前言
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,光纤通信的发展呈现了蓬勃发展的新局面。
预计 2000年世界信息传输网的 80%以上的业务将由光纤通信完成。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。本文探讨了光纤通信技术的主要特征及应用。
目录
1、光纤通信技术的特点研究。
2、国内外光纤通信技术的发展现状。
3、光纤通信技术在行业企业中的应用调查。
4、光纤通信技术发展研究。
5、本设计对光纤通信技术的研究。
6、总结与展望。
1. 光纤通信技术的特点研究
光纤通信是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。
. 光纤通信技术的特点
(1 频带极宽,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特性。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。目前, 单波长光纤通信系统的传输速率一般在 2.5Gbps 到 1OGbps 。
(2 损耗低,中继距离长。目前,商品石英光纤损耗可低于 0~20dB/km,这样的传输损耗比其它任何传输介质的损耗都低;若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。 (3 抗电磁干扰能力强。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。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。由于能免除电磁脉冲效应,
光纤传输系还特别适合于军事应用。
(4无串音干扰,保密性好。在电波传输的过程中,电磁波的泄漏会造成各传输通道的串扰,而容易被窃听,保密性差。光波在光纤中传输,因为光信号被完善地限制在光波导结构中,而任何泄漏的射线都被环绕光纤的不透明包皮所吸收,即使在转弯处, 漏出的光波也十分微弱,即使光缆内光纤总数很多,相邻信道也不会出现串音干扰, 同时在光缆外面,也无法窃听到光纤中传输的信息。
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。由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅
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。
2国内外光纤通信技术的发展现状。
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,光纤通信的发展呈现了蓬勃发展的新局面,预计 2000年世界信息传输网的 80%以上的业务将由光纤通信完成。
1 传输体制全面转向
传统的光纤通信是以准同步传输体制(PDH 为基础的,随着网络日趋复杂和庞大,以及用户要求的日益提高,这种传输体制正暴露出一系列不可避免的内
在缺点,一种有机地结合高速大容量光纤传输技术和智能网元技术的新传输体制——光同步传送网应运而生, ITU -T 将之称为同步数字体系(SDH 。
2 向超高速系统发展
传统的光纤通信发展始终在按照电信号的时分复用(TDM 方式进行,每当传输速率提高 4倍,传输每个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,这就是为什么光纤通信系统的传输速率在过去 20多年来一直在持续提高的根本原因。目前商用系统已从 45Mb /s 增加到 10Gb/s ,可以携带12万条话路,其速率在 20年时间里提高了 2000倍, 比同期的微电子技术的集成度增长速度还要快得多。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业务提供了实现的可能。目前 10Gb /s 系统已开始批量装备网络,全世界安装的终端已超过 100O 个,主要在北美、欧洲、日本和澳大利亚也有少量试验和商用系统。
3 向超大容量波分复用系统演进
