光纤通信基本原理谁能介绍一下光纤通信？

谁能介绍一下光纤通信？

光纤通信技术（optical munications）从光通信中脱颖而出,已成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术,其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的,也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。 光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外,在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件的形式出现。光纤通信之所以发展迅猛,主要缘于它具有以下特点: (1)通信容量大、传输距离远;一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。目前400Gbit/s系统已经投入商业使用。光纤的损耗极低，在光波长为1.55μm附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比目前任何传输媒质的损耗都低。因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。 (2)信号串扰小、保密性能好; (3)抗电磁干扰、传输质量佳,电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。 (4)光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输; (5)材料来源丰富,环境保护好，有利于节约有色金属铜。 (6)无辐射,难于窃听,因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。 (7)光缆适应性强,寿命长。 (8)质地脆，机械强度差。 (9)光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。 (10)分路、耦合不灵活。 (11)光纤光缆的弯曲半径不能过小（>20cm） (12)有供电困难问题。 利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式．由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光－光纤通信． 光纤通信的原理 光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息． 光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤．采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信．中国光纤通信已进入实用阶段． 光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为20世纪90年代的技术。进入21世纪后，由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量（超高速和超长距离）光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。 光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。 通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波的上限，因为光是一种频率极高的电磁波 ，因此用光作为载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就追求的目标，也是通信发展的必然方向。 光纤通信与以往的电气通信相比，主要区别在于有很多优点：它传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用。 光纤通信的应用领域是很广泛的，主要用于市话中继线，光纤通信的优点在这里可以充分发挥，逐步取代电缆，得到广泛应用。还用于长途干线通信过去主要靠电缆、微波、卫星通信，现以逐步使用光纤通信并形成了占全球优势的比特传输方法；用于全球通信网、各国的公共电信网（如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线）；它还用于高质量彩色的电视传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、共用天线（CATV）系统，用于光纤局域网和其他如在飞机内、飞船内、舰艇内、矿井下、电力部门、军事及有腐蚀和有辐射等中使用。 光纤传输系统主要由：光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各种无源光器件构成。要实现通信，基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后送到光纤传输系统完成通信过程。 它适合于光纤模拟通信系统中，而且也适用于光纤数字通信系统和数据通信系统。在光纤模拟通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、预调制等处理，而电信号反处理则是发端处理的逆过程，即解调、放大等处理。