光纖通信

　　光纖通信技術(shù)（optical fiber communications）從光通信中脫穎而出,已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一,在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光纖通信作為一門新興技術(shù),其近年來發(fā)展速度之快、應(yīng)用面之廣是通信史上罕見的,也是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志和未來信息社會中各種信息的主要傳送工具。

　　光纖即為光導(dǎo)纖維的簡稱。光纖通信是以光波作為信息載體,以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。從原理上看,構(gòu)成光纖通信的基本物質(zhì)要素是光纖、光源和光檢測器。光纖除了按制造工藝、材料組成以及光學(xué)特性進行分類外,在應(yīng)用中,光纖常按用途進行分類,可分為通信用光纖和傳感用光纖。傳輸介質(zhì)光纖又分為通用與專用兩種,而功能器件光纖則指用于完成光波的放大、整形、分頻、倍頻、調(diào)制以及光振蕩等功能的光纖,并常以某種功能器件的形式出現(xiàn)。光纖通信之所以發(fā)展迅猛,主要緣于它具有以下特點:

　 (1)通信容量大、傳輸距離遠;一根光纖的潛在帶寬可達20THz。采用這樣的帶寬，只需一秒鐘左右，即可將人類古今中外全部文字資料傳送完畢。目前400Gbit/s系統(tǒng)已經(jīng)投入商業(yè)使用。光纖的損耗極低，在光波長為1.55μm附近，石英光纖損耗可低于0.2dB/km，這比目前任何傳輸媒質(zhì)的損耗都低。因此，無中繼傳輸距離可達幾十、甚至上百公里。

　　(2)信號串?dāng)_小、保密性能好;

　　(3)抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳,電通信不能解決各種電磁干擾問題，唯有光纖通信不受各種電磁干擾。

　　(4)光纖尺寸小、重量輕,便于敷設(shè)和運輸;

　　(5)材料來源豐富,環(huán)境保護好，有利于節(jié)約有色金屬銅。

　　(6)無輻射,難于竊聽,因為光纖傳輸的光波不能跑出光纖以外。

　　(7)光纜適應(yīng)性強,壽命長。

　　(8)質(zhì)地脆，機械強度差。

　　(9)光纖的切斷和接續(xù)需要一定的工具、設(shè)備和技術(shù)。

　　(10)分路、耦合不靈活。

　　(11)光纖光纜的彎曲半徑不能過?。?gt;20cm）

　　(12)有供電困難問題。

　　利用光波在光導(dǎo)纖維中傳輸信息的通信方式．由于激光具有高方向性、高相干性、高單色性等顯著優(yōu)點，光纖通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光－光纖通信．

光纖通信的原理

　　光纖通信的原理是：在發(fā)送端首先要把傳送的信息(如話音)變成電信號，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度(頻率)變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測器收到光信號后把它變換成電信號，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息．

　　光纖通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要傳輸手段，它的發(fā)展歷史只有一二十年，已經(jīng)歷三代：短波長多模光纖、長波長多模光纖和長波長單模光纖．采用光纖通信是通信史上的重大變革，美、日、英、法等20多個國家已宣布不再建設(shè)電纜通信線路，而致力于發(fā)展光纖通信．中國光纖通信已進入實用階段．

　　光纖通信的誕生和發(fā)展是電信史上的一次重要革命與衛(wèi)星通信、移動通信并列為20世紀(jì)90年代的技術(shù)。進入21世紀(jì)后，由于因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展和音頻、視頻、數(shù)據(jù)、多媒體應(yīng)用的增長，對大容量（超高速和超長距離）光波傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)有了更為迫切的需求。

　　光纖通信就是利用光波作為載波來傳送信息，而以光纖作為傳輸介質(zhì)實現(xiàn)信息傳輸，達到通信目的的一種最新通信技術(shù)。

　　通信的發(fā)展過程是以不斷提高載波頻率來擴大通信容量的過程，光頻作為載頻已達通信載波的上限，因為光是一種頻率極高的電磁波 ，因此用光作為載波進行通信容量極大，是過去通信方式的千百倍，具有極大的吸引力，光通信是人們早就追求的目標(biāo)，也是通信發(fā)展的必然方向。

　　光纖通信與以往的電氣通信相比，主要區(qū)別在于有很多優(yōu)點：它傳輸頻帶寬、通信容量大；傳輸損耗低、中繼距離長；線徑細、重量輕，原料為石英，節(jié)省金屬材料，有利于資源合理使用；絕緣、抗電磁干擾性能強；還具有抗腐蝕能力強、抗輻射能力強、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強等優(yōu)點，可在特殊環(huán)境或軍事上使用。

