摘要 光纤通信技术有高速率、大容量、损耗低、体积小、重量轻，还有抗电磁干扰和不易串音等一系列优点，因此备受通信领域专业人士青睐，发展也异常迅猛。光纤通信技术的发展主要体现在：单纤双向传输技术、光纤到户（FTTH）接入技术、骨干节点的光交换技术和研发集成光电子器件等方面。因此，光纤通信技术在当今社会取得了广泛的应用，比如在电力系统方面的应用、在舰艇及水下系统中的应用等等。随着光纤通信技术的发展和当前社会信息技术需求的增加，光纤通信技术在未来将会有更为重要的地位。

关键词 光纤通信技术  光纤技术原理  发展  应用

1.综述

光纤通信技术作为全球新一代信息技术的重要标志之一，已经变为当今信息社会中各种多样且复杂的信息的主要传输媒介，并深刻的、广泛的改变了信息网架构的整体面貌，以现代信息社会最坚实的通信基础的身份，向世人展现了其无限美好的发展前景。它的主要特点是：通信达到了高速率和大容量，且损耗低、体积小、重量轻，还有抗电磁干扰和不易串音等一系列优点，从而备受通信领域专业人士青睐，发展也异常迅猛。[1]

光纤通信技术中的波分复用技术。即WDM，充分利用了单模光纤低损耗区的优势，获得了大的带宽资源。波分复用技术基于每一信道光波的频率和波长不同等情况出发，把光纤的低损耗窗口规划为许多个单独的通信管道，并在发送端设置了波分复用器，将波长不同的信号集合到一起送入单根光纤中，再进行信息的传输，而接收端的波分复用器把这些承载着多种不同信号的、波长不同的光载波再进行分离。[1]

光纤通信技术中的光纤接入技术。光纤接入网技术是信息传输技术的一个崭新的尝试，它实现了普遍意义上的高速化信息传输，满足了广大民众对信息传输速度的要求，主要由宽带的主干传输网络和用户接入两部分组成。其中后者起着更为关键的作用。 [1]

“十一五”期间，在国家有关部门和各级的重点支持下，特别是国家科技部在“十一五”国家科技攻关和“863”光电子新材料研究计划中，安排了光纤预制棒科技支撑计划项目，国内光纤企业积极迎接挑战、踊跃投入，各相关行业协会大力促进，加快了具有自主知识产权的光纤预制棒新技术、新工艺和新材料的开发步伐。[3]

光纤通信技术现作为一种重要的现代信息传输技术，在现在的信息社会背景下得到了普遍意义上的应用，在全球通信领域及相关行业在全球处于非常低迷的状态时，光纤通信技术仍得到了一些发展。依照我国现行的通信技术领域的发展模式，光纤通信技术必会成为未来通信领域发展的主流技术，带领人类进入全光时代。[1]

2.原理

光纤通信是利用半导体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED）作为光源器件，把电信号转换为光信号并将其耦合进石英（或塑料）光纤中进行传输，在接收端使用半导体检测器件（检波器），如雪崩光电二极管（APD）或光电二极管（PIN）等，将光信号再还原为电信号的一种通信方式。[2]光纤的结构如图1所示，是由纤芯、包层、涂敷层和护套组成。              

图  1

纤芯的作用是传到光波，包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。为了达到传到光波的目的，需要使纤芯材料的折射率大于包层的折射率。为了实现纤芯和包层材料的折射率差，必须使纤芯和包层的材料有所不同。目前实用的光纤主要是石英系光纤，其主要材料是石英。如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂，则就可以作为纤芯材料。同样，如果在石英中掺入折射率比石英低的掺杂剂，则就可以作为包层材料，经这样掺杂后，上述的目的就可以达到了。[4]

目前广泛应用的掺杂剂主要是二氧化锗、五氧化二磷、三氧化二硼、氟。前两种用于提高适应材料的折射率，后两种用于降低石英材料的折射率。实际应用中的光纤如图表1所示，外面加几层塑料涂层，以保护光纤，增加光线的强度。经过涂料以后的光纤成为光纤心线。根据光纤心线的涂料结构的不同，可以分为紧套光纤和松套光纤。[4]

