光纖通信技術[信息科學技術]:光導纖維通信簡稱，原理是利用光導纖維傳輸信 -百科知識中文網

技術簡介

名稱

光纖通信技術

關鍵字

光波光纖通信技術

光纖結構

光纖由纖芯，包層和塗層組成，內芯一般為幾十微米或幾微米，中間層稱為包層，通過纖芯和包層的折射率不同，從而實現光信號在纖芯內的全反射也就是光信號的傳輸，塗層的作用就是增加光纖的韌性保護光纖。

光纖通信是利用光波作載波，以光纖作為傳輸媒質將信息從一處傳至另一處的通信方式。

發展歷史

1966年英籍華人高錕博士發表了一篇劃時代性的論文，他提出利用帶有包層材料的石英玻璃光學纖維，能作為通信媒質。從此，開創了光纖通信領域的研究工作。

1977年美國在芝加哥相距7000米的兩電話局之間，首次用多模光纖成功地進行了光纖通信試驗。0.85微米波段的多模光纖為第一代光纖通信系統。

1981年又實現了兩電話局間使用1.3微米多模光纖的通信系統，為第二代光纖通信系統。

1984年實現了1.3微米單模光纖的通信系統，即第三代光纖通信系統。

20世紀80年代中後期又實現了1.55微米單模光纖通信系統，即第四代光纖通信系統。

20世紀末或21世紀初發明了第五代光纖通信系統，用光波分復用提高速率，用光波放大增長傳輸距離的系統，光孤子通信系統可以獲得極高的速率，在該系統中加上光纖放大器有可能實現極高速率和極長距離的光纖通信。

國內發展

光纖通信的發展極其迅速，至1991年底，全球已敷設光纜563萬千米，到1995年已超過1100萬千米。光纖通信在單位時間內能傳輸的信息量大。一對單模光纖可同時開通35000個電話，而且它還在飛速發展。光纖通信的建設費用正隨著使用數量的增大而降低，同時它具有體積小，重量輕，使用金屬少，抗電磁干擾、抗輻射性強，保密性好，頻頻寬，抗干擾性好，防竊聽、價格便宜等優點。

起航

1973年，世界光纖通信尚未實用。郵電部武漢郵電科學研究院（當時是武漢郵電學院）就開始研究光纖通信。由於武漢郵電科學研究院採用了石英光纖、半導體雷射器和編碼制式通信機正確的技術路線，使中國在發展光纖通信技術上少走了不少彎路，從而使中國光纖通信在高新技術中與已開發國家有較小的差距。

自主研發

中國研究開發光纖通信正處於十年動亂時期，處於封閉狀態。國外技術基本無法借鑑，純屬自己摸索，一切都要自己搞，包括光纖、光電子器件和光纖通信系統。就研製光纖來說，原料提純、熔煉車床、拉絲機，還包括光纖的測試儀表和接續工具也全都要自己開發，困難極大。武漢郵電科學研究院，考慮到保證光纖通信最終能為經濟建設所用，開展了全面研究，除研製光纖外，還開展光電子器件和光纖通信系統的研製，使中國至今具有了完整的光纖通信產業。

實用期

1978年改革開放後，光纖通信的研發工作大大加快。上海、北京、武漢和桂林都研製出光纖通信試驗系統。1982年郵電部重點科研工程“八二工程”在武漢開通。該工程被稱為實用化工程，要求一切是商用產品而不是試驗品，要符合國際CCITT標準，要由設計院設計、工人施工，而不是科技人員施工。從此中國的光纖通信進入實用階段。

在20世紀80年代中期，數字光纖通信的速率已達到144Mb/s，可傳送1980路電話，超過同軸電纜載波。於是，光纖通信作為主流被大量採用，在傳輸幹線上全面取代電纜。經過國家“六五”、“七五”、“八五”和“九五”計畫，中國已建成“八縱八橫”幹線網，連通全國各省區市。中國已敷設光纜總長約250萬公里。光纖通信已成為中國通信的主要手段。在國家科技部、計委、經委的安排下，1999年中國生產的8×2.5Gb/sWDM系統首次在青島至大連開通，隨之瀋陽至大連的32×2.5Gb/sWDM光纖通信系統開通。2005年3.2Tbps超大容量的光纖通信系統在上海至杭州開通，是至今世界容量最大的實用線路。

