通信工程技術(shù)中光纖網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

劉家豪

（中國(guó)電信股份有限公司涪陵分公司，重慶 408099）

0 引 言

傳統(tǒng)通信技術(shù)信號(hào)傳輸效率較低，無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)通信需求，因此必須在通信工程中大規(guī)模應(yīng)用光纖技術(shù)搭建光纖網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)解碼基站，合理配置網(wǎng)絡(luò)資源與技術(shù)設(shè)備，做好遠(yuǎn)期資源調(diào)度與配置工作，實(shí)現(xiàn)光纖入戶與全光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)。

1 光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本原理與應(yīng)用價(jià)值

光纖是一種由石英玻璃或合成樹(shù)脂等材料制成的極細(xì)纖維，折射率較高的纖芯和折射率較低的包層組成。纖芯是光信號(hào)的傳輸介質(zhì)，包層是保護(hù)纖芯并使光信號(hào)在纖芯內(nèi)全反射的層。在包層外還有一層涂覆層，用于防止水分和機(jī)械損傷。根據(jù)可傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖只能傳輸一種模式，其纖芯直徑較小，一般為4 ～10 μm；多模光纖可以傳輸數(shù)百到上千種模式，其纖芯直徑較大，一般為50 ～62.5 μm。光纖傳輸原理可被概括為利用全反射現(xiàn)象，使光信號(hào)在光纖內(nèi)反復(fù)反射而沿軸向前進(jìn)。當(dāng)光從折射率較大的介質(zhì)入射到折射率較小的介質(zhì)時(shí)，在邊界發(fā)生反射和折射，如果入射角超過(guò)臨界角，將發(fā)生全反射。因此，對(duì)于特定的光纖結(jié)構(gòu)，只有滿足一定條件的光波才可以在光纖中有效傳輸。由于不同模式經(jīng)過(guò)不同長(zhǎng)度的路徑到達(dá)接收端，造成不同模式之間存在時(shí)間差異，這種現(xiàn)象稱為模式色散。模式色散會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真和帶寬降低。為了減小模式色散，可以采用漸變型多模光纖或單模光纖。

一個(gè)基本光纖網(wǎng)絡(luò)由3 部分組成，即發(fā)射端、接收端以及傳輸線路。發(fā)射端將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的調(diào)制后的光信號(hào)，并通過(guò)耦合器將其耦合到光導(dǎo)；接收端將從另一端輸出的調(diào)制后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并進(jìn)行解調(diào)和恢復(fù)；傳輸線路是由一根或多根連接起來(lái)的光導(dǎo)組成，用于傳輸調(diào)制后的信息載波。除此之外，還有一些無(wú)源或有源器件用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的各種功能，如分路器、合路器、放大器以及交換器等。光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種利用光纖作為傳輸介質(zhì)的通信技術(shù)，具有傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的原理是利用光源（如激光器或發(fā)光二極管）將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后通過(guò)光纖將光信號(hào)傳輸?shù)侥康牡兀儆晒怆娞綔y(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在通信工程中的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)為：一是提高通信容量和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高速、大容量、高清晰度的信息傳輸；二是節(jié)省通信資源和成本，減少銅纜的使用和維護(hù)，降低能耗和環(huán)境污染；三是增強(qiáng)通信安全和保密性，防止信息泄露和干擾；四是促進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)多媒體、寬帶、移動(dòng)和智能化的通信服務(wù)[1]。

2 光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在通信工程中的主要應(yīng)用形式

2.1 色散技術(shù)

光纖色散指光脈沖在光纖的傳輸過(guò)程中，由于不同頻率或模式的光波具有不同的傳播速度，導(dǎo)致光脈沖到達(dá)接收端時(shí)發(fā)生時(shí)間延遲和形狀變化等現(xiàn)象。光纖色散會(huì)造成信號(hào)失真和干擾，降低通信質(zhì)量和效率，限制通信速率和距離，影響光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳輸性能和通信質(zhì)量。色散技術(shù)指通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)、使用色散補(bǔ)償器、調(diào)整信號(hào)波長(zhǎng)等方法，來(lái)減小或消除色散對(duì)信號(hào)的影響，提高光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳輸效率和質(zhì)量。因此，克服或補(bǔ)償光纖色散是提高光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)性能的重要措施之一。