　　光纖通信的應(yīng)用領(lǐng)域是很廣泛的，主要用于市話中繼線，光纖通信的優(yōu)點在這里可以充分發(fā)揮，逐步取代電纜，得到廣泛應(yīng)用。還用于長途干線通信過去主要靠電纜、微波、衛(wèi)星通信，現(xiàn)以逐步使用光纖通信并形成了占全球優(yōu)勢的比特傳輸方法；用于全球通信網(wǎng)、各國的公共電信網(wǎng)（如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線）；它還用于高質(zhì)量彩色的電視傳輸、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)視和調(diào)度、交通監(jiān)視控制指揮、城鎮(zhèn)有線電視網(wǎng)、共用天線（CATV）系統(tǒng)，用于光纖局域網(wǎng)和其他如在飛機內(nèi)、飛船內(nèi)、艦艇內(nèi)、礦井下、電力部門、軍事及有腐蝕和有輻射等中使用。

　　光纖傳輸系統(tǒng)主要由：光發(fā)送機、光接收機、光纜傳輸線路、光中繼器和各種無源光器件構(gòu)成。要實現(xiàn)通信，基帶信號還必須經(jīng)過電端機對信號進行處理后送到光纖傳輸系統(tǒng)完成通信過程。

　　它適合于光纖模擬通信系統(tǒng)中，而且也適用于光纖數(shù)字通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。在光纖模擬通信系統(tǒng)中，電信號處理是指對基帶信號進行放大、預(yù)調(diào)制等處理，而電信號反處理則是發(fā)端處理的逆過程，即解調(diào)、放大等處理。在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，電信號處理是指對基帶信號進行放大、取樣、量化，即脈沖編碼調(diào)制（PCM ）和線路碼型編碼處理等，而電信號反處理也是發(fā)端的逆過程。對數(shù)據(jù)光纖通信，電信號處理主要包括對信號進行放大，和數(shù)字通信系統(tǒng)不同的是它不需要碼型變換。

光纖通信技術(shù)今后如何發(fā)展？

　　近來有人對光纖通信的發(fā)展情景,有些困惑。其一,在2000年IT行業(yè)的泡沫,使光纖通信的生產(chǎn)規(guī)模投入過大,生產(chǎn)過剩,IT行業(yè)中許多小公司倒閉。特別是光纖,國外對中國傾銷。其二,有人認(rèn)為:光纖通信的傳輸能力已經(jīng)達到10Tbps,幾乎用不完,而且現(xiàn)在大干線已經(jīng)建設(shè)得差不多,埋地的剩余光纖還很多,光纖通信技術(shù)不需要更多的發(fā)展。

　　

光纖通信的發(fā)展趨勢

　　1、光纖到家庭(FTTH)的發(fā)展

　　FTTH可向用戶提供極豐富的帶寬,所以一直被認(rèn)為是理想的接入方式,對于實現(xiàn)信息社會有重要作用,還需要大規(guī)模推廣和建設(shè)。FTTH所需要的光纖可能是現(xiàn)有已敷光纖的2～3倍。過去由于FTTH成本高,缺少寬帶視頻業(yè)務(wù)和寬帶內(nèi)容等原因,使FTTH還未能提到日程上來,只有少量的試驗。近來,由于光電子器件的進步,光收發(fā)模塊和光纖的價格大大降低;加上寬帶內(nèi)容有所緩解,都加速了FTTH的實用化進程。

　　發(fā)達國家對FTTH的看法不完全相同:美國AT&T認(rèn)為FTTH市場較小,在0F62003宣稱:FTTH在20-50年后才有市場。美國運行商Verizon和Sprint比較積極,要在10—12年內(nèi)采用FTTH改造網(wǎng)絡(luò)。日本NTT發(fā)展FTTH最早,現(xiàn)在已經(jīng)有近200萬用戶。目前中國FTTH處于試點階段。

　　FTTH[遇到的挑戰(zhàn):現(xiàn)在廣泛采用的ADSL技術(shù)提供寬帶業(yè)務(wù)尚有一定優(yōu)勢。

　　與FTTH相比:①價格便宜②利用原有銅線網(wǎng)使工程建設(shè)簡單③對于目前1Mbps—500kbps影視節(jié)目的傳輸可滿足需求。FTTH目前大量推廣受制約。