前景

中國已建立了一定規模的光纖通信產業。中國生產的光纖光纜、半導體光電子器件和光纖通信系統能供國內建設，並有少量出口。

有人認為，中國光纖通信主要幹線已經建成，光纖通信容量達到Tbps，幾乎用不完，再則2000年的IT泡沫，使光纖的價格低到每公里100元，幾乎無利可圖。因此不要發展光纖通信技術了。

但光纖本身製造屬性決定，光纖仍然有較大的發展空間：新光纖研製，光子晶體。

實際上，特別是中國，省內農村有許多空白需要建設；3G移動通信網的建設也需要光纖網來支持；隨著寬頻業務的發展、網路需要擴容等，光纖通信仍有巨大的市場。每年光纖通信設備和光纜的銷售量是上升的。

技術分類

主要部分

就光纖通信技術本身來說，應該包括以下幾個主要部分：光纖光纜技術、光交換技術傳輸技術、光有源器件、光無源器件以及光網路技術等。

光纖光纜

光纖技術的進步可以從兩個方面來說明：一是通信系統所用的光纖；二是特種光纖。早期光纖的傳輸視窗只有3個，即850nm（第一視窗）、1310nm（第二視窗）以及1550nm（第三視窗）。近幾年相繼開發出第四視窗（L波段）、第五視窗（全波光纖）以及S波段視窗。其中特別重要的是無水峰的全波視窗。這些視窗開發成功的巨大意義就在於從1280nm到1625nm的廣闊的光頻範圍內，都能實現低損耗、低色散傳輸，使傳輸容量幾百倍、幾千倍甚至上萬倍的增長。這一技術成果將帶來巨大的經濟效益。另一方面是特種光纖的開發及其產業化，這是一個相當活躍的領域。

特種光纖具體有以下幾種：

1. 有源光纖

這類光纖主要是指摻有稀土離子的光纖。如摻鉺（Er3+）、摻釹（Nb3+）、摻鐠（Pr3+）、摻鐿（Yb3+）、摻銩（Tm3+）等，以此構成雷射活性物質。這是製造光纖光放大器的核心物質。不同摻雜的光纖放大器套用於不同的工作波段，如摻餌光纖放大器(EDFA）套用於1550nm附近（C、L波段）；摻鐠光纖放大器（PDFA）主要套用於1310nm波段；摻銩光纖放大器（TDFA）主要套用於S波段等。這些摻雜光纖放大器與喇曼（Raman）光纖放大器一起給光纖通信技術帶來了革命性的變化。它的顯著作用是：直接放大光信號，延長傳輸距離；在光纖通信網和有線電視網（CATV網）中作分配損耗補償；此外，在波分復用（WDM）系統中及光孤子通信系統中是不可缺少的關鍵元器件。正因為有了光纖放大器，才能實現無中繼器的百萬公里的光孤子傳輸。也正是有了光纖放大器，不僅能使WDM傳輸的距離大幅度延長，而且也使得傳輸的性能最佳化。

2.色散補償光纖(Dispersion Compensation Fiber，DCF)