如前所述,采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽,然而光纤的 20Onm 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根光纤上传送,则可以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。鉴于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。如果认为 1995年是起飞年的话, 其全球销售额仅仅为 1亿美元,而 2000年预计可超过 40亿美元, 2005年可达 120 亿美元,发展趋势之快令人惊
讶。目前全球实际敷设的 WDM 系统已超过 2000个,而实用化系统的最大容量已达 160Gb /s (16×10Gb /s ,美国朗讯公司宣布年底将推出 80个波长的 WDM 系统,其总容量可达 200Gb /s (80×2.5Gb /s 或 400Gb /s (40×10Gb /s 。实验室的最高水平则已达到 2.6THz (132×20Gb /s 。可以认为近两年来超大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一次划时代的里程碑,为全球信息高速公路奠定了坚实的基础。
4 实现全光联网
上述实用化的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,无疑是如虎添翼,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,即能直接在光路上对不同波长的信号实现上下和交叉连接功能。
实现光联网的基本目的是:
实现超大容量光网络(一对光纤达 80~320Gb /s ;
实现网络扩展性,允许网络的节点数和业务量不断增长; ·实现网络可重构性, 达到灵活重组网络的目的;
实现网络的透明性,允许互连任何系统和制式的信号;
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,特别是美国国防部预研局(DARPA 资助了一系列光联网项目。全光联网已经成为继 SDH 电联网以后的又一次新的光通信发展高潮,有人将 1998年称为光联网年并不过分。其标准化工作将于 1999年基本完成,其设备的商用化时间也大约在 2000年左右。建设一个最大透明的、高度灵活的和超大容量的国家骨干光网
络不仅可以为未来的国家信息基础设施(NIl 奠定一个坚实的物理基础,而且也对我国下一世纪的信息产业和国民经济的腾飞以及国家的安全有极其重要的战略意义。
3光纤通信技术在行业企业中的应用调查。
中国从 20世纪 70年代中期开始光纤光缆的研究,几乎与国外同时起步,并在1977初研制出第一根石英光纤。近年来在我国大规模通信建设需求的带动下, 我国的光纤光缆产业发展迅速,已经形成了从光纤预制棒到光缆产品完整的产业链。我国光纤光缆企业的生产和技术实力也迅速发展壮大,产品开发能力和技术创新能力进一步提高。中国已成为世界第二大光纤光缆国,各方面都达到世界先进水平。
2009年 1-11月 , 我国光纤、光缆制造行业实现累计产品销售收入44,529,731,000元 , 比上年同期增长了 28.86%; 实现累计利润总额
3,270,894,000元 , 比上年同期增长了 53.71%。 2010年 1-5月 , 我国光纤、
光缆制造行业实现累计产品销售收入 20,980,722,000元 , 比上年同期增长了 28.87%; 实现累计利润总额 1,297,711,000元,比上年同期增长了 31.58%。
光纤通信技术中光纤应用的现状
普通单模光纤
传统的普通单模光纤 (G.652光纤在 1310nm 波长窗口色散为 0,但是损耗较大(0.35dB/km,在 1550nm 波长窗口损耗小 (0.2dB/km,但是色散较大
(20ps/nm? km 。为了利用光纤的 1550nm 长窗口的低损耗特性和成熟的光放大技术 (EDFA,而又想具有低色散,可以对光纤的结构进行设计,从而使零色散波长产生位移,设计出了色散位移光纤,即 G.653光纤。 G.653光纤在 1550nm 波长窗口的低损耗和低色散特性非常适合光纤孤子通信的需要,在高速光纤孤子通信系统中得到了大量应用,但是它 1550rim 处的色散为零,在进行 WDM 时会产生严重的 FWM 效应,不适应波分复用系统的需要。
高强度耐弯单模光纤
在光通信领域中,高强度耐弯单模光纤是企业最具竞争力的一种光纤,主要是因为在光纤网建设重点由骨干网向城域网、用户接入网发展,高强度耐弯单模光纤主导的全业务接入网正在成为光缆市场的主要拉动力,其中最具代表性的就是正在迅速发展的 FTTH 网络,高强度耐弯单模光纤特点就是光纤可以沿着建筑拐角施工,从而降低网络布线的成本。