目前，常用的色散補(bǔ)償技術(shù)主要有以下幾種。（1）色散補(bǔ)償光纖（Dispersion Compensating Fiber，DCF），在傳輸系統(tǒng)中加入一段具有與傳輸光纖相反符號(hào)色散值的特殊光纖，使得整個(gè)系統(tǒng)的總色散接近于0，從而實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。這種方法簡(jiǎn)單易行，但會(huì)增加系統(tǒng)損耗和成本，且對(duì)波長(zhǎng)的選擇性較強(qiáng)。（2）光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG），在傳輸系統(tǒng)中加入一種具有周期性折射率變化的反射器件，可以對(duì)特定波長(zhǎng)的光進(jìn)行反射或透射，從而實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。這種方法具有插入損耗低、體積小以及可集成性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但需要精確控制光柵參數(shù)和溫度穩(wěn)定性。（3）電子色散補(bǔ)償（Electronic Dispersion Compensation，EDC），在接收端采用數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processor，DSP）技術(shù)，對(duì)接收到的畸變信號(hào)進(jìn)行濾波或均衡處理，從而實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。這種方法可以適應(yīng)多種波長(zhǎng)和調(diào)制格式，且不增加系統(tǒng)損耗和復(fù)雜度，但需要高速、高精度的電子器件和算法。綜上所述，光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中色散技術(shù)的基本原理是利用不同的物理機(jī)制或數(shù)學(xué)方法對(duì)產(chǎn)生色散的因素進(jìn)行抵消或修正，從而恢復(fù)信號(hào)的完整性和質(zhì)量。在通信工程技術(shù)中，色散技術(shù)的應(yīng)用形式主要取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和條件，需要綜合考慮各種因素，如速率、距離、波長(zhǎng)、成本以及可靠性等，選擇合適的色散補(bǔ)償方案[2]。

2.2 復(fù)用技術(shù)

復(fù)用技術(shù)是指在同一條光纖中，同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)或不同編碼方式的光信號(hào)，以提高光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的利用率和帶寬。復(fù)用技術(shù)能夠提高傳輸效率，降低成本，增加信道容量，可以分為波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）、碼分復(fù)用（Code Division Multiplexing，CDM） 以及空分復(fù)用（Space Division Multiplexing，SDM）等，各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)景。

（1）WDM 利用光纖的寬帶特性，將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)在發(fā)送端合并，通過(guò)一根光纖傳輸，然后在接收端分離，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的復(fù)用。WDM 可以分為密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）和粗密波分復(fù)用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM），根據(jù)波長(zhǎng)間隔的不同進(jìn)行劃分。WDM 技術(shù)可以大幅提高光纖的傳輸容量，適用于長(zhǎng)距離的高速光通信系統(tǒng)。

（2）TDM 利用光纖的高速特性，將多路信號(hào)按照一定的時(shí)序在發(fā)送端交替發(fā)出，通過(guò)一根光纖傳輸，然后在接收端按照相同的時(shí)序進(jìn)行恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的復(fù)用。TDM 技術(shù)可以有效利用光纖的帶寬資源，適用于短距離的低速光通信系統(tǒng)。

（3）CDM 利用光纖的抗干擾特性，將多路信號(hào)在發(fā)送端分別與不同的偽隨機(jī)碼進(jìn)行異或運(yùn)算，通過(guò)一根光纖傳輸，然后在接收端與相應(yīng)的偽隨機(jī)碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的復(fù)用。CDM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多址通信，適用于無(wú)線光通信系統(tǒng)。

（4）SDM 利用光纖的多模特性，將多路信號(hào)在發(fā)送端分別注入不同的模式，在一根光纖中同時(shí)傳輸，然后在接收端利用模式分離器進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的復(fù)用。SDM 技術(shù)可以進(jìn)一步增加光纖的傳輸容量，適用于超大容量光通信系統(tǒng)。

以上4 種復(fù)用技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在通信工程中可以根據(jù)具體的需求和條件進(jìn)行選擇與組合，以達(dá)到最佳的傳輸效果[3]。

2.3 光信號(hào)解碼基站

網(wǎng)絡(luò)基站是指在無(wú)線通信系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)將有線信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)線信號(hào)，并進(jìn)行發(fā)射和接收的設(shè)備。其作用是擴(kuò)大無(wú)線信號(hào)的覆蓋范圍，提高通信質(zhì)量和容量。在光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，解碼基站是一種重要的網(wǎng)元設(shè)施，負(fù)責(zé)將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并進(jìn)行解碼處理，以還原出原始的數(shù)據(jù)信息。解碼基站在通信工程中具有重要的價(jià)值，可以實(shí)現(xiàn)不同類型、不同格式、不同速率信號(hào)之間的互通和轉(zhuǎn)換，提高通信系統(tǒng)的靈活性與兼容性。其原理是利用光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)DSP 或?qū)Ｓ眉呻娐罚ˋpplication Specific Integrated Circuit，ASIC）對(duì)電信號(hào)進(jìn)行解碼操作，還原出原始的數(shù)據(jù)信息。解碼操作的具體方法取決于光信號(hào)所采用的編碼方式，常見(jiàn)的編碼方式有線性編碼、循環(huán)編碼、塊編碼等，目的是檢測(cè)并糾正由于傳輸過(guò)程中的噪聲或干擾引起的錯(cuò)誤，提高通信質(zhì)量和可靠性[4]。

解碼基站可根據(jù)接收到光信號(hào)的類型和特征，選擇合適的解碼算法與參數(shù)進(jìn)行解碼處理，并將解碼后的數(shù)據(jù)信息輸出到下一級(jí)網(wǎng)元或終端設(shè)備。解碼基站可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，配置不同的功能模塊和接口，以適應(yīng)不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議。例如，在長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）網(wǎng)絡(luò)中，解碼基站需要支持IP 無(wú)線接入網(wǎng)（Internet Protocol Radio Access Network，IPRAN）和多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)（Multi-Service Transfer Platform，MSTP）等傳輸技術(shù)，并能夠與演進(jìn)型節(jié)點(diǎn)B 等無(wú)線網(wǎng)元進(jìn)行通信。解碼基站在通信工程中具有重要的價(jià)值，可以實(shí)現(xiàn)不同類型、不同格式、不同速率信號(hào)之間的互通和轉(zhuǎn)換，提高通信系統(tǒng)的靈活性和兼容性[5]。

