光纤通信论文

光纤通信的发展

光纤通信技术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,近几年来发展速度非常快、应用面非常

广。下面就光纤通讯中的一些基本概念，构成，特点，发展做简单介绍。

光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射

原理而达成的光传导工具。光纤由内芯和包层组成，内芯一般为几十微米或几微

米，比一根头发丝还细；外面层称为包层，包层的作用就是保护光纤由于玻璃材

料是制作光纤的主要材料，它是电气绝缘体，因而不需要担心接地回路；光波在

光纤中传输，不会发生信息传播中的信息泄露现象；光纤很细，占用的体积小，

这就解决了实施的空间问题。

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。

光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输的通信方式。可以把光纤通信

看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。实际上光纤通信系统使用的不

是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。

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

通讯系统是由光发信机，光收信机，光纤或光缆，中继器，光纤连接器、耦合器

等无源器件组成的。光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和

调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成

为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规

的电子通信设备。光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大

器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然

后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。

光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤

或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。中

继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信

号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。由于光纤

或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有

限度的。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连

接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必

不可少的。

光纤通信技术具有以下四个特点:1.频带极宽，通信容量大。光纤的传输带

宽比铜线或电缆大得多。对于单波长光纤通信系统，由于终端设备的限制往往发

挥不出带宽大的优势。因此需要技术来增加传输的容量，密集波分复用技术就能

解决这个问题。2.损耗低，中继距离长。目前，商品石英光纤和其它传输介质相

比的损耗是最低的；如果将来使用非石英极低损耗传输介质，理论上传输的损耗

还可以降到更低的水平。这就表明通过光纤通信系统可以减少系统的施工成本，

带来更好的经济效益。3.抗电磁干扰能力强。石英有很强的抗腐蚀性，而且绝缘

性好。而且它还有一个重要的特性就是抗电磁干扰的能力很强，它不受外部环境

的影响，也不受人为架设的电缆等干扰。这一点对于在强电领域的通讯应用特别

有用，而且在军事上也大有用处。4.无串音干扰，保密性好。在电波传输的过程

中，电磁波的传播容易泄露，保密性差。而光波在光纤中传播，不会发生串扰的

现象，保密性强。除以上特点之外，还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设；

光纤的原材料资源丰富，成本低；温度稳定性好、寿命长。

光纤通信的发展史虽然只有二三十年，但由于它无比的优越性，使它成为了

现代化通信网络中最为重要的传输媒介。总体来说，光纤通信的发展大致分为4

个阶段。第一阶段（1966——1976年）是冲基础研究到商业应用的开发时期。

这个时期中，出现了短波长（850nm）低速率（34或45Mb/s）多模光纤通信系统，

无中继传输距离约为10km。第二阶段（1976——1986年）是以提高传输速率和

增加传输距离为研究目标的大力推广应用的大发展时期。在这个时期，光纤从多

模发展到单模，工作波长从短波长（850nm）发展到长波长（1310nm和1550nm），

实现了工作波长为1310nm，传输速率为140—565Mb/s的单模光纤通信系统，无