紧套光纤

图  2

松套光纤

图  3

3．发展

1966 年7 月，英藉、华裔学者高锟博士在PIEE 杂志上发表了一篇十分著名的文章《用于光频的光纤表面波导》，该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结 （即阶跃光纤）。更重要的是科学地预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性，即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，可以把光纤的衰耗系数降低到20dB/km 以下。1970 年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用改进型化学相沉积（MCVD 法）制造出当时世界上第一根超低耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索。[9]

由于光纤传输速率的逐步高速化、大容量化，光纤衰减、色散、非线性效应等现象严重影响到光纤系统的质量，因而，人们已将光线工作的波长由850nm 向1310-550nm 的长波长移动，进而向2000nm 方向发展。为降低衰减、色散和非线性效应，研制出了常规单模光纤，G.625 光纤现为最广泛应用的光纤， 它在1310nm 为零色散，1550nm 为最低损耗，其工作波长为1310nm。随着光纤通信容量不断增大、中继距离不断增长的需求，保偏光线始终要研究方向。采用相干光纤通信系统，可实现越洋无中继通信，但要求保持光的偏振方向不变，以保证相干探测效率，因此常规单模光线要向着保偏光纤方向发展。随着通信的发展，用户对通信的要求也从窄带电话、传真、数据和图像业务逐渐转向可视电话、电视传播、图文检索和高速数据等宽带业务。由此而促生了光纤用户网。[10]

综上所述，光纤通信技术的发展主要体现在：单纤双向传输技术、光纤到户（FTTH）接入技术、骨干节点的光交换技术和研发集成光电子器件等方面。[6]

1. 单纤双向传输技术

单纤双向传输技术是相对于双纤双向传输来讲的，双纤传输时，收发信号分别在不同的两根光纤里传输，而单纤传输时，收发信号被调制在不同的波段后在同一根光纤里传输。以前为了节约光纤资源，我们不断在光纤传输容量上下工夫，从PDH的8M,34M,140M 到SDH 的155M,622M,2.5G,10G 再到WDM 的320G,1600G等，光纤的传输容量不断增大，从理论上讲光纤的传输容量是无限的，但受到设备器件的，传输容量大大降低，达不到理论效果。目前光纤通信传送网都是通过双纤双向传输的，假如改用单纤双向传输技术就可以节约一半的光纤资源。对于现存的无数个庞大的光纤通信传送网来说，可以节约的光纤资源是可想而知的。研发出成熟的单纤双向传输技术具有划时代意义。目前单纤双向传输技术已有实用，但主要用在光纤末端。接入设备：PON无源光网络、单纤光收发器等设备，骨干传送网上暂时还没有用到这个技术。从这个方面来讲，这也是光纤通信技术发展的一个方向。[6]

2. 光纤到户（FTTH）接入技术

高速数据通信和高质量视频通信以及多媒体业务的发展，推动了宽带综合业务网的研究与开发。当今核心网已经形成了以光纤线路为基础的高速信道。虽然，现在广泛采用的ADSL技术提供宽带业务尚有一定优势，但对于不久的将来要发展的宽带业务,如:网上教育, 网上办公, 会议电视, 网上游戏, 远程诊疗等双向业务和HDTV高清数字电视,上下行传输不对称的业务, 尤其是HDTV,经过压缩, 目前其传输速率尚需19.2Mbps，用H.2技术可压缩到5～6Mbps。通常认为对QOS有所保证的ADSL的最高传输速率是2Mbps, 仍难以传输HDTV高清数字电视。使用铜线的接入方式ADSL已不能满足高速传送数据、视频及多媒体业务的要求，采用光纤接入技术已成为必然趋势，是通信技术发展的方向。[6]

根据社会发展形势，HDTV高清数字电视是将来的主流业务，怎么实现，就要靠带宽丰富的FTTH技术。FTTH是一种全透明全光纤的光接入网，适用于引进新业务，对传输制式、带宽和波长等基本上没有，并且ONU安装在用户处，供电、维护、升级更新都比较方便。可以认为HDTV是FTTH的主要推动力，即HDTV业务到来时,非FTTH不可。而且在FTTH建成后可以逐步实现三网合一，即宽带上网接入、有线电视接入和传统固定电话接入。[6]

FTTH的解决方案通常有P2P点对点或点对多点和PON无源光网络两大类。

P2P优点:各用户传输,互不影响,变动灵活;可以采用廉价的低速光电子模块;传输距离长。缺点:为了减少用户直接到局的光纤和管道, 需要在用户区安置一个汇总用户的有源节点。[6]