2.4 全光網(wǎng)絡(luò)

全光網(wǎng)絡(luò)是指在傳輸、交換和處理信息的過(guò)程中都采用光信號(hào)而不需要電信號(hào)的轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)高速、大容量、低成本以及低功耗的信息傳輸，是未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)包括光交換、光路由、光存儲(chǔ)、光放大等，無(wú)須將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而避免了電子設(shè)備的限制和損耗，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能和效率。全光網(wǎng)絡(luò)的基本原理是利用光學(xué)器件和技術(shù)，如激光器、調(diào)制器、分路器、合路器、濾波器、放大器以及交換器等，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行操作和控制。工作方式主要有WDM 和TDM，前者是指將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)在同一根光纖中同時(shí)傳輸，通過(guò)分路器和合路器實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的復(fù)用和解復(fù)用；后者是指將不同時(shí)間段的光信號(hào)在同一根光纖中依次傳輸，通過(guò)調(diào)制器和解調(diào)器實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的復(fù)用和解復(fù)用。全光網(wǎng)絡(luò)在通信工程中具有重要的價(jià)值，可滿足日益增長(zhǎng)的通信需求，也可向用戶提供多種業(yè)務(wù)類型，如語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻等，支持多種協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和互通。此外，全光網(wǎng)絡(luò)還可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，通過(guò)自愈環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)，通過(guò)加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息保密。

3 提升光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用效果的調(diào)節(jié)措施

光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是通信工程中的重要組成部分，它具有傳輸速度快、帶寬大、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)代信息社會(huì)高速、高效、高質(zhì)量的通信需求。然而，光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，如光纖衰減、色散、非線性效應(yīng)、信號(hào)失真等，這些問(wèn)題會(huì)影響光纖網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性，降低通信工程的應(yīng)用效果。因此，需要采取一些調(diào)節(jié)措施，以提升光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在通信工程中的應(yīng)用效果。常用的調(diào)節(jié)措施是在光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝光纖放大器。光纖放大器是一種利用激光泵浦技術(shù)，在光纖中產(chǎn)生受激發(fā)射的器件，它可以在不需要電子轉(zhuǎn)換的情況下直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，從而補(bǔ)償光纖的傳輸損耗，增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度。光纖放大器有多種類型，如摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）、摻銩光纖放大器（Thulium Doped Fiber Amplifier，TDFA）、半導(dǎo)體光纖放大器（Semi-conductor Optical Amplifier，SOA）等，可以根據(jù)不同的波長(zhǎng)范圍和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇和配置。

另一常用調(diào)節(jié)措施是光纖非線性效應(yīng)抑制。非線性效應(yīng)是指在高功率或高密度的光信號(hào)下，光與介質(zhì)之間產(chǎn)生非線性相互作用，導(dǎo)致信號(hào)的頻率、相位、極化等發(fā)生變化的現(xiàn)象。非線性效應(yīng)會(huì)引起信號(hào)的失真、串?dāng)_、噪聲等問(wèn)題，降低光纖網(wǎng)絡(luò)的性能和穩(wěn)定性。為了抑制或避免非線性效應(yīng)，可采用以下幾種方法：（1）降低輸入功率或信道數(shù)目，減小非線性效應(yīng)的產(chǎn)生；（2）采用分布式拉曼放大器（Distributed Raman Amplifier，DRA）或分布式布里淵放大（Distributed Brillouin Amplification，DBA），利用拉曼或布里淵散射對(duì)信號(hào)進(jìn)行均勻增益，抑制非線性效應(yīng)；（3）采用正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）或相干檢測(cè)等先進(jìn)的調(diào)制和檢測(cè)技術(shù)，提高信號(hào)的抗非線性能力；（4）采用DSP 或數(shù)字前均衡等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行非線性補(bǔ)償或預(yù)失真。

4 結(jié) 論

技術(shù)人員應(yīng)針對(duì)光纖通信系統(tǒng)采用合理改進(jìn)措施，提高光源的輸出功率和穩(wěn)定性，提高光調(diào)制器的調(diào)制速度和效率，提高光接收器的靈敏度和響應(yīng)速度，最終提高系統(tǒng)的傳輸性能和可靠性。未來(lái)應(yīng)集中資源開(kāi)發(fā)新型的具有低損耗、大有效面積、大非線性系數(shù)、大模場(chǎng)直徑等特性的光纖，以提高系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離。研究新型的光放大器技術(shù)，以提高系統(tǒng)的增益和帶寬。在通信工程中采用新型多波分復(fù)用技術(shù)，如DWDM、CWDM、OFDM 等，以提高系統(tǒng)的頻譜利用率和傳輸容量。