中继传输距离为50到100km。第三阶段（1986——1996年）是以超大容量超长

距离为目标，全面深入开展新技术研究的事情。在这个时期，出现了1550nm色

散位移单模光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达2.5—10Gb/s，无中

继传输距离可达100—150km，实验室可以达到更高水平。第四阶段（1996年至

今）是采用光放大器，波分复用光纤通信系统的超长距离的光弧子通信系统的时

期。

具体来讲国外的发展状况：1880年，美国人贝尔发明了用光波做载波传送

语音的“光电话”，该光电话就是现代光通信的雏形。1960年，美国人梅曼发

明了第一台红宝石激光器，给光通信技术带来了新的希望，正是激光器的发明及

应用，才使得沉睡了80年的光通信技术进入一个崭新的阶段。但是由于找不到

稳定可靠和低损耗的传输介质，对于光通信的研究再次走入低潮。1966年，英

籍华人高锟和霍克哈姆共同发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤

进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信即光纤通信技术的基础。

20世纪70年代，光纤的研制取得了重大的突破：1970年，美国康宁公司研制

成功损耗为20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972

年，康定公司又研制成功高纯石英多模光纤，将损耗降之4dB/km。1974年，美

国贝尔实验室的光纤损耗降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话公司将光纤

损耗降到0.47dB/km。十年以后，光纤损耗更是达到了0.154dB/km的惊人数值，

该数值已经十分接近光纤最低损耗的理论极限。自1976年开始，光纤通信系统

进入实质性实验阶段。1989年，第一条横跨太平洋的海底光缆通信系统建成，

自此，光纤通信系统的建设于全世界范围内全面展开。

在国外光纤通信的研究起步不久，我国从1974年就开始了光纤通信的基础

研究，并在几年之内就取得了阶段性的研究成果。在此基础上，20世纪70年代

末进行了光纤通信系统现场试验。80年代主要进行光纤通信系统的实用化攻关，

完成了武汉市话中继实用化工程，武汉-荆州多模光缆34Mbit/s省内干线工程以

及合肥-芜湖140Mbit/s单模光缆一级干线工程等，为大规模推广应用打下了基

础。90年代初期，我国开始了光纤通信系统的大量建设，光缆逐渐取代电缆，

并完成了“八纵八横”国家干线。这些干线主要是采用PDH140Mbit/s系统。随

着市场需求量的增加以及技术水平的不断提高，逐渐采用了SDH622Mbit/s和

2.5Gbit/s系统。郑州-洛阳-开封的16×2.5Gbit/s和上海-南京的32×10Gbit/s

的波分复用数字光纤通信系统的研究开发与投入商用等工作正在加速进行之中。

此外，国产的光器件产品在国际市场也具有较强的竞争力。由此可见，我国已具

有大力发展光纤通信的综合实力。1982年建武汉市话中继光缆（0.85窗口、

3.5dB/km，多模、8Mbit/s、13.5km），1988年建第一条国产设备长途直埋光缆

兰州至武威工程（1.30窗口、1.2dB/km，多模、140Mb/s、286km），1989年起

大量用单模光纤建线路。至2000年底，光缆总长度达125万公里（其中长途干

线光缆28.6万公里，中国电信23万公里、中国联通5.6万公里），通达250

多个地市，总用光纤约3000万公里。上述线路基本上是G.652单模光纤（只有

京九光缆放了六根G.653光纤），且1995年前只开通1310nm窗口，1995年后

才开通1550nm窗口。传输速率九十年代末期才开始从622Mb/s提升到2.5Gb/s。

这两年新建线路用到10Gb/s，波分复用最高达32，总传输容量达320Gb/s（32

×10Gb/s）。1999年开始较多使用G.655光纤。

在光纤研制方面，我国对国际上现有的光纤类型都在跟踪研究并有了成果，

武汉邮科院和长飞公司研制的非零色散位移光纤已经实用。其他如色散补偿光

纤、偏振保持光纤、掺饵光纤、数据光纤、塑料光纤等均能达到生产阶段。光有

源器件的研制在掺饵光纤激光器、主动锁模光纤环形激光器、被动锁模光纤环形

激光器、光纤光栅激光器、增益平坦EDFA、高增益低噪声EDFA、掺饵光纤均衡

放大器、DFB-LD与EA型外调制器的集成器件等方面都有显著进展。

近几年来,随着技术的进步,电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面

开放,光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面,以下在对光纤通信领域

的主要发展热点作一简述。

第一、向超高速系统的发展。传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用

(TDM)方式进行,每当传输速率提高4倍,传输每比特的成本大约下降30%～40%;