常規G.652光纖在1550nm波長附近的色散為17ps/nm×km。當速率超過2.5Gb/s時，隨著傳輸距離的增加，會導致誤碼。若在CATV系統中使用，會使信號失真。其主要原因是正色散值的積累引起色散加劇，從而使傳輸特性變壞。為了克服這一問題，必須採用色散值為負的光纖，即將反色散光纖串接入系統中以抵消正色散值，從而控制整個系統的色散大小。這裡的反色散光纖就是所謂的色散補償光纖。在1550nm處，反色散光纖的色散值通常在-50~200ps/nm×km。為了得到如此高的負色散值，必須將其芯徑做得很小，相對摺射率差做得很大，而這種作法往往又會導致光纖的衰耗增加（0.5~1dB/km）。色散補償光纖是利用基模波導色散來獲得高的負色散值，通常將其色散與衰減之比稱作質量因數，質量因數當然越大越好。為了能在整個波段均勻補償常規單模光纖的色散，又開發出一種既補償色散又能補償色散斜率的"雙補償"光纖（DDCF）。該光纖的特點是色散斜率之比（RDE）與常規光纖相同，但符號相反，所以更適合在整個波形內的均衡補償。

3. 光纖光柵（Fiber Grating)

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在紫外光的照射（通常稱為紫外光"寫入")下，於光纖芯部產生周期性的折射率變化（即光柵）而製成的。使用的是摻鍺光纖，在相位掩膜板的掩蔽下，用紫外光照射（在載氫氣氛中），使纖芯的折射率產生周期性的變化，然後經退火處理後可長期保存。相位掩膜板實際上為一塊特殊設計的光柵，其正負一級衍射光相交形成干涉條紋，這樣就在纖芯逐漸產生成光柵。光柵周期模板周期的二分之一。眾所周知，光柵本身是一種選頻器件，利用光纖光柵可以製作成許多重要的光無源器件及光有源器件。例如：色散補償器、增益均衡器、光分插復用器、光濾波器、光波復用器、光模或轉換器、光脈衝壓縮器、光纖感測器以及光纖雷射器等。

4. 多芯單模光纖（Multi-Coremono-Mode Fiber，MCF)

多芯光纖是一個共用外包層、內含有多根纖芯、而每根纖芯又有自己的內包層的單模光纖。這種光纖的明顯優勢是成本較低，生產成本較普通的光纖約低50%。此外，這種光纖可以提高成纜的集成密度，同時也可降低施工成本。以上是光纖技術在近幾年裡所取得的主要成就。至於光纜方面的成就，我們認為主要表現在帶狀光纜的開發成功及批量化生產方面。這種光纜是光纖接入網及區域網路中必備的一種光纜。光纜的含纖數量達千根以上，有力地保證了接入網的建設。

有源器件

光有源器件的研究與開發本來是一個最為活躍的領域，但由於前幾年已取得輝煌的成果，所以當今的活動空間已大大縮小。超晶格結構材料與量子阱器件，已完全成熟，而且可以大批量生產，已完全商品化，如多量子阱雷射器（MQW-LD，MQW-DFBLD）。

除此之外，已在下列幾方面取得重大成就。

1. 集成器件

這裡主要指光電集成（OEIC）已開始商品化，如分布反饋雷射器(DFB-LD）與電吸收調製器(EAMD）的集成，即DFB-EA，已開始商品化；其它發射器件的集成，如DFB-LD、MQW-LD分別與MESFET或HBT或HEMT的集成；接收器件的集成主要是PIN、金屬、半導體、金屬探測器分別與MESFET或HBT或HEMT的前置放大電路的集成。雖然這些集成都已獲得成功，但還沒有商品化。

2. 垂直腔面發射雷射器(VCSEL)

由於便於集成和高密度套用，垂直腔面發射雷射器受到廣泛重視。這種結構的器件已在短波長（ALGaAs/GaAs）方面取得巨大的成功，並開始商品化；在長波長（InGaAsF/InP）方面的研製工作早已開始進行，也有少量商品。可以斷言，垂直腔面發射雷射器將在接入網、區域網路中發揮重大作用。

3. 窄帶回響可調諧集成光子探測器

由於DWDM光網路系統信道間隔越來越小，甚至到0.1nm。為此，探測器的回響譜半寬也應基本上達到這個要求。恰好窄帶探測器有陡銳的回響譜特性，能夠滿足這一要求。集F-P腔濾波器和光吸收有源層於一體的共振腔增強（RCE）型探測器能提供一個重要的全面解決方案。