无水峰光纤
与传统的单模光纤相比,无水峰光纤具有下列优势:其一,在全部可用波长范围内比常规光纤增加了约一半,可复用的波长数大大增加,可实现超大容量传输 ; 其二,可用波长范围大大扩展后,可以采用稀疏波分复用 (CWDM方案,使
用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的元件,使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降 ; 其三, 1350~1450nm 波长窗口的光纤色散仅为 1550nm 波长区的一半,容易实现高比特率长距离传输。
大有效面积光纤
超高速系统的主要性能限制是色散和非线性。通常线性色散可以用色散补偿的方法来消除,而非线性的影响却不能用简单的线性补偿的方法来消除,光纤的有效面积是决定光纤非线性的主要因素。为了适应超大容量长距离密集波分复用系统的应用,大有效面积光纤已经问世。在 c 波段,由大有效面积光纤构成的以 10Gbit/s为基础的高密集 WDM 系统信噪比较高,误码率较低,光放大器的间隔较长,因而得到了广泛的应用。
4光纤通信技术发展研究。
下面仅对光通信领域的最新发展趋势作一简要介绍和评述。
1 SDH走向网络边缘并向融合的多业务平台转型
SDH 是当前电信网的主要传送体制,然而,由于 WDM 的出现和发展, SDH 的角色正开始向网络边缘转移。鉴于网络边缘复杂的客户层信号特点, SDH 必须从纯传送网转变为传送网和业务网一体化的多业务平台,即融合的多业务节点。其出发点是充分利用大家所熟悉和信任的 SDH 技术,特别是其保护恢复能力和确保的延时性能,加以改造以适应多业务应用,支持层 2乃至层 3的数据智能, 而 SDH 设备与层2乃至层 3分组设备在物理上集成为一个实体,构成业务层和传送层一体化的 SDH 节点, 称为融合的多业务节点或多业务平台,主要定位于网络边缘。
2 40Gbit/s系统的发展,挑战和应用
目前 10Gbit/s系统已大批量装备网络,不少电信公司实验室已开发出 40Gbit/s 的系统。从网络应用看,带 10Gbit/s接口的路由器已经开始应用,而且路由器间的突发性 IP 业务量还在迅速增长,为了提高核心网的效率和功能,希望单波长内能处理多个数字连接,因此核心网的单波长速率向 40Gbit/s乃至更高速率的方向演进是合乎逻辑的。
从实际应用看,对于 40Gbit/s传输系统,必须用外调制器;能具备足够输出电压驱动外调制器的驱动集成电路也不成熟;沿用多年的 NRZ 调制方式能否有效可靠地工作于 40Gbit/s还没有定论,是否应转向普通 RZ 调制方式,载频抑制的 RZ 调制方式(CS-RZ ,差分相移键控 RZ 码(RZ-DPSK 调制方式,光孤子(Soliton 调制方式,
伪线性 RZ 调制方式,啁啾的 RZ (CRZ , 全谱 RZ (FSRZ , 双二进制,还是其他调制方式都还在探索过程之中。
3向超大容量超长距离波分复用系统的发展
由于技术上的重大突破和市场的驱动,这几年波分复用系统发展十分迅猛。目前 1.6Tbit/s WDM系统已经大量商用。日本 NEC 和法国阿尔卡特公司分别在
100km 距离上实现了总容量为 10.9Tbit/s(273x40Gbit/s和总容量为
10.2Tbit/s(256x40Gbit/s 的传输容量最新世界记录,其中前者实现了 273个通路,每通路 40Gbit/s速率,间隔 50GHz ,覆盖 S 、 C 和 L 波段。而后者实现了 256个通路,利
用锗硅技术实现每通路速率 42.7Gbit/s,其中 FEC 开销 7%,结合采用了交替间插的75和 50GHz 通路间隔,残留边带过滤和极化复用技术,有效减少了路际干扰,频谱效率高达 1.28bit/s/Hz,系统工作范围覆盖 C 和 L 波段。
4 城域 CWDM 技术的发展
随着技术的进展和业务的发展, WDM 技术正从长途传输领域向城域网领域扩展, 适用于城域网领域的 WDM 系统称为城域 WDM 系统。低成本是城域 WDM 系统最重要的特点。由于城域网范围传输距离通常不超过 100km ,因而长途网必须用的外调制器和光放大器可以不一定使用。由于可能省掉光放大器,波长数的增加和扩展不再受光放大器频带的限制,可以容许使用波长间隔较宽波长精度和稳定度要求较低的光源, 合波器,分波器和其他元件,使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降,降低了整个系统的成本。