PON优点:无源网络维护简单;原则上可以节省光电子器件和光纤。缺点:需要采用昂贵的高速光电子模块;需要采用区分用户距离不同的电子模块,以避免各用户上行信号互相冲突;传输距离受PON分比而缩短;各用户的下行带宽互相占用,如果用户带宽得不到保证时,不单是要网络扩容,还需要更换PON和更换用户模块来解决。采用波分复用来区分用户的PON,由于用户与波长有关,使维护不便,在FTTH中很少采用。[6]

3. 骨干节点的光交换技术

光交换实际上可表示为:光纤通信传输+交换。光纤只是解决传输问题,还需要解决光信号交换问题。过去,通信网都是由金属线缆构成的,传输的是电子信号,交换是采用电子交换机。现在,通信网除了用户末端一小段外,都是光纤,传输的是光信号，而交换的还是电信号。真正合理的方法应该采用光交换的。但目前,由于光开关器件不成熟,只能采用的是“光- 电- 光”方式来解决光网的交换,即把光信号变成电信号,待电子交换后,再变换成光信号。现在正在开发大容量的光开关器件,用来实现光交换网络,具有代表性的是ASON- 自动交换光网络。通常在光网络里传输的信息,一般速度都是高速的,电子开关不能胜任，只能在低次群中实现电子交换。而光交换可实现高速信号的交换。当然,也不是说,一切都要用光交换,特别是低速,颗粒小的信号的交换,应采用成熟的电子交换技术,没有必要采用不成熟的大容量的光交换技术。当前,在数据网中,信号以“包”的形式出现,采用所谓“包交换”。包的颗粒比较小,可采用电子交换。然而,在一些骨干节点，它们承担的是业务汇聚任务，信号速率高,应该考虑采用容量大的光交换。目前,少通道大容量的光交换已有实用。[6]

电子交换一般有“空分”和“时分”方式，在光交换中有“空分”、“时分”和“波长交换”方式。光纤通信很少采用光时分交换。光空分交换: 采用光开关把光信号从某一光纤转到另一光纤。空分的光开关有机械的、半导体的和热光开关等。近来,采用集成技术,开发出MEM微电机光开关,其体积小到mm。已开发1296x1296MEM光交换机(Lucent),但属于试验性质的。光波长交换:是对各交换对象赋于一个特定的波长。于是,发送某一特定波长就可与某特定对象进行通信。实现光波长交换的关键是需要开发实用化的可变波长的光源,光滤波器和集成的低功耗的可靠的光开关阵列等。现已开发出0x0半导体光开关+AWG的空分与波长相结合的交叉连接试验系统(corning)。采用光空分和光波分可构成非常灵活的光交换网。技术成熟的自动交换的光网络ASON, 是光纤通信技术进一步发展的方向。[6]

4. 研发集成光电子器件

如同电子器件那样,光电子器件也要走向集成化。虽然不是所有的光电子器件都要集成,但会有相当的一部分是需要而且是可以集成的。目前正在发展的PLC- 平面光波导线路,如同一块印刷电路板,可以把光电子器件，如DFB和DBR半导体激光器、量子阱半导体激光器、波长可调谐半导体激光器、波长可调谐滤光器、光开关器件、无源光器件、光逻辑器件等需要的器件组装于其上,也可以直接集成为一个光电子器件 。[6]

4．应用

    光纤通信技术有着广泛的应用，以下介绍它在电力系统和舰艇及水下系统中的应用。

1.在电力系统中的应用

电力系统通信与邮电公用网相比，有着自身的特点，比如要求高可靠性、业务多、大部分业务容量小、具有丰富的杆路资源。因此，在电力通信光纤网络建设的过程中，通常会针对电力通信的特点并充分利用电力部门的特征进行光纤通信的建设。[7]

通过电力系统所独有的线路杆塔资源架设的电力特种通信光缆称为电力特种光缆。电力特种光缆分为以下几类：OPGW、ADSS、OPAC、OPPC、MASS、GWWOP、ADL ，电力特种光缆由于其自身结构以及安装形式比较特殊，所以遭到外力破坏的可能性相对来说比较小。目前，应用最为广泛的是OPGW 和ADSS 这两种光缆。[7]

