1、先进技术专题论文教材先进技术专题论文题 目： 光 纤 通 信 技 术 学 院： 专 业： 姓 名： 学 号： 班 级： 完成时间： 光纤通信技术摘 要光纤通信是一种最新的通信技术，它以特有的原理传输信息，英籍华人高锟提出用光传输信号。人们进行光波导的研究，并且提出用玻璃代替铜线。光纤通信的发明大大造福了世界。现在人们追求超高速度、超大容量和超长距离传输，并且未来的光纤通信也朝着全光网络与塑料光纤发展。光纤通信不仅可以应用在通信的主干线路中，还可以应用在电力通信控制系统中，进行工业监测、控制，而且在军事领域的用途也越来越为广泛。光纤通信技术作为信息技术的重要支撑平台，在未来信息社会中起到十分重要
2、的作用。关键词 ：光纤通信；光导纤维；接入网技术；光纤通信网AbstractOptical fiber communication is a kind of new communication technologies, with a unique principle of transmission information, it is a british-chinese Charles kao light transmission signal is put forward. People in the study of optical waveguide, and put forward
3、using glass instead of copper wire. The invention of the optical fiber communication has greatly benefited the world. Now people pursuit of ultra-high speed, large capacity and long distance transmission, and the future of optical fiber communication is toward all optical network and development of
4、plastic optical fiber.Optical fiber communication not only can be applied in the trunk lines of communication, can also be applied in electric power communication control systems, industrial monitoring, control, and in the military field is becoming more and more to a wide range of purposes. Optical
5、 fiber communication technology as the important support of information technology platform, plays an important role in the future information society.Key words: Optical fiber communication; Optical fiber; Access network technology; Optical fiber第1章 引言从整个电信网的角度讲，可以将全网划分为公用网和用户驻地网（CPN）两大块，其中CPN属用户所有，
6、因而，通常意义的电信网指公用电信网部分。公用电信网又可以划分为长途网、中继网和接入网3部分。长途网和中继网合并称为核心网。相对于核心网，接入网介于本地交换机和用户之间，主要完成使用户接入到核心网的任务，接入网由业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之间一系列传送设备组成。“信息高速公路”的基础是光纤通信，它用光缆把千万家用户单位联结在一起。以光纤为基础的“信息高速公路”有很宽的频带，可以同时传送500个电视频道。因此，无论是文字信息、声音信息，还是图像信息或电视，都可以在“信息高速公路”的网络中及时传送。传送的速率很高，一部不列颠百科全书通过“信息高速公路”，不到5秒钟就能传送完毕。而
7、其骨干将是光缆系统。光缆是由细长的玻璃束构成的，能以激光脉冲形式传输数字化信息，而同轴电缆中传输的则是无线电波。激光脉冲比无线电波的波长短，所以光纤线路的信息容量大。例如，一根光纤能同时传输5000路视频信号，或同时传输50万路电话通话。光纤抗干扰能力强，信号衰减小，适于远距离传输大量信息。 美国光缆总长度已达1280800万千米，然而与“信息高速公路”的要求相比，传输能力还远远不够。在名副其实的“信息高速公路”出现之前，这些光缆系统必须要增容，而所传输的信息则要数字化和加以标识，这样才能省电，并且精确地传给电话通信系统的用户。另一项关键技术是“数字压缩”技术，可降低表达一条信息。无论是文件、