因而高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长,这就是光纤通信系统的传输

速率在一直在持续增加的根本原因。目前商用系统已从45Mbps增加到10Gbps,

其速率在20年时间里增加了20O0倍,比同期微电子技术的集成度增加速度还快

得多。高速系统的出现不仅增加了业务传输容量,而且也为各种各样的新业务,

特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。

第二、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。鉴于

上述应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动,波分复用系统

发展十分迅速。预计不久实用化系统的容量即可达到1Tbps的水平。

第三、实现光联网。波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量,但基本上

是以点到点通信为基础的系统,其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也

能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话,无疑将增加新一层的

威力。根据这一基本思路,光的分插复用器(OADM)和光的交叉连接设备(OXC)均已

在实验室研制成功,前者已投入商用。实现光联网的基本目的是:1)实现超大容量

光网络;2)实现网络扩展性,允许网络的节点数和业务量的不断增长;3)实现网络

可重构性,达到灵活重组网络的目的;4)实现网络的透明性,允许互连任何系统和

不同制式的信号;5)实现快速网络恢复,恢复时间可达100ms。鉴于光联网具有上

述潜在的巨大优势,发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研。光联网

已经成为继SDH电联网以后的又一新的光通信发展高潮。

第四、新一代的光纤。近几年来随着IP业务量的爆炸式增长,构筑具有巨大

传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础。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,即非零色散光纤

(G.655光纤)和无水吸收峰光纤(全波光纤)。

第五、光接入网。网络的核心部分发生了翻天覆地的变化,无论是交换,还是

传输都已更新了好几代。网络的这一部分将成为全数字化的、软件主宰和控制的、

高度集成和智能化的网络。而另一方面,现存的接入网仍然是被双绞线铜线主宰

的(90%以上)、原始落后的模拟系统。两者在技术上的巨大反差说明接入网已确

实成为制约全网进一步发展的瓶颈。唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问题的长

远技术手段是光接入网。接入网中采用光接入网的主要目的是:减少维护管理费

用和故障率;开发新设备,增加新收入;配合本地网络结构的调整,减少节点,扩大

覆盖;充分利用光纤化所带来的一系列好处;建设透明光网络,迎接多媒体时代。

第六、海底光缆系统新发展。海底光缆使国际通信成为可能。其挑战在于：

要开发新方法以提高效率以满足不断增长的需要。今天的海底系统用掺铒光纤放

大器来补偿光缆中的信号损失。这些光放大器置于中继器中，中继器通常是沿光

缆放置，间隔为50km，有足够的光学带宽，可支持使用波分复用技术的多重光

学通道。通过使用更多的光学带宽和更有效地利用光学带宽"海底光纤系统的容

量亦会随之增加，“适合”于掺铒光纤放大器中传统通带的最终数字容量取决于

如何有效地将带宽用于数据传输。光缆通信因为其技术相对简单，价格相对低廉

在与卫星通信的竞争中占据了绝对的优势，海底光缆系统作为应用于特殊物理环

境下的光纤通信系统，它的完善将直接将人类的通信系统带至一个新的高度。光

接入网技术光接入网就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远端模

块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。。通常，光接入网指采

用基带数字传输技术并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统，能以数字

或模拟技术升级传输宽带广播式和交互式业务。在接入网宽带化的各种技术中，

光纤传播介质的高宽带、高可靠性和高抗干扰性的优势十分明显。进入21世纪，

尽管各国发展光纤接入网的步骤各不相同，但光纤到户是公认的接入网的发展目

标。就目前来看，影响光纤接入网发展的主要原因不是技术，而是成本，光纤接

入网的成本仍然太高。因此，研究新一代光接入网技术，降低生产成本，真正实

现光纤到户，是目前光纤通信的一大发展目标。从上述涉及光纤通信的7方面的

发展现状与趋势来看，完全有理由认为光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新阶

段，有目标才会有动力。而这一次发展涉及的范围更广，技术更新更难，影响力

和影响面也更宽，势必对整个电信网和信息产业产生更加深远的影响，也将对下

一世纪的社会经济发展产生巨大影响，值得密切注视研究。

光纤通信作为当今世界主流的通信方式，经过几十年的发展已经较为完善，

整个人类社会也能感受到光纤通信系统所带来的方便。而伴随这信息社会的高速

发展，人们对信息传递的要求随之加大，光纤通信技术的研究任重而道远，毕竟，

光纤通信技术还有着不可限量的发展前景。