在光纤数字通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、取样、量化，即脉冲编码调制（PCM ）和线路码型编码处理等，而电信号反处理也是发端的逆过程。对数据光纤通信，电信号处理主要包括对信号进行放大，和数字通信系统不同的是它不需要码型变换。 光纤通信技术今后如何发展？ 近来有人对光纤通信的发展情景,有些困惑。其一,在2000年IT行业的泡沫,使光纤通信的生产规模投入过大,生产过剩,IT行业中许多小公司倒闭。特别是光纤,国外对中国倾销。其二,有人认为:光纤通信的传输能力已经达到10Tbps,几乎用不完,而且现在大干线已经建设得差不多,埋地的剩余光纤还很多,光纤通信技术不需要更多的发展。 光纤通信的发展趋势 1、光纤到家庭(FTTH)的发展 FTTH可向用户提供极丰富的带宽,所以一直被认为是理想的接入方式,对于实现信息社会有重要作用,还需要大规模推广和建设。FTTH所需要的光纤可能是现有已敷光纤的2～3倍。过去由于FTTH成本高,缺少宽带视频业务和宽带内容等原因,使FTTH还未能提到日程上来,只有少量的试验。近来,由于光电子器件的进步,光收发模块和光纤的价格大大降低;加上宽带内容有所缓解,都加速了FTTH的实用化进程。 发达国家对FTTH的看法不完全相同:美国AT&T认为FTTH市场较小,在0F62003宣称:FTTH在20-50年后才有市场。美国运行商Verizon和Sprint比较积极,要在10—12年内采用FTTH改造网络。日本NTT发展FTTH最早,现在已经有近200万用户。目前中国FTTH处于试点阶段。 ◆FTTH[遇到的挑战:现在广泛采用的ADSL技术提供宽带业务尚有一定优势。 与FTTH相比:①价格便宜②利用原有铜线网使工程建设简单③对于目前1Mbps—500kbps影视节目的传输可满足需求。FTTH目前大量推广受制约。 对于不久的将来要发展的宽带业务,如:网上教育,网上办公,会议电视,网上游戏,远程诊疗等双向业务和HDTV高清数字电视,上下行传输不对称的业务,AD8L就难以满足。尤其是HDTV,经过压缩,目前其传输速率尚需19.2Mbps。正在用H.264技术开发,可压缩到5～6Mbps。通常认为对QOS有所保证的ADSL的最高传输速串是2Mbps,仍难以传输HDTV。可以认为HDTV是FTTH的主要推动力。即HDTV业务到来时,非FTTH不可。 ◆ FTTH的解决方案:通常有P2P点对点和PON无源光网络两大类。 F2P方案一一优点:各用户独立传输,互不影响,体制变动灵活;可以采用廉价的低速光电子模块;传输距离长。缺点:为了减少用户直接到局的光纤和管道,需要在用户区安置1个汇总用户的有源节点。 PON方案——优点:无源网络维护简单;原则上可以节省光电子器件和光纤。缺点:需要采用昂贵的高速光电子模块;需要采用区分用户距离不同的电子模块,以避免各用户上行信号互相冲突;传输距离受PON分比而缩短;各用户的下行带宽互相占用,如果用户带宽得不到保证时,不单是要网络扩容,还需要更换PON和更换用户模块来解决。(按照目前市场价格,PEP比PON经济)。 PON有多种,一般有如下几种:(1)APON:即ATM-PON,适合ATM交换网络。(2)BPON:即宽带的PON。(3)OPON:采用通用帧处理的OFP-PON。(4)EPON:采用以太网技术的PON,0EPON是千兆毕以太网的PON。(5)WDM-PON:采用波分复用来区分用户的PON,由于用户与波长有关,使维护不便,在FTTH中很少采用。 发达国家发展FTTH的计划和技术方案,根据各国具体情况有所不同。美国主要采用A-PON,因为ATM交换在美国应用广泛。日本NTT有一个B-FLETts计划,采用P2P-MC、B-PON、G-EPON、SCM-PON等多种技术。SCM-PON:是采用副载波调制作为多信道复用的PON。 中国ATM使用远比STM的SDH少,一般不考虑APON。我们可以考虑的是P2P、GPON和EPON。P2P方案的优缺点前面已经说过,目前比较经济,使用灵活,传输距离远等;宜采用。而比较GPON和EPON,各有利弊。GPON:采用GFP技术网络效率高;可以有电话,适合SDH网络,与IP结合没有EPON好,但目前GPON技术不很成熟。EPON:与IP结合好,可用户电话,如用电话需要借助lAD技术。目前,中国的FTTH试点采用EPON比较多。FTTH技术方案的采用,还需要根据用户的具体情况不同而不同。 近来,无线接入技术发展迅速。可用作WLAN的IEEE802.11g协议,传输带宽可达54Mbps,覆盖范围达100米以上,目前已可商用。如果采用无线接入WLAN作用户的数据传输,包括:上下行数据和点播电视VOD的上行数据,对于一般用户其上行不大,IEEES02.11g是可以满足的。而采用光纤的FTTH主要是解决HDTV宽带视频的下行传输,当然在需要时也可包含一些下行数据。这就形成“光纤到家庭+无线接入”(FTTH+无线接入)的家庭网络。这种家庭网络,如果采用PON,就特别简单,因为此PON无上行信号,就不需要测距的电子模块,成本大大降低,维护简单。如果,所属PON的用户群体,被无线城域网WiMAX(1EEE802.16)覆盖而可利用,那么可不必建设专用的WLAN。接入网采用无线是趋势,但无线接入网仍需要密布于用户临近的光纤网来支撑,与FTTH相差无几。FTTH+无线接入是未来的发展趋势。 2、光交换的发展什么是通信? 实际上可表示为:通信输+交换。 