移动通信论文

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光纤通信简单介绍

前言

自古以来，通信就是人们的基本需求之一，这种需求促使人们发明能将信息从一个地方传送到另一个遥远地方的通信系统。至今为止，已有多种形式的通信系统出现，每一种新的通信方式出现的原动力都是源自于改进传输的可靠性、提高信息传输速率或增加中继站之间的距离。

近代通信技术分为电通信和光通信两类。对于一个电通信系统，信息数据通常是载于一个正弦电磁波(即载波)，然后再通过通信信道传送。在信宿，信息再从载波中分离出来，并根据需要加以处理。与电通信相比，以光形式实现的信息传输不是通过对载波的频率调制完成的，而是通过改变光功率的强度而实现的。光波的传输可以采用大气信道和导波信道。

随着经济的发展，人们网络速度的要求越来越来越高，所以从1880 年，贝 尔发明了一种利用光波作载波传递话音信息的“光电话”，它证明了利用光波 作载波传递信息的可能性，是光通信历史上的第一步，1960年，美国科学家载波传递信息的可能性，是光通信历史上的第一步，1960年，美国科学家梅曼(Meiman)发明了第一个红宝石激光器。激光(LASER)与 普通光相比，谱线很窄，方向性极好，是一种频率和相位都一致的相干光，特性与无线电波相似，是一种理想的光载波。因此，激光器的出现使光波通信进入了一个崭新的阶段。1966年,英籍华人高锟K.C.Kao博士首次利用无线电波导通信原理,提出了低损耗的光导纤维(简称光纤)概念。人们一直把如何提高通信的速率为目标，所以出现了光纤，人们发现用它来作为载体通信速率比用平常的载体要好很多，所以我想简单介绍下光纤通信。

一光纤通信的发展

1．1 光纤通信的发展历程

广义来讲，用光传递信息并不是新鲜的事。早在公元两千多年以前，我们的祖先就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟火传递受到入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来救援，这种土丘称

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为烽火台，它是一种古老的光通信设备。由于人们无法解决光向四面八方散射时，光强减弱和不能通过障碍物的问题，因此，直到20世纪60年代初，光通信都没有重大的进展。它仅仅作为一种信号灯使用，如马路上的红绿灯、机场上的跑道标志灯和航标灯等。1838年美国人SamuelF．B．Morse发明了电报，标志人类进入了电通信时代。此后贝尔发明了电话，马可尼、波波夫发明了无线电通信，于是电通信成为最主要的通信方式。直到20世纪60年代，电通信在通信领域都处于绝对统治地位。1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传动话音的“光电话”，其结构如图1．1所示。贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，使沉睡了80年的光通信进入了一个崭新的阶段。

图一贝尔光电话

1974年前后，许多国家进行了各种室内的光纤通信传输实验；1976年后出现了各种实用的光纤通信系统；1980年美国电报电话公司的45 Mb／s光纤通信系统FT3实现商用。光纤通信系统随着多模光纤发展到单模光纤，多模激光器发展到单模激光器，从短波长系统发展到长波长系统，已经历了三代，如图1．2所示。

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1.2光纤通信的特点

与其他通信手段相比，光纤通信具有无与伦比的优越性，其具有下列优点： (1)频带宽，通信容量大

频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带 只能传输27套电视和几十套调频广播。可见光的频率达100 000 GHz，比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗，使频带宽度受到影响，但在最低损耗区的频带宽度也可达30 000 GHz。目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分(多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达10 GHz以上)，采用先进的相干光通信可以在30 000 GHz范围内安排2 000个光载波，进行波分复用，可以容纳上百万个频道。

(2)损耗低，传输距离远

在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800 MHz信号时，每公里的损耗都在40 dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1．31¨m的光，每公里损耗在0．35 dB以下；若传输1．55 la,m的光，每公里损耗更小，可达0．2 dB以下，只有同轴电缆功率损耗亿分之一，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引入均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。 (3)抗于扰能力强，保密性能好

因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的

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抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。 (4)重量轻，体积小

因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4～10斗m，外径也只有125斗m，加上防水层、加强筋、护套等．用4—48根光纤组成的光缆直径还不到13 mm，比标准同轴电缆的直径47 mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，密度小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。通信设备的重量和体积对许多领域特别是军事、航空和宇宙飞船等方面的应用，具有特别重要的意义。在飞机上用光纤代替电缆，不仅降低了通信设备的成本，提高了通信的质量，而且降低了飞机的制造成本。

(5)节约金属材料，成本不断下降

目前，有人提出了新摩尔定律，也称为光学定律(Optical Law)。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础，这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料(SiO：)来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势，成为建立全省以至全国有线电视网的最主要传输手段。

