OXC）。在全光網(wǎng)絡(luò)中，由于無需電信號(hào)的處理，所以允許存在不同的協(xié)議和編碼，使信息傳輸具有透明性。它同SDH傳送網(wǎng)一樣，滿足傳送網(wǎng)通信模型，遵循一般傳送網(wǎng)的組織原理、功能結(jié)構(gòu)的建模和信息定義，采用了相似的描述方式。因此，很多SDH傳送網(wǎng)的功能和體系構(gòu)想都可以用于全光通信網(wǎng)。

光通信的復(fù)用方式分為以下幾種。

（1）空分復(fù)用:利用在空間分割構(gòu)成不同的信道來實(shí)現(xiàn)光復(fù)用的技術(shù)。

（2）時(shí)分復(fù)用:各路信號(hào)在同一信道上占有不同的時(shí)間間隙進(jìn)行通信。

（3）波分復(fù)用（WDM）:在一根光線中同時(shí)傳送不同波長的多個(gè)光載波信號(hào)的技術(shù)。

波分復(fù)用又分粗波分復(fù)用（CWDM）、密集波分復(fù)用（DWDM）和頻分復(fù)用（FDM）。

WDM系統(tǒng)的特點(diǎn):①充分利用光纖的巨大帶寬資源，光纖通信的優(yōu)勢之一是其近30 THz的巨大潛在帶寬容量；②可同時(shí)傳輸多種不同類型的信號(hào)；③超大傳輸容量；④節(jié)省光纖資源，節(jié)省成本；⑤各通路透明傳輸，平滑升級(jí)擴(kuò)容，光傳送網(wǎng)可支持盡可能多的客戶；⑥利用成熟的TDM技術(shù)；⑦利用EDFA實(shí)現(xiàn)超長距離傳輸；⑧對(duì)光纖的色散無過高要求；⑨可組成WDM全光網(wǎng)絡(luò)。

全光網(wǎng)絡(luò)（AON ，All Optical Network）是指信號(hào)只是在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)才進(jìn)行電/光和光/電的變換，而在網(wǎng)絡(luò)傳輸和交換的過程中始終以光的形式存在。因?yàn)樵谡麄€(gè)傳輸過程中沒有電的處理，所以PDH、SDH、ATM等各種傳送方式均可使用，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率。

全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括全光交換、光交叉連接、全光中繼和光復(fù)用/解復(fù)用、全光信息的放大和再生。

3.1全光交換

全光交換技術(shù)分為光的電路交換和光分組交換。光的電路交換和現(xiàn)在的電路交換技術(shù)相似，光交換可以分為:時(shí)分交換技術(shù)、波分交換技術(shù)、空分交換技術(shù)、復(fù)合型光交換等技術(shù)。

全光網(wǎng)絡(luò)支持不同需求的業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)的不同需求使用戶對(duì)寬帶的要求也不同，這時(shí)候光分組交換技術(shù)就被提出來了。

3.2光交叉連接（OXC）

光交叉連接一種能在不同的光路徑之間進(jìn)行光信號(hào)交換的光傳輸設(shè)備。它用作在全光網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)處將不同光纖信號(hào)（或各波長信號(hào)）與其他光纖的信號(hào)進(jìn)行可控的連接。OXC主要有光交叉連接矩陣、管理控制單元、輸入單元、輸出單元等模塊組成，光交叉連接也有空分、時(shí)分、波長交叉等不同方式，目前空分交叉和波長交叉比較成熟。

3.3全光中繼

現(xiàn)在的光纖傳輸系統(tǒng)采用光電光再生中繼器方式，這種方式十分復(fù)雜，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也受到影響。去掉上述光電光的轉(zhuǎn)換過程，在光路上直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大傳輸，是全光傳輸必須解決的問題。目前已經(jīng)開發(fā)出半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器，上述問題便得到了解決。

3.4光的復(fù)用與解復(fù)用

光時(shí)分復(fù)用技術(shù)Optical Time Division Multiplexing（OTDM），是指多路光信號(hào)可以在一條劃分成若干時(shí)隙的復(fù)用信道中傳輸。

光波分復(fù)用技術(shù)Wavelength Division Multiplexing（WDM），不同波長的光信號(hào)經(jīng)調(diào)至后在一根光纖中傳輸。密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）是在WDM的基礎(chǔ)上，光載波的光譜間距更加緊密，從而使光纖達(dá)到更高的傳輸性能。

3.5全光信息的放大和再生

信號(hào)在光纖中傳輸，光纖的色散和損耗對(duì)通信質(zhì)量的影響很嚴(yán)重。損耗導(dǎo)致信號(hào)隨傳輸距離的增加而衰減。這就需要一種能使光信號(hào)放大的技術(shù)，摻餌光纖放大器（EDFA）是一種對(duì)光信號(hào)放大的有源光元器件，有了它就可實(shí)現(xiàn)光纖遠(yuǎn)距離、大容量的信息傳輸。光信號(hào)在光纖中傳輸會(huì)有不同程度的色散，它會(huì)使得光信號(hào)脈沖展寬，發(fā)生干擾，使誤碼率增加，因此對(duì)光信號(hào)進(jìn)行再生措施也是必然的需要。

4　全光通信的發(fā)展

全光通信是通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)目標(biāo)。全光傳送網(wǎng)（OTN）是目前全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息傳輸中，全過程不經(jīng)過任何的光電轉(zhuǎn)換。下一步，光聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)也需要新一代光開關(guān)、波分復(fù)用器、光衰減器、光放大器等元器件的發(fā)展。要建成完整的全光網(wǎng)絡(luò)，有許多信號(hào)處理、儲(chǔ)存、交換等要由光子技術(shù)完成，來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的光傳輸、交換和處理功能。

5　結(jié) 語

全光通信巨量的信息能夠超長距離、超大容量無中繼地傳輸。隨著通信業(yè)務(wù)高速的發(fā)展，各種新技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步，通信領(lǐng)域向全光網(wǎng)絡(luò)前進(jìn)的步伐也在加快?？梢孕∫?guī)模開始，隨著業(yè)務(wù)量的增加而逐步加大規(guī)模，用“小步快跑”的方式讓用戶體驗(yàn)新技術(shù)帶來的好處，在積累經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，分階段地、穩(wěn)步地走向全光網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。全光通信必將成為通信發(fā)展的新趨勢，在21世紀(jì)前期，全光通信將會(huì)全面普及化。

主要參考文獻(xiàn)

［1］李維民，趙巧霞，康巧燕，等.全光通信網(wǎng)技術(shù)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

［2］吳海西.WDM技術(shù)的原理及其應(yīng)用與發(fā)展［J］.現(xiàn)代電信科技，2000（10）.

doi:10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.12.114

［中圖分類號(hào)］TN929.11

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1673-0194（2016）12-0172-02

［收稿日期］2016-05-20