OPGW 有以下几个方面的优点：光缆同时与地线相复合，从而节省了重复建设的巨大费用；传输信号损耗小，且有着较高的通信质量；具有较好的安全性，不容易被偷盗。其缺点是在应用中有雷击损伤的问题。另一种较常应用于电力通信中的光缆ADSS 光缆由于其材料采用绝缘介质，具有重量轻、不会对铁塔照成较大影响等优点，可应用于强电场和长跨距。同时由于其杆塔添加型的安装形式，光缆的架设对输电线的运作影响较小，所以在其安装、维护的过程中可以不用停电。ADSS 光缆在实际使用中最大的问题是电腐蚀。根据其各自的特点，通常在新建线路时，会采用OPGW 光缆；在老线路加挂光缆时，会使用ADSS 光缆。而新型特种光缆光纤复合相线(OPPC) 同时具备电能传输功能，国外已应用多年，国内应用处于起步阶段。与ADSS 和OPGW 等常用光缆比较，OPPC 具有一系列优点，包括与相导线复合，基本不存在OPGW 雷击断缆问题；不存在ADSS 电腐蚀断缆问题；处于高电压状态，具有防盗功能。当无法找到合适的ADSS 和OPGW 的敷设空间时，OPPC 是适当的选择。[7]

目前，在波长1260 ～ 1680nm 范围内，光纤可以传输的波段有6 个。利用波分复用 (WDM) 技术，每个波段可同时传输多个信道。不同类型的光纤所能传播的光波波长范围也不同。[7]

表格 1  光纤通信所利用的波段

2光纤在舰艇及水下系统中的应用

光纤通信在舰艇上的应用主要基于光纤优良的传输性能, 同时也由于光纤对电磁现象的不敏感性, 而且能减少重量和尺寸等, 舰用光纤通信就是在这一背景下产生的。当前舰船电子技术深入到各种电器设备和控制系统, 舰用雷达、导航、传感器和指挥系统的信号电缆, 加上其它电器设备和电力电缆, 带来了严重的电磁干扰、射频干扰和电磁泄漏等问题, 使得电磁兼容性的矛盾日益加剧。虽然各种设备的电磁信号在严格的控制之下, 但干扰依然存在,只能在某种程度上减少干扰, 而无法从根本上消除。光纤是一种无源、不导电的介电波导材料, 对电磁现象不敏感, 其自身也不产生辐射, 以光纤作为信息传输材料, 可以免除各种信号之间的干扰, 传输数据的准确率、灵敏度将大大提高, 保密性也大大增强。特别对于通信监视设备尤为适宜, 可使舰船电磁兼容性矛盾大大缓解。[8]

舰艇采用光纤通信技术可使传输的频带增宽、信息容量增大、传输速率提高, 同时还可以极大地节约空间和重量, 而且可以简化安装。光纤的固有化学稳定性和物理特性, 使得它作为传输材料绝缘性能好, 能承受舰艇及水下的恶劣环境耐高湿、抗潮湿和盐份的腐蚀, 而且光纤不会自燃也提高了舰船的安全性。[8] 

注：每一自然段后的序号对应相应的参考文献。若段落后无序号则该自然段与其前一段出自同一参考文献。

参考文献

[1]：王红波.浅谈光纤通信技术[J].河南科技 2010.7下

[2]: 暴学志，光纤光栅传感器技术应用研究[J].中国科技信息2010年第17 期

[3]: 陈伟 李诗愈 王彦亮 王冬香 罗文勇 黄文俊.特种光纤技术及其发展趋势[J].中国新通信 2010年第17期

[4]: 杨同友 杨邦湘.光纤通信技术[M].人民邮电出版社 1995年2月

[5]: 李木林 樊兴.闪光的足迹[J].武汉文史资料 1999 03

[6]: 肖礼岳. 浅谈光纤通信技术的发展方向[J].科技致富向 2010年第18期

[7]: 章旺. 光纤通信技术在电力系统中的应用[J].中国高新技术企业 2010年第25期

[8]: 阙大顺. 光纤在舰艇及水下系统中的应用[J].舰舶电子工程 1999年第2期

[9]: 马 强 韩加祥 成 明. 光纤通信技术的发展与展望[J]. 科学咨询（决策与管理） 2010 NO.1

[10]: 吕璠. 光纤通信的发展趋势及应用[J]. 科技信息 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 2009年第23期下载本文