4. 基於矽基的異質材料的多量子阱器件與集成（SiGe/Si MQW)

這方面的研究是一大熱點。眾所周知，矽（Si）、鍺（Ge）是間接帶隙材料，發光效率很低，不適合作光電子器件，但是Si材料的半導體工藝非常成熟。於是人們構想，利用能帶剪裁工程使物質改性，以達到在矽基基礎上製作光電子器件及其集成（主要是實現光電集成，即OEIC）的目的，這方面已取得巨大成就。在理論上有眾多的創新，在技術上有重大的突破，器件水平日趨完善。

無源器件

光無源器件與光有源器件同樣是不可缺少的。由於光纖接入網及全光網路的發展，導致光無源器件的發展空前地熱門。常規的常用器件已達到一定的產業規模，品種和性能也得到了極大的擴展和改善。所謂光無源器件就是指光能量消耗型器件、其種類繁多、功能各異，在光通信系統及光網路中主要的作用是：連線光波導或光路；控制光的傳播方向；控制光功率的分配；控制光波導之間、器件之間和光波導與器件之間的光耦合；合波與分波；光信道的上下與交叉連線等。早期的幾種光無源器件已商品化。其中光纖活動連線器無論在品種和產量方面都已有相當大的規模，不僅滿足國內需要，而且有少量出口。光分路器（功分器）、光衰減器和光隔離器已有小批量生產。隨著光纖通信技術的發展，相繼又出現了許多光無源器件，如環行器、色散補償器、增益平衡器、光的上下復用器、光交叉連線器、陣列波導光柵CAWG等等。這些都還處於研發階段或試生產階段，有的也能提供少量商品。按光纖通信技術發展的一般規律來看，當光纖接入網大規模興建時，光無源器件的需求量遠遠大於對光有源器件的需求。這主要是由於接入網的特點所決定的。接入網的市場約為整個通信市場的三分之一。因而，接入網產品有巨大的市場及潛在的市場。

復用技術

光復用技術種類很多，其中最為重要的是波分復用（WDM）技術和光時分復用（OTDM）技術。光復用技術是當今光纖通信技術中最為活躍的一個領域，它的技術進步極大地推動光纖通信事業的發展，給傳輸技術帶來了革命性的變革。波分復用當前的商業水平是273個或更多的波長，研究水平是1022個波長（能傳輸368億路電話），的潛在水平為幾千個波長，理論極限約為15000個波長（包括光的偏振模色散復用，OPDM）。據1999年5月多倫多的Light Management Group Inc ofToronto演示報導，在一根光纖中傳送了65536個光波，把PC數位訊號傳送到200m的廣告板上，並採用聲光控制技術，這說明了密集波分復用技術的潛在能力是巨大的。OTDM是指在一個光頻率上，在不同的時刻傳送不同的信道信息。這種復用的傳輸速度已達到320Gb/s的水平。若將DWDM與OTDM相結合，則會使復用的容量增加得更大，如虎添翼。

放大技術

光放大器的開發成功及其產業化是光纖通信技術中的一個非常重要的成果，它大大地促進了光復用技術、光孤子通信以及全光網路的發展。顧名思義，光放大器就是放大光信號。在此之前，傳送信號的放大都是要實現光電變換及電光變換，即O/E/O變換。有了光放大器後就可直接實現光信號放大。光放大器主要有3種：光纖放大器、拉曼放大器以及半導體光放大器。光纖放大器就是在光纖中摻雜稀土離子（如鉺、鐠、銩等）作為雷射活性物質。每一種摻雜劑的增益頻寬是不同的。摻鉺光纖放大器的增益帶較寬，覆蓋S、C、L頻帶；摻銩光纖放大器的增益帶是S波段；摻鐠光纖放大器的增益帶在1310nm附近。而喇曼光放大器則是利用喇曼散射效應製作成的光放大器，即大功率的雷射注入光纖後，會發生非線性效應?喇曼散射。在不斷發生散射的過程中，把能量轉交給信號光，從而使信號光得到放大。由此不難理解，喇曼放大是一個分散式的放大過程，即沿整個線路逐漸放大的。其工作頻寬可以說是很寬的，幾乎不受限制。這種光放大器已開始商品化了，不過相當昂貴。半導體光放大器（S0A）一般是指行波光放大器，工作原理與半導體雷射器相類似。其工作頻寬是很寬的。但增益幅度稍小一些，製造難度較大。這種光放大器雖然已實用了，但產量很小。