8、静止图像、电影或声音所需的数字码（1和0的数字串）的数量。数字传输对传输视频信息至关重要，因为数字化的视频信息占用大量的空间。例如，只有4秒钟长的数字化电影会占满100兆字节的硬驱空间。如果不加以压缩，一部标准长度的故事片会充满350多盘普通光盘。为了实现压缩，在从一帧至另一帧的画面中，只录下变化的部分，而不变的（如背景）则只录下一次。目前尚不存在的一项关键技术是所谓的家用信息电器，它可与“信息高速公路”相接，支持所有拟议中的视频和文字应用，并且像电话和电视机一样使用方便。近年来，以互联网为代表的新技术革命正在深刻地改变传统的电信概念和体系结构，随着各国接入网市场的逐渐开放，电信管制政策的放松
9、，竞争的日益加剧和扩大，新业务需求的迅速出现，有线技术（包括光纤技术）和无线技术的发展，接入网开始成为人们关注的焦点。在巨大的市场潜力驱动下，产生了各种各样的接入网技术。光纤通信具有通信容量大、质量高、性能稳定、防电磁干扰、保密性强等优点。在干线通信中，光纤扮演着重要角色，在接入网中，光纤接入也将成为发展的重点。光纤接入网是发展宽带接入的长远解决方案。第2章 光纤通信系统概述2.1 光纤通信技术定义 光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输的通信方式。在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波的频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或导波管的损耗低得多，所以说光纤通信的容量要比微波通
10、信大几十倍。光纤是用玻璃材料构造的，它是电气绝缘体，因而不需要担心接地回路，光纤之间的中绕非常小，光波在光纤中传输，不会因为光信号泄漏而担心传输的信息被人窃听，光纤的芯很细，由多芯组成光缆的直径也很小，所以用光缆作为传输信道，使传输系统所占空间小，解决了地下管道拥挤的问题。图2-1为光纤通信系统原理图。图2-1光纤通信系统原理图 2.2 光纤通信技术优势 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。其具有如下特点：（1）频带【1】极宽，通信容量大。光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，光纤通信系统的于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散
11、特性。散波长窗口，单模光纤具有几十GHzkm的宽带。对于单波长光纤通信系统，由于终端设备的电子瓶颈效应而不能发挥光纤带宽大的优势。通常采用各种复杂技术来增加传输的容量，特别是现在的密集波分复用技术极大地增加了光纤的传输容量。采用密集波分复术可以扩大光纤的传输容量至几倍到几十倍。目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般在2.5Gbps到1OGbps，采用密集波分复术实现的多波长传输系统的传输速率已经达到单波长传输系统的数百倍。巨大的带宽潜力使单模光纤成为宽带综合业务网的首选介质。 （2）损耗低，中继距离长 目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤损耗可低于0.20dB/km，这样的
12、传输损耗比其它任何传输介质的损耗都低，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其他介质构成的系统长得多。 如果将来采用非石英系统极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降的更低。这意味着通过光纤通信系统可以跨越更大的无中继距离;对于一个长途传输线路，由于中继站数目的减少，系统成本和复杂性可大大降低。目前，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多km，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系至数公里，这对于降低通信系统的成本、提高可靠性和稳定性具有特别重要的意义。 （3）抗电磁干扰能力强 我们知道光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料，不易被腐蚀，而且绝缘性好。与之相联系的一个重要特性是光波导对电磁
13、干扰的免疫力，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受人为释放的电磁干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。它是一种非导电的介质，交变电磁波在其中不会产生感生电动势，即不会产生与信号无关的噪声。这样，就是把它平行铺设到高压电线和电气铁路附近，也不会受到电磁干扰。这一点对于强电领域(如电力传输线路和电气化铁道)的通信系统特别有利。 （4）光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设 光纤的芯径很细，约为0.1mm，由多芯光纤组成光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。这样采用光缆作为传输信道，使传输系统所占空间小，解决了地