二 光纤通信系统

图1．3示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。光纤通信系统通常由光发射机、光纤、中继器和光接收机组成。光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输中。光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号。

图3光纤通信系统框图

光纤通信系统按照发展过程可以分为三代：

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(1)第一代网络：全电网络，节点用电缆互连在一起，电缆是一种窄带线路，它的容量有限。

(2)第二代网络：电光网络，用一段段光纤取代电缆后构成的网络，现在正被广泛使用，因节点内仍是对电信号进行交换，所以称为电光网络。

(3)第三代网络：全光网络，所有节点被不间断的光缆连接起来，节点内只对光信号进行交换。

信息包括语音、图像、数据等所有信号源，经电、光发送端机对信号进行处理将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，经光纤传输，在长途光纤通信系统中，每隔一段距离需设置中继器，把经过长距离传输衰变的微弱并畸变的光信号进行放大整形再生后继续传输。而光、电学接收端机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的语音、图像、数据等信息。 1．PCM电端机

光纤传输系统是数字通信的理想通道，数字信号是对连续变化的模拟信号进行采样，量化，编码产生的，称为PCM。即脉冲编码调制。 2．光发射端机。

电端机的输出信号，通过光发射机的输入端口接人光发射机。光发射机主要由光源、驱动器和调制器等组成，可以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传输光纤或光缆中。 3．光纤或光缆

光纤或光缆构成光的传输通道，其功能是将光发射端机发出的已调制光信号干接收端的电接收端机，完成信息传输任务。 4．中继器

在长途光纤通信线路中，由于光纤的损耗和色散等会造成信号的幅度衰减和扬真，这些衰减和失真随着信号传输距离的延长而增加，因此，每隔一定距离(一般为70km)就要设置一个中继器。 5．光接收端机

光接收端机主要由光检测器和放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光经光检测器转换为电信号，然后，将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电再传送给接收端的电端机。

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6．电接收端机

电接收端机的任务是将高速数字信号解复用，然后再还原成语音、图像、数据等信号，送给用户。

7．光纤连接器、耦合器等无源器件

在光纤通信系统中光纤与光纤、光纤与光端机的连接耦合以及各路信号的分／合等，都需要使用光纤连接器、耦合器等无源器件。 8．备用系统与辅助系统

为了确保系统的畅通，通常应设置备用系统，当主系统出现故障时，可人工或自动切换到备用系统上工作，这样就可以保障通信的畅通和正确无误。 辅助系统包括：监控管理系统、公务通信系统、自动倒换系统、告警处理系统、电源供给系统等。

三 光纤通信关键技术

目前，光纤通信已经广泛应用到长途骨干网、城域网和接入网中，在现代电信网中，光纤通信作为现代通信的重要手段之一起着关键的作用。就光纤通信技术本身而言，主要包括：光纤光缆技术、传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。 1．光纤光缆技术

光纤技术的进步主要包括两个方面：一是通信系统所用的光纤；二是特种光纤。早期光纤的传输窗E1只有三个，即850nm(第一窗口)、1 310nm(第二窗口)和1 550nm(第三窗口)。近几年相继开发出第四窗口(L波段)、第五窗口(无水峰的全波光纤)以及S波段窗口。这些传输窗口开发成功的巨大意义就在于从1 280 1 625nm的广阔的光频范围内，都能实现低损耗、低色散传输，使通信系统传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。另一方面是特种光纤的开发及其产业化，这是一个相当活跃的领域。为了得到如此高的负色散值，必须将其芯径做得很小，相对折射率差做得很大，而这种作法往往又会导致光纤的衰耗增加(0．5～ldB／km)。色散补偿光纤是利用基模波导色散来获得高的负色散值，通常将其色散与衰减之比称作质量因数，质量因数当然越大越好。 2．光有源器件技术

光纤通信系统中光有源器件的研究与开发一直是最为活跃的领域。激光二极

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管(LD)直接强度调制达到2．5Gb／s的速率已经没有障碍，但为了提高频率稳定性和在密集波分复用(DWDM)等系统中的一些特殊应用，外调制技术也在不断应用和发展。光电二极管(PIN)和雪崩光电二极管(APD)始终承担着接收机中光电转换的任务，其性能也在不断发展和提高，一般结构的PIN和APD产品，其相应带宽达到20GHz以上没有问题，随着各项技术的发展，结构改进后的PIN和APD增益带宽可以超过100GHz。 3．光无源器件技术