　　對于不久的將來要發(fā)展的寬帶業(yè)務(wù),如:網(wǎng)上教育,網(wǎng)上辦公,會議電視,網(wǎng)上游戲,遠程診療等雙向業(yè)務(wù)和HDTV高清數(shù)字電視,上下行傳輸不對稱的業(yè)務(wù),AD8L就難以滿足。尤其是HDTV,經(jīng)過壓縮,目前其傳輸速率尚需19.2Mbps。正在用H.264技術(shù)開發(fā),可壓縮到5～6Mbps。通常認(rèn)為對QOS有所保證的ADSL的最高傳輸速串是2Mbps,仍難以傳輸HDTV?？梢哉J(rèn)為HDTV是FTTH的主要推動力。即HDTV業(yè)務(wù)到來時,非FTTH不可。

　　FTTH的解決方案:通常有P2P點對點和PON無源光網(wǎng)絡(luò)兩大類。

　　F2P方案一一優(yōu)點:各用戶獨立傳輸,互不影響,體制變動靈活;可以采用廉價的低速光電子模塊;傳輸距離長。缺點:為了減少用戶直接到局的光纖和管道,需要在用戶區(qū)安置1個匯總用戶的有源節(jié)點。

　　PON方案——優(yōu)點:無源網(wǎng)絡(luò)維護簡單;原則上可以節(jié)省光電子器件和光纖。缺點:需要采用昂貴的高速光電子模塊;需要采用區(qū)分用戶距離不同的電子模塊,以避免各用戶上行信號互相沖突;傳輸距離受PON分比而縮短;各用戶的下行帶寬互相占用,如果用戶帶寬得不到保證時,不單是要網(wǎng)絡(luò)擴容,還需要更換PON和更換用戶模塊來解決。(按照目前市場價格,PEP比PON經(jīng)濟)。

　　PON有多種,一般有如下幾種:(1)APON:即ATM-PON,適合ATM交換網(wǎng)絡(luò)。(2)BPON:即寬帶的PON。(3)OPON:采用通用幀處理的OFP-PON。(4)EPON:采用以太網(wǎng)技術(shù)的PON,0EPON是千兆畢以太網(wǎng)的PON。(5)WDM-PON:采用波分復(fù)用來區(qū)分用戶的PON,由于用戶與波長有關(guān),使維護不便,在FTTH中很少采用。

　　發(fā)達國家發(fā)展FTTH的計劃和技術(shù)方案,根據(jù)各國具體情況有所不同。美國主要采用A-PON,因為ATM交換在美國應(yīng)用廣泛。日本NTT有一個B-FLETts計劃,采用P2P-MC、B-PON、G-EPON、SCM-PON等多種技術(shù)。SCM-PON:是采用副載波調(diào)制作為多信道復(fù)用的PON。

　　中國ATM使用遠比STM的SDH少,一般不考慮APON。我們可以考慮的是P2P、GPON和EPON。P2P方案的優(yōu)缺點前面已經(jīng)說過,目前比較經(jīng)濟,使用靈活,傳輸距離遠等;宜采用。而比較GPON和EPON,各有利弊。GPON:采用GFP技術(shù)網(wǎng)絡(luò)效率高;可以有電話,適合SDH網(wǎng)絡(luò),與IP結(jié)合沒有EPON好,但目前GPON技術(shù)不很成熟。EPON:與IP結(jié)合好,可用戶電話,如用電話需要借助lAD技術(shù)。目前,中國的FTTH試點采用EPON比較多。FTTH技術(shù)方案的采用,還需要根據(jù)用戶的具體情況不同而不同。

　　近來,無線接入技術(shù)發(fā)展迅速。可用作WLAN的IEEE802.11g協(xié)議,傳輸帶寬可達54Mbps,覆蓋范圍達100米以上,目前已可商用。如果采用無線接入WLAN作用戶的數(shù)據(jù)傳輸,包括:上下行數(shù)據(jù)和點播電視VOD的上行數(shù)據(jù),對于一般用戶其上行不大,IEEES02.11g是可以滿足的。而采用光纖的FTTH主要是解決HDTV寬帶視頻的下行傳輸,當(dāng)然在需要時也可包含一些下行數(shù)據(jù)。這就形成“光纖到家庭+無線接入”(FTTH+無線接入)的家庭網(wǎng)絡(luò)。這種家庭網(wǎng)絡(luò),如果采用PON,就特別簡單,因為此PON無上行信號,就不需要測距的電子模塊,成本大大降低,維護簡單。如果,所屬PON的用戶群體,被無線城域網(wǎng)WiMAX(1EEE802.16)覆蓋而可利用,那么可不必建設(shè)專用的WLAN。接入網(wǎng)采用無線是趨勢,但無線接入網(wǎng)仍需要密布于用戶臨近的光纖網(wǎng)來支撐,與FTTH相差無幾。FTTH+無線接入是未來的發(fā)展趨勢。

       2、光交換的發(fā)展什么是通信?