14、下管道拥挤的问题，节约了地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，柔韧性好，光缆的重量要比电缆轻得多，在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信可以减轻飞机、轮船、飞船的重量，显得更有意义。还有，光纤柔软可绕，容易成束，能得到直径小的高密度光缆。 （5）保密性能好 对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听，只要在明线或电缆附近设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息，更不用去说无线通信方式。光纤通信与电通信不同，由于光纤的特殊设计，光纤中传送的光波被限制在光纤的纤芯和包层附近传送，很少会跑到光纤之外。即使在弯曲半径很小的位置，泄漏功率也是
15、十分微弱的。并且成缆以后光纤在外面包有金属做的防潮层和橡胶材料的护套，这些均是不透光的，因此，泄漏到光缆外的光几乎没有。更何况长途光缆和中继光缆一般均埋于地下。所以光纤的保密性能好。此外，由于光纤中的光信号一般不会泄漏，因此电通信中常见的线路之间的串话现象也可忽略。2.3 光纤接入技术 随着通信业务量的不断增加，业务种类也更加丰富，人们不仅需要语音业务，高速数据、高保真音乐、互动视频等多媒体业务也已经得到了更多用户的青睐。光纤接入网【2】可分为有源光网络A(ON)和无源光网络(PON。)采用SDH技术、ATM技术、以太网技术在光接入网系统中称为有源光网络。若光配线网(ODN全)部由无源器件组成
16、，不包括任何有源节点，则这种光接入网就是无源光网络。 现阶段，无源光网络P(ON)技术【3】是实现FTTx的主流技术。典型的PON系统由局侧OLT光(线路终端)、用户侧ONUO/NT(光网络单元)以及ODN-OrgnizationDevelopment Network(光分配网络)组成。PON技术可节省主干光纤资源和网络层次，在长距离传输条件夏可提供双向高带宽能力，接入业务种类丰富，运维成本大幅降低，适合于用户区域较分散而每一区域内用户又相对集中的小面积密集用户地区。 为实现信息传输的高速化，满足大众的需求，不仅要有宽带的主干传输网络，用户接入部分更是关键，光纤接入网是高速信息流进千家万户的关
17、键技术。在光纤宽带接入中，由于光纤到达置的不同，有FTB、FTTC，FTTCab和FTTH等不同的应用，统称FTTx。 FTTH(光纤到户)是光纤宽带接入的最终方式，它提供全光的接入，因此，可以充分利用光纤的宽带特性，为用户提供所需要的不受限制的带宽，充分满足宽带接入的需求。我国从2003年起，在“863”项目的推动下，开始了FTTH的应用和推广工作。迄今已经在30多个城市建立了试验网和试商用网，包括居民用户、企业用户、网吧等多种应用类型，也包括运营商主导、驻地网运营商主导、企业主导、房地产开发商主导和政府主导等多种模式，发展势头良好。不少城市制定了FTTH的技术标准和建设标准，有的城市还制门
18、了相应的优惠政策，这此都为FTTH在我国的发展创造了良好的条件。图2-2为FTTH光纤接入技术示意图。图2-2 FTTH光纤接入技术示意图在FTTH应用中，主要采用两种技术，即点到点的P2P技术和点到多点的xPON技术，亦可称为光纤有源接入技术和光纤无源接入技术。P2P技术主要采用通常所说的MC(媒介转换器)实现用户和局端的自接连接，它可以为用户提供高带宽的接入。目前，国内的技术可以为用户提供FE或GE的带宽，对大中型企业用户来说，是比较理想的接入方式。第3章 光纤通信技术的发展及前景3.1 光纤通信的历史在光纤通信【4】的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。1966年,美籍华人高锟(C.K.
19、Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表论文,预见了低损耗的光纤能够用于通信,敲开了光纤通信的大门,引起了人们的重视。1970年,美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/km的光纤,光纤通信时代由此开始。1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间,首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。8.5微米波段的多模光波为第一代光纤通信系统。1981年又实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统,为第二代光纤通信系统。1984年实现了1.3微米单模光纤的通信系统,即第三代光纤通信系统。80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统,即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率,用