所谓光无源器件就是指不需要光源和电源提供能量就能正常工作的光学器件，其种类繁多、功能各异，在光通信系统及光网络中发挥着关键作用，如连接光波导或光路，控制光的传播方向，控制光功率的分配，控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合、合波与分波、光信道的上／下载与交叉连接等。早期的几种光无源器件已商品化，常用的有光纤活动连接器、光分／合路器、光衰减器和光隔离器等。随着光纤通信技术的发展，相继又出现了许多光无源器件，如环行器、色散补偿器、增益均衡器、光的上／下复用器、光交叉连接器、阵列波导光栅等。这些器件有的还处于研发或试生产阶段，有的已能提供少量商品。按光纤通信技术发展的一般规律来看，当光纤接入网大规模兴建时，将大大推进光无源器件技术的发展，这主要是由于接入网的特点所决定的。 4．光复用技术

光复用技术种类很多，常用的光复用技术包括：时分复用(TDM)技术、波分复用(WDM)技术、频分复用(FDM)技术、空分复用(SDM)技术和码分复用(CDM)技术。其中最为重要的是波分复用(WDM)技术和光时分复用(OTDM)技术。 5．光放大技术

光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。顾名思义，光放大器就是放大光信号的器件。在此之前，传送信号的放大都是要实现光电转换及电光转换，即O／E、E／o转换。有了光放大器后就可直接实现光信号放大。光放大器主要有三种：光纤放大器、拉曼光放大器以及半导体光放大器。光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子(如铒、镨、铥等)作为激光活性物质。每一种掺杂剂的增益带宽是不同的。掺铒光纤放大器的增益带较宽，覆盖s、C、L频带；

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掺铥光纤放大器的增益带是S波段。

除此之外，光纤通信技术还有很多其他技术，如光接入技术、孤子复用技术以及光通信路由技术等，这些技术的不断发展和新技术的不断涌现，都极大地提高了光纤通信系统的通信能力，并扩大了光纤通信系统的应用范围。 四光纤通信的发展展望

对光纤通信而言，超高速度、超大容量、超长距离一直都是人们追求的目标，光纤到户(FTTH)和全光网络也是人们追求的梦想。 1)光纤到户

现在移动通信发展速度惊人，因其带宽有限，终端体积不可能太大，显示屏幕受限等因素，人们依然追求陆能相对占优的固定终端，希望实现光纤到户。光纤到户的魅力在于它有极大的带宽，它是解决从互联网主干网到用户桌面的“最后一公里”瓶颈现象的最佳方案。随着技术的更新换代，光纤到户的成本大大降低，不久可降到与DSL和HFC网相当，这使FTTH的实用化成为可能。据报道，1997年日本NTT公司就开始发展FTTH，2000年后由于成本降低而使用户数量大增。美国在2002年前后的12个月中．FTTH的安装数量增加了200％以上。在我国，光纤到户也是势在必行，光纤到户的实验网已在武汉、成都等市开展，预计2012年前后，我国从沿海到内地将兴起光纤到户建设高潮。可以说光纤到户是光纤通信的一个亮点，伴随着相应技术的成熟与实用化，成本高潮。可以说光纤到户是光纤通信的一个亮点，伴随着相应技术的成熟与实用化，成本降低到人们能承受的水平时，已经实现了。 2)全光网络

传统的光网络实现了结点间的全光化，但在网络结点处仍用电器件，限制了目前通信网干线总容量的提高，因此真正的全光网络成为非常重要的课题。全光网络以光结点代替电结点，结点之间也是全光化，信息始终以光的形式进行传输与交换，交换机对用户信息的处理不再按比特进行，而是根据其波长来决定路由。全光网络具有良好的透明理速度、较低的误码率，网络结构简单，组网非常灵活，可以随时增加新结点而不必安装信号的交换和处理设备。当然全光网络的发展并不可能独立于众多通信技术，它必须要与因特网、ATM网、移动通信网等相融合。目前全光网络的发展仍处于初级阶段，但已显示出良好的发展前景。从发展

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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)新一代的光纤

近几年来随着IP业务量的爆炸式增长,电信网正开始向下一代可持续发展的方向发展,而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)。 五结束语

21世纪以来,光通信技术取得了长足的进步,在本论文中我们主要讨论光光纤纤通信技术及其应用的现状和发展趋势,但这些进步的取得,是包括光传输媒质、光电器件、光通信系统,以及网络应用等多方面技术共同进步的结果。随着光通信技术进一步发展,必将对21世纪通信行业的进步,乃至整个社会经济的发展产生巨大影响。 参考文献

《光纤通信》作者:卢志茂，冯进玫主编【出版发行】 北京市：北京大学出版社 2010.08

《光纤通信》【作 者】李丽君著【出版发行】 北京市：北京大学出版社 , 2010.09 www.baidu.com

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