　　實際上可表示為:通信輸+交換。

　　光纖只是解決傳輸問題,還需要解決光的交換問題。過去,通信網(wǎng)都是由金屬線纜構(gòu)成的,傳輸?shù)氖请娮有盘?交換是采用電子交換機?，F(xiàn)在,通信網(wǎng)除了用戶末端一小段外,都是光纖,傳輸?shù)氖枪庑盘?。合理的方法?yīng)該采用光交換。但目前,由于目前光開關(guān)器件不成熟,只能采用的是“光-電-光”方式來解決光網(wǎng)的交換,即把光信號變成電信號,用電子交換后,再變還光信號。顯然是不合理的辦法,是效串不高和不經(jīng)濟的。正在開發(fā)大容量的光開關(guān),以實現(xiàn)光交換網(wǎng)絡(luò),特別是所謂ASON-自動交換光網(wǎng)絡(luò)。

　　通常在光網(wǎng)里傳輸?shù)男畔?一般速度都是xGbps的,電子開關(guān)不能勝任。一般要在低次群中實現(xiàn)電子交換。而光交換可實現(xiàn)高速XGbDs的交換。當(dāng)然,也不是說,一切都要用光交換,特別是低速,顆粒小的信號的交換,應(yīng)采用成熟的電子交換,沒有必要采用不成熟的大容量的光交換。當(dāng)前,在數(shù)據(jù)網(wǎng)中,信號以“包”的形式出現(xiàn),采用所謂“包交換”。包的顆粒比較小,可采用電子交換。然而,在大量同方向的包匯總后,數(shù)量很大時,就應(yīng)該采用容量大的光交換。

　　目前,少通道大容量的光交換已有實用。如用于保護、下路和小量通路調(diào)度等。一般采用機械光開關(guān)、熱光開關(guān)來實現(xiàn)。目前,由于這些光開關(guān)的體積、功耗和集成度的限制,通路數(shù)一般在8—16個。

　　電子交換一般有“空分”和“時分”方式。在光交換中有“空分”、“時分”和“波長交換”。光纖通信很少采用光時分交換。

　　光空分交換:一般采用光開關(guān)可以把光信號從某一光纖轉(zhuǎn)到另一光纖?？辗值墓忾_關(guān)有機械的、半導(dǎo)體的和熱光開關(guān)等。近來,采用集成技術(shù),開發(fā)出MEM微電機光開關(guān),其體積小到mm。已開發(fā)出1296x1296MEM光交換機(Lucent),屬于試驗性質(zhì)的。

　　光波長交換:是對各交換對象賦于1個特定的波長。于是,發(fā)送某1特定波長就可對某特定對象通信。實現(xiàn)光波長交換的關(guān)鍵是需要開發(fā)實用化的可變波長的光源,光濾波器和集成的低功耗的可靠的光開關(guān)陣列等。已開發(fā)出640x640半導(dǎo)體光開關(guān)+AWG的空分與波長的相結(jié)合的交叉連接試驗系統(tǒng)(corning)。采用光空分和光波分可構(gòu)成非常靈活的光交換網(wǎng)。日本NTT在Chitose市進行了采用波長路由交換的現(xiàn)場試驗,半徑5公里,共有43個終端節(jié),(試用5個節(jié)點),速率為2.5Gbps。

　　自動交換的光網(wǎng),稱為ASON,是進一步發(fā)展的方向。

　　3、集成光電子器件的發(fā)展

　　如同電子器件那樣,光電子器件也要走向集成化。雖然不是所有的光電子器件都要集成,但會有相當(dāng)?shù)囊徊糠质切枰沂强梢约傻?。目前正在發(fā)展的PLC-平面光波導(dǎo)線路,如同一塊印刷電路板,可以把光電子器件組裝于其上,也可以直接集成為一個光電子器件。要實現(xiàn)FTTH也好,ASON也好,都需要有新的、體積小的和廉價的和集成的光電子器件。