20、光波放大增长传输距离的系统,为第五代光纤通信系统。新系统中,相干光纤通信系统,已达现场实验水平,将得到应用。光孤子通信系统可以获得极高的速率,20世纪末或21世纪初可能达到实用化。3.2 光纤技术的发展前景对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络【5】也是人们不懈追求的梦想。（1）向超高速系统的发展。目前10Gbps系统已开始大批量装备网络,主要在北美,在欧洲、日本和澳大利亚也已开始大量应用。但是,10Gbps系统对于光缆极化模色散比较敏感,而已经铺设的光缆并不一定都能满足开通和使用10Gbps系统的要求,需要实际测试,验证合格后才能安装开通。它的比较现
21、实的出路是转向光的复用方式。光复用方式有很多种,但目前只有波分复用(WDM)方式进入了大规模商用阶段,而其它方式尚处于试验研究阶段。（2）向超大容量WDM系统的演进。采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽,然而光纤的200nm可用带宽资源仅仅利用了不到1%,99%的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一极光纤上传送,则可大大增加光纤的信息传输容量,这就是波分复用(WDM)的基本思路。采用波分复用系统的主要好处是:1）.可以充分利用光纤的巨大带宽资源,使容量可以迅速扩大几倍至上百倍;2）.在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器,从而大大降低了传输成本:3）.与信号速率及电调制
22、方式无关,是引入宽带新业务的方便手段;4.利用WDM网络实现网络交换和恢复可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。（3）开发新代的光纤 传统的G.652单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势,开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。目前,为了适应干线网和城域网的不同发展需要,已出现了两种不同的新型光纤,即非零色散光(G.655光纤)和无水吸收峰光纤(全波光纤)。从长远来看,BPON技术无可争议地将是未来宽带接入技术的发展方向,但从当前技术发展、成本及应用需求的实际状况看,它距离实现广泛应用于电信接入网络这一最终目标还会有一个较长的发展过程
23、。（4）全光网络。未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化,但在网络结点处仍采用电器件,限制了目前通信网干线总容量的进一步提高,因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题。目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看,形成一个真正的、以 WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。3.3 组建光通信网的合理途径（1）通信网的业务重心转移和容量扩大组建光网（Optical
24、 Networking）是当今国际上通信领域中一个热门的重大课题，对于陆地的固定通信网，除了光纤光缆及波分多路系统正在点一点传输线路上大量并继续改进技术以扩大应用效果外，通信研究人员也在考虑设计和试验在通信网核心内部如何利用波分多路（WDM）技术使电传送网进化为光传送网，认为这是未来通信网必然的趋向。自20世纪90年代起，国际互联网Internet向全世界机用户开放，促使数据通信的业务量爆炸性增长，给传统电话通信网以巨大冲击。今后的通信形势是：尽管全世界的电话业务量仍是每年增长，但数据通信业务量的年增长率远远大于电话业务量的增长率，因此在21世纪里数据业务总量将很快赶上电话业务总量。换句话说，
25、未来的通信网不再以电话业务为重心，而是以数据业务为重心，宜于使用互联网规约IP（Internet Protocol）。传统电话通信网长期使用的电路交换方式，在未来通信网不再合适，应该让位给对数据通信有利的分组交换方式（packet switching）。当然，未来的通信网仍应保证电话业务畅通，而且IP-phone仍须达到传统电话QoS的要求并保证数字图视（video）通信业务畅通，以致能够实现计算机操作的多媒体通信。 与此同时，通信网的核心本身总是应该具有足够大的容量，有能力适应各种通信业务量的数字速率总和，保证通信畅通，通信网容量就以它同时提供数字速率多少来表示。现在大家既然认识到各种通信业