简言之, CWDM 系统无论是激光器输出功率要求,还是对温度的敏感度要求以及对色散容忍度的要求,乃至对封装的要求都远低于 DWDM 激光器,再加上滤波器要求的降低,使系统成本有望大幅度下降。特别由于 8波长 CWDM 系统的光谱安排避开了 1385nm 附近的 OH 吸收峰,可以适用于任意一类光纤,将会首先获得应用。
5 从点到点 WDM 走向光联网
普通的点到点波分复用通信系统尽管有巨大的传输容量,但只提供了原始的传输带宽,需要有灵活的节点才能实现高效的灵活组网能力。然而现有的电 DXC 系统十分复杂,其节点容量大约为每 2~3年翻番,显然无法跟上网络传输链路容量的增长速度。进一步扩容的希望转向光节点,即光分插复用器(OADM 和光交叉连接器(OXC 。
6 光以太网的发展与主要挑战
光以太网是一种光纤上运行的以太网技术。历史上,对于企事业用户,以太网技术一直是最流行的方法,目前已成为仅次于供电插口的第二大住宅和办公室公用设施接口。
采用以太网作为企事业用户接入手段的主要原因是已有巨大的网络基础和长期的经验知识、目前所有流行的操作系统和应用也都是与以太网兼容的、初始成本和运营成本均较低、扩展性好、容易安装开通以及高可靠性等。容量分为
10/100/1000Mbit/s三级, 可按需按 1Mbit/s乃至细到 128kbit/s的带宽颗粒逐步提供所需的带宽,用户真正实现按需付费, 10Gbit/s以太网系统也即将问世。也就是说,容量可以从 10Mbit/s一直扩展到 10Gbit/s而不会影响诸如层 3选路和层 4到层 7智能,包括 QoS , CoS ,高速缓存, 服务器负荷均衡,安全和基于策略的联网能力等。特别是 1Gbit/s和 10Gbit/s以太网技术直接与光技术结合后,由于省掉了中间的 ATM 层和 SDH
7 无源宽带光接入网技术的发展
无源宽带光接入网技术是光通信界在过去 25年间追求的理想目标,在历史上曾经几起几落。近来,由于垂直腔面发射激光器(VCSEL 的技术突破,使人们重新唤起了对 FTTx ,特别是 FTTH 的兴趣。然而,实现无源宽带光接入网是一项涉及方方面面的工作,不是单项技术的突破就够的。
8 光纤技术的新发展
构筑拥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。光缆的寿命高达 20年,一次敷设后很难再动,因此光纤参数的设计必须要有前瞻性,充分考虑设备和系统技术的发展趋势。下一代电信网需要支持更大容量更长距离和更宽频谱范围的传输,目前这一代 G.652光纤的性能已难以满足这一要求,因而开发敷设下一代光纤已成为历史的必然。
5本设计对光纤通信技术的研究。
通信从一开始就是为传送基于电路交换的信息的,所以客户信号一般是 TDM 的连续码流,如 PDH 、 SDH 等。随着计算机网络,特别是互联网的发展,数据信息的传送量越来越大,客户信号中基于分组交换的分组信号的比例逐步增加。分组信号与连续码流的特点完全不同,它具有随机性、突发性,因此如何传送这一类信号,就成为光通信技术要解决的重点。
另外,传送数据信号的光收发模块及设备系统与传统的传送连续码流的光收发模块及设备系统是有很大区别的。在接入网中,所实现的系统即为 ATM-PON 、EPON 或 GPON 等。在核心网,实现 IP 等数据信号在光层(包括在波分复用系统的直接承载,就是大家熟知的 IP over Optical的技术。
由于 SDH 系统的良好特性及已有的大量资源,可充分利用原有的 SDH 系统来传送数据信号。起初只考虑了对 ATM 的承载,后来,通过 SDH 网络承载的数据信号的类型越来越多,例如 FR 、 ATM 、 IP 、 10M-baseT 、 FE 、 GE 、
10GE 、 DDN 、 FDDI 、 Fiber Channel、 FICON 、 ESCON 等。
于是,人们提出了许多将 IP 等信号送进 SDH 虚容器 VC 的方法,起初是先将 IP 或 Ethernet 装进 ATM ,然后再映射进 SDH 传输,即 IP/Ethernet over ATM , 再 over SDH。后来,又把中间过程省去,直接将 IP 或 Ethernet 送到 SDH , 如 PPP 、 LAPS 、SDL 、 GFP 等,即 IP over SDH、 POS 或 EOS 。