　　日本NTT采用PLO技術(shù)研制出16x16熱光開關(guān);1x128熱光開關(guān)陣列;用集成和混合集成工藝把32通路的AWG+可變光衰減器+光功率監(jiān)測集成在一起;8波長每波速串為80Gbps的WDM的復(fù)用和去復(fù)用分別集成在1塊芯片上,尺寸僅15x7mm,如圖1。NTT采用以上集成器件構(gòu)成32通路的OADM。其中有些已經(jīng)商用。近幾年,集成光電子器件有比較大的改進。

　　中國的集成光電子器件也有一定進展。集成的小通道光開關(guān)和屬于PLO技術(shù)的AWG有所突破。但與發(fā)達國家尚有較大差距。如果我們不迎頭趕上,就會重復(fù)如同微電子落后的被動局面。

光纖通信的市場

　　眾所周知,2000年IT行業(yè)泡沫,使光纖通信產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模爆炸性地發(fā)展,產(chǎn)品生產(chǎn)過剩。無論是光傳輸設(shè)備,光電子器件和光纖的價格都狂跌。特別是光纖,每公里泡沫時期價格為￥1200,現(xiàn)在價格Y100左右1公里,比銅線還便宜。光纖通信的市場何時能恢復(fù)?

　　根據(jù)RHK的對北美通信產(chǎn)業(yè)投入的統(tǒng)計和預(yù)測,如圖2.在2002年是最低谷,相當(dāng)于倒退4年?，F(xiàn)在有所回升,但還不能恢復(fù)。按此推測,在2007-2008年才能復(fù)元。光纖通信的市場也隨IT市場好轉(zhuǎn)。這些好轉(zhuǎn),在相當(dāng)大的程度是由FTTH和寬帶數(shù)字電視所帶動的。

　　FTTH畢竟是信息社會的需求,光纖通信的市場一定有美好的情景。發(fā)達國家的FTTH已經(jīng)開始建設(shè),已經(jīng)有相當(dāng)?shù)氖袌?。大體上看,器件和設(shè)備隨市場的需要,其利潤會逐步回升,2007-2008年可能良好。但光纖產(chǎn)業(yè),盡管反傾銷成功,目前價格也仍低迷不起,利潤甚微。實際上,在世界范圍內(nèi),光纖的生產(chǎn)規(guī)模過大,而FTTH的發(fā)展速度受社會環(huán)境、包括市民的經(jīng)濟條件和數(shù)字電視的發(fā)展的影響,上升緩慢。據(jù)了解,有大公司目前封存幾個光纖廠,根據(jù)市場情況,可隨時啟動生產(chǎn),其結(jié)果是始終供大于求。供不應(yīng)求才能漲價,是通常的市場規(guī)律,所以光纖產(chǎn)業(yè)要想厚利,可能是2009年后的事情。中國經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)和小城鎮(zhèn),還需要建設(shè)光纖線路,但光纖用量仍然處于供大于求的范圍內(nèi)。

　　對中國市場,FTTH受ADSL的挑戰(zhàn)和數(shù)字電視HDTV發(fā)展的制約,會有所延后。目前,中國大量建設(shè)FTTH的社會環(huán)境和條件尚未具備,可能需要等待一段時間。不過,北京奧運會需要HDTV的推動和設(shè)備價格的下降,會促進FTTH的發(fā)展。預(yù)計在2007-2008年在中國FTTH可開始推廣。不過也有些大城市的所謂中心商業(yè)區(qū)CBD,有比較強的經(jīng)濟力量,現(xiàn)在已經(jīng)采用光纖到住地PTTP來建設(shè)。總的來說,目前中國的FTTH處于試點階段。試點的作用,一方面是摸索技術(shù)和建設(shè)的經(jīng)驗,另一方面,還起競爭搶占用戶的作用。所以,現(xiàn)在電信運行商,地方業(yè)主都積極對FTTH試點,以便發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)。因此,廣播運行商受到巨大的挑戰(zhàn),廣播商應(yīng)加快發(fā)展數(shù)字電視的進程,并且要充實節(jié)目內(nèi)容和采取有競爭力的商業(yè)模式。如果廣播商要發(fā)展VOD點播電視,還需要對電纜電視網(wǎng)雙向改造,如果采用光纖網(wǎng),可更充分地適應(yīng)未來的技術(shù)發(fā)展和市場需求。