26、务特别是数据通信业务量每年以很高的增长率快速增长，未来的通信网就应该相应地扩大其容量。一方面，通信网绝对不停留于长期使用的公用交换电话网每年缓慢增长的容量，而是提供大得多、能够经常加大的容量。按数字速率计，现行的电通信网利用电的时分多路TDM技术，按照标准的同步数字群系列SDH，最高的数字速度限于最高一级数字群的速度，即10Gbits。在，该数字速度尚未能突破，这是受到电的TDM技术的限制，常称“瓶颈”。最近，国际会议上个别研究单位称他们利用电的TDM，能够制成数字速度达40Gbits，但这是少数情况，目前还未能普遍推广。（2）通信网从电的TDM发展至光的WDM1）既然电的通信网在容量上受到电
27、的TDM的限制，那么就应考虑其它有效而实际可行的办法。光纤通信的传输线路在加大容量方面取得了显著的成功经验，似乎可以为通信网提供有益的。在原来的光纤线路上，一根光纤只传输一路光载波，其载荷的数字信号由电的TDM供给，最高数字速率为10Gbits，而单模光纤在波长1550nm有很宽的窗口可供光信号传输，虽然一个光载波载荷信号的数字速率受到电的TDM限度不能提高，但如能让一根光纤同时传输几个光载波，则光纤的传输容量就可以成倍地加大，将光纤的潜在容量发掘利用。参照过去几十年前通信线路的每对铜线利用频分多路FDM技术实现多路载波电话的成功经验，考虑在光纤上采用波分多路WDM技术，实现一根光纤同时传输多
28、路光载波的办法。如每一根光纤上装用户路WDM，每路传输电的TDM信号10Gbits，那么n路WDM就使一根光纤在一个方向同时传输nl0Gbiis，使数字速率比原来提高n倍，这种办法不难取得成功，完全可以推广应用。最近国际会议上报道一根光纤在1550nm波长窗口同时传输密集波分多路DWDM的100路具有适当波长间隔的光载波，导致同时传输的数字速率提高至100l0Gbiis=1Tbits （11012bits）。而且，还有可能继续提高至几个Tbits。这样的DWDM系统用于光纤线路，配以在1550nm波长窗口提供光功率增益的宽带光纤放大器W-EDFA，沿线路每隔100km设置一个放大器，就可使1T
29、bits数字速率的信号传输至1000km距离，实现大容量、长距离的信号传输。2）诚然，这种1Tbits-1000km的大容量、长距离的通信系统真是通信领域的卓越贡献，大家都深切体会到光比电有更大的潜力为通信的发展提供帮助。传统的电通信应该引伸至光通信，尤其在考虑通信网扩大容量的，不能停留于电，而应着眼于光。依这样的思路进一步深入考虑光在通信网的实际应用可能性。现在波分多路WDM技术结合光放大器EDFA的方式，不应局限于光纤传输线路的应用，而是要求放开思路，研究光的WDM技术能否引伸至通信网核心内部，代替原来利用电的TDM技术所起的作用。过去的电通信网虽然利用大容量光纤传输线路，但通信网本身由电
30、的TDM起作用，通信网容量的数字速率属于Gbits级，最大是10Gbits。现在利用光的WDM，有n路不同波长操纵各种单元，则使通信网容量加大n倍。如用100路不同波长，则上应能使通信网容量加大至Tbits级，比电的通信网容量Gbits级大一千倍。这就是说，电通信网受到TDM的限制，无法再扩大容量，如改用光通信网，WDM可以使用很多路数，以致光通信网可以扩大容量至很多倍。所以，随着通信业务量的快速增长，要求通信网扩大其容量，从电的通信网进化为光的通信网。 顺便提一下，上面说起电的TDM技术目前最高数字速率为10Gbits。曾有研究单位宣称光的TDM技术可使16路电的TDM复合，使总的数字速率提
31、高至1610160bits，但这样的技术有较大难度，目前没有推广使用。3）网络单元ADM、DXC过渡至OADM、0XC 每个通信网由若干种和若干个网络单元分别组合而成。多路通信不论是电的时分多路TDM，或者是光的波分多路WDM，最基本的网络单元有multiplexer和demultiplexer，一般地称为复接器和分接器。它们在TDM结点与用户接入线连接处，一般称为合路器和分路器，而在结点内部，则称为合群器和分群器。对于电话通信，合路器是把30路数字电话合为一个基群，如30路经过脉码调制PCM得到的数字电话信号64kbits合为30路的基群，约2Mbits。而分路器的作用相反，它把基群2Mbi
32、ts分为30路64kbits。合群器是把若干个低级群合为较高级的数字群。例如在准同步数字群系列PDH，最低的合群器是把4个基群2Mbits合为二级群8Mbits。分群器则相反，把1个8Mbits群分为4个2Mbits群。在同步数字系列SDH，例如最高级的合群器是把4个2.5Gbits合为1个10Gbits，分群器则把1个10Gbits分为4个25Gbits。数字速率越高，则制成合群器和分群器的技术难度越大。类似地，在光的WDM复接器和分接器可以称为合波器和分波器，前者把几路不同的光波长合为一个波段，后者把一个光波段分为若干路光波长。在每一网络结点，其他重要的网络单元有ADM（add-drop multiplexer），简单译成插分复接器，实际上它是分群器与合群器的组合，或是分路器与合路器的组合。在结点内部，某一高级数字群输入分群器，分为若干个较低级数字群输出，其中部分低级数字群就从这分群器输出分下（drop），由本结点使用，其余几个输出直通合群器的输入，结点可以按需要把几个与分下相同的低级群插上（add）合群器的输入，与直通的低级群会合，成为新的高级数字群输出。在电的通信网中，这些是“数字的ADM”。