到此，我們系統、全面地評論了光纖通信技術的重大進展，至於光纖通信技術的發展方向，可以概括為兩個方面：一是超大容量、超長距離的傳輸與交換技術；二是全光網路技術。

交換技術

隨著通信網路逐漸向全光平台發展，網路的最佳化、路由、保護和自愈功能在光通信領域中越來越重要。採用光交換技術可以克服電子交換的容量瓶頸問題，實現網路的高速率和協定透明性，提高網路的重構靈活性和生存性，大量節省建網和網路升級成本。光交換技術可分成光的電路交換（OCS）和光分組交換（OPS）兩種主要類型。光的電路交換類似於現存的電路交換技術，採用OXC、OADM等光器件設定光通路，中間節點不需要使用光快取，對OCS的研究已經較為成熟。根據交換對象的不同OCS又可以分為：　⑴ 光時分交換技術，時分復用是通信網中普遍採用的一種復用方式，時分光交換就是在時間軸上將復用的光信號的時間位置t1轉換成另一個時間位置t2 　⑵ 光波分交換技術，是指光信號在網路節點中不經過光/電轉換，直接將所攜帶的信息從一個波長轉移到另一個波長上。　⑶ 光空分交換技術，即根據需要在兩個或多個點之間建立物理通道，這個通道可以是光波導也可以是自由空間的波束，信息交換通過改變傳輸路徑來完成　⑷ 光碼分交換技術，光碼分復用（OCDMA）是一種擴頻通信技術，不同戶的信號用互成正交的不同碼序列填充，接受時只要用與傳送方相同的法序列進行相關接受，即可恢復原用戶信息。光碼分交換的原理就是將某個正交碼上的光信號交換到另一個正交碼上，實現不同碼子之間的交換。

發展趨勢

對光纖通信而言，超高速度、超大容量和超長距離傳輸一直是人們追求的目標，而全光網路也是人們不懈追求的夢想。

1、波分復用系統。超大容量、超長距離傳輸技術波分復用技術極大地提高了光纖傳輸系統的傳輸容量，在未來跨海光傳輸系統中有廣闊的套用前景。波分復用系統發展迅猛。6Tbit/的WDM系統已經大量套用，同時全光傳輸距離也在大幅擴展。提高傳輸容量的另一種途徑是採用光時分復用(OTDM)技術，與WDM通過增加單根光纖中傳輸的信道數業提高其傳輸容量不同，OTDM技術是通過提高單信道速率來提高傳輸容量，其實現的單信道最高速率達640Cbit/s。

2、光孤子通信。光孤子是一種特殊的ps數量級的超短光脈衝，由於它在光纖的反常色散區，群速度色散和非線性效應相應平衡，因而經過光纖長距離傳輸後，波形和速度都保持不變。光孤子通信就是利用光孤子作為載體實現長距離無畸變的通信，在零誤碼的情況下信息傳遞可達萬里之遙。

3、全光網路。未來的高速通信網將是全光網。全光網是光纖通信技術發展的最高階段，也是理想階段。傳統的光網路實現了節點間的全光化，但在網路結點處仍採用電器件，限制了通信網幹線總容量的進一步提高，因此，真正的全光網已成為一個非常重要的課題。全光網路以光節點代替電節點，節點之間也是全光化，信息始終以光的形式進行傳輸與交換，交換機對用戶信息的處理不再按比特進行，而是根據其波長來決定路由。

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有源器件

無源器件

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