不断增加的信道容量
光通信系统能从 PDH 发展到 SDH ,从 155Mb/s发展到 10Gb/s,近来,
40GB/s已实现商品化。同时,还正在探讨更大容量的系统,如 160Gb/s(单波道系统已在实验室研制开发成功,正在考虑为其制定标准。此外,利用波分复用等信道复用技术,还可以将系统容量进一步提高。目前 32×10Gb/s(即 320Gb/s的 DWDM 系统已普遍应用, 160×10Gb/s(即 1.6Tb/s的系统也投入了商用,实验室中超过 10Tb/s的系统已在多家公司开发出来。光时分复用 OTDM 、孤子技术等已有很大进展。毫无疑问,这些对于骨干网的传输是非常有利的。
信号超长距离的传输
从宏观来说,对光纤传输的要求当然是传输距离越远越好,所有研究光纤通信技术的机构,都在这方面下了很大工夫。特别是在光纤放大器出现以后,这方面的记录接连不断。不仅每个跨距的长度不断增加,例如,由当初的 20km 、 40km ,最多为
80km ,增加到 120km 、 160km 。而且,总的无再生中继距离也在不断增加,如从600km 左右增加到 3000km 、 4000km 。
从技术的角度看,光纤放大器其在拉曼光纤放大器的出现,为增大无再生中继距离创造了条件。同时,采用有利于长距离传送的线路编码,如 RZ 或 CS-RZ 码;采用FEC 、 EFEC 或 SFEC 等技术提高接收灵敏度;用色散补偿和 PMD 补偿技术解决光通道代价和选用合适的光纤及光器件等措施,已经可以实现超过 STM-64或基于
10Gb/s的 DWDM 系统, 4000km 无电再生中继器的超长距离传输。
光传输与交换技术的融合
随着对光通信的需求由骨干网逐步向城域网转移,光传输逐渐靠近业务节点。在应用中人们觉得光通信仅仅作为一种传输手段尚未能完全适应城域网的需要。作为业务节点,比较靠近用户,特别对于数据业务的用户,希望光通信既能提供传输功能,又能提供多种业务的接入功能。这样的光通信技术实际上可以看作是传输与交换的融合。目前已广泛使用的基于 SDH 的多业务传送平台
MSTP ,就是一个典型的实例。
基于 SDH 的 MSTP 是指在 SDH 的平台上,同时实现 TDM 、 ATM 、以太网等业务的接入处理和传送,提供统一网管的多业务节点设备。实际上,有些
MSTP 设备除了提供上述业务外,还可以提供 FR 、 FDDI 、 Fiber Channel、FICON 、 ESCON 等众多类型的业务。
除了基于 SDH 的 MSTP 之外,还可以有基于 WDM 的 MSTP 。实际上是将WDM 的每个波道分别用作各个业务的通道,即可以用透传的方式,也可以支持各种
业务的接入处理,如在 FE 、 GE 等端口中嵌入以太网 2层甚至 3层交换功能等,使WDM 系统不仅仅具有传送能力,而且具有业务提供能力。
进一步在光层网络中,将传输与交换功能相结合的结果,则导出了自动交换光网络 ASON 的概念。 ASON 除了原有的光传送平面和管理平面之外,还增加了控制平面,除了能实现原来光传送网的固定型连接(硬连接外,在信令的控制下,还可以实现交换的连接(软连接和混合连接。即除了传送功能外,还有交换功能。
6总结与展望。
从上述干线光纤通信的发展现状与趋势来看,可以认为光纤通信又一次进入了蓬勃发展的新高潮。而这一次发展高潮涉及的范围更广,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,值得密切注视和研究。
以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心,并面向 IP 互联网应用的光波技术已构成了今天的光纤通信研究热点,在未来的一段时间里,人们将继续研究和建设各种先进的光网络,并在验证有关新概念和新方案的同时,对下一代光传送网的关键技术进行更全面、更深入地研究。
从技术发展趋势角度来看, WDM 技术将朝着更多的信道数、更高的信道速率和更密的信道间隔的方向发展。从应用角度看,光网络则朝着面向 IP 互联网、能融入更多业务、能进行灵活的资源配置和生存性更强的方向发展,尤其是为了与近期需求相适应,光通信技术在基本实现了超高速、长距离、大容量的传送功能的基础上,将朝着智能化的传送功能发展。
参考文献 :
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