光纤只是解决传输问题,还需要解决光的交换问题。过去,通信网都是由金属线缆构成的,传输的是电子信号,交换是采用电子交换机。现在,通信网除了用户末端一小段外,都是光纤,传输的是光信号。合理的方法应该采用光交换。但目前,由于目前光开关器件不成熟,只能采用的是“光-电-光”方式来解决光网的交换,即把光信号变成电信号,用电子交换后,再变还光信号。显然是不合理的办法,是效串不高和不经济的。正在开发大容量的光开关,以实现光交换网络,特别是所谓ASON-自动交换光网络。 通常在光网里传输的信息,一般速度都是xGbps的,电子开关不能胜任。一般要在低次群中实现电子交换。而光交换可实现高速XGbDs的交换。当然,也不是说,一切都要用光交换,特别是低速,颗粒小的信号的交换,应采用成熟的电子交换,没有必要采用不成熟的 大容量的光交换。当前,在数据网中,信号以“包”的形式出现,采用所谓“包交换”。包的颗粒比较小,可采用电子交换。然而,在大量同方向的包汇总后,数量很大时,就应该采用容量大的光交换。 目前,少通道大容量的光交换已有实用。如用于保护、下路和小量通路调度等。一般采用机械光开关、热光开关来实现。目前,由于这些光开关的体积、功耗和集成度的限制,通路数一般在8—16个。 电子交换一般有“空分”和“时分”方式。在光交换中有“空分”、“时分”和“波长交换”。光纤通信很少采用光时分交换。 光空分交换:一般采用光开关可以把光信号从某一光纤转到另一光纤。空分的光开关有机械的、半导体的和热光开关等。近来,采用集成技术,开发出MEM微电机光开关,其体积小到mm。已开发出1296x1296MEM光交换机(Lucent),属于试验性质的。 光波长交换:是对各交换对象赋于1个特定的波长。于是,发送某1特定波长就可对某特定对象通信。实现光波长交换的关键是需要开发实用化的可变波长的光源,光滤波器和集成的低功耗的可靠的光开关阵列等。已开发出640x640半导体光开关+AWG的空分与波长的相结合的交叉连接试验系统(corning)。采用光空分和光波分可构成非常灵活的光交换网。日本NTT在Chitose市进行了采用波长路由交换的现场试验,半径5公里,共有43个终端节,(试用5个节点),速率为2.5Gbps。 自动交换的光网,称为ASON,是进一步发展的方向。 3、集成光电子器件的发展 如同电子器件那样,光电子器件也要走向集成化。虽然不是所有的光电子器件都要集成,但会有相当的一部分是需要而且是可以集成的。目前正在发展的PLC-平面光波导线路,如同一块印刷电路板,可以把光电子器件组装于其上,也可以直接集成为一个光电子器件。要实现FTTH也好,ASON也好,都需要有新的、体积小的和廉价的和集成的光电子器件。 日本NTT采用PLO技术研制出16x16热光开关;1x128热光开关阵列;用集成和混合集成工艺把32通路的AWG+可变光衰减器+光功率监测集成在一起;8波长每波速串为80Gbps的WDM的复用和去复用分别集成在1块芯片上,尺寸仅15x7mm,如图1。NTT采用以上集成器件构成32通路的OADM。其中有些已经商用。近几年,集成光电子器件有比较大的改进。 中国的集成光电子器件也有一定进展。集成的小通道光开关和属于PLO技术的AWG有所突破。但与发达国家尚有较大差距。如果我们不迎头赶上,就会重复如同微电子落后的被动局面。 光纤通信的市场 众所周知,2000年IT行业泡沫,使光纤通信产业生产规模爆炸性地发展,产品生产过剩。无论是光传输设备,光电子器件和光纤的价格都狂跌。特别是光纤,每公里泡沫时期价格为羊1200,现在价格Y100左右1公里,比铜线还便宜。光纤通信的市场何时能恢复? 根据RHK的对北美通信产业投入的统计和预测,如图2.在2002年是最低谷,相当于倒退4年。现在有所回升,但还不能恢复。按此推测,在2007-2008年才能复元。光纤通信的市场也随IT市场好转。这些好转,在相当大的程度是由FTTH和宽带数字电视所带动的。 FTTH毕竟是信息社会的需求,光纤通信的市场一定有美好的情景。发达国家的FTTH已经开始建设,已经有相当的市场。大体上看,器件和设备随市场的需要,其利润会逐步回升,2007-2008年可能良好。但光纤产业,尽管反倾销成功,目前价格也仍低迷不起,利润甚微。实际上,在世界范围内,光纤的生产规模过大,而FTTH的发展速度受社会环境、包括市民的经济条件和数字电视的发展的影响,上升缓慢。据了解,有大公司目前封存几个光纤厂,根据市场情况,可随时启动生产,其结果是始终供大于求。供不应求才能涨价,是通常的市场规律,所以光纤产业要想厚利,可能是2009年后的事情。中国经济不发达地区和小城镇,还需要建设光纤线路,但光纤用量仍然处于供太子求的范围内。 对中国市场,FTTH受ADSL的挑战和数字电视HDTV发展的制约,会有所延后。目前,中国大量建设FTTH的社会环境和条件尚未具备,可能需要等待一段时间。不过,北京奥运会需要HDTV的推动和设备价格的下降,会促进FTTH的发展。预计在2007-2008年在中国FTTH可开始推广。不过也有些大城市的所谓中心商业区CBD,有比较强的经济力量,现在已经采用光纤到住地PTTP来建设。总的来说,目前中国的FTTH处于试点阶段。试点的作用,一方面是摸索技术和建设的经验,另一方面,还起竞争抢占用户的作用。所以,现在电信运行商,地方业主都积极对FTTH试点,以便发展宽带业务。因此,广播运行商受到巨大的挑战,广播商应加快发展数字电视的进程,并且要充实节目内容和采取有竞争力的商业模式。如果广播商要发展VOP点播电视,还需要对电缆电视网双向改造,如果采用光纤网,可更充分地适应未来的技术发展和市场需求。