全光通信的发展和应用研究

[摘 要]当前社会，信息技术迅猛发展，巨量的信息交换需要高速、高效的通信手段，全光通信具有大容量、高速、低成本的特点，因此，全光网络日益被人们广泛应用。

[关键词]全光通信；信息；网络；光纤

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.12.114

[中图分类号]TN929.11 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2016）12-0-02

在日常生活中，人们常常需要将信息从一个地方传递到另一个地方，这种信息传递的过程就是通信。从古代的烽火台到1880年贝尔发明的电话，都是通信的手段，实现信息传递功能的技术称为通信技术。随着光纤的发明和普及，通信从电传输发展到了光传输，而近几年“全光网络”的提出和应用使通信方式有了质的飞跃。

1 光纤的发展

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是光的全反射。1960年，美国科学家Meiman发明了红宝石激光器，光通信从此有了起点；1966年，高锟博士发表了《光频率的介质纤维表面波导》一文，提出只要降低玻璃纤维的杂质，就能使玻璃纤维的损耗降低到20 dB/km，就有了用于通信的可能；1970年美国贝尔实验室、日本电气公司和前苏联先后研制成功镓铝砷双异质结半导体激光器，为半导体激光器的发展奠定了基础；1970年，美国康宁公司研制成功损耗20 dBkm的石英光纤；1986年光纤的损耗降低到了0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。光纤按传输模式分为单模光纤和多模光纤，工作波长从0.85 μm发展到1.31 μm和1.55 μm，传输速率从MB/S发展到GB/S。

光纤的特点：频带极宽；损耗小；保密性强；抗干扰性强；光纤通信不带电，可用于易燃易爆场合；使用环境温度范围宽；抗化学腐蚀，使用寿命长。

2 光纤通信的发展

所谓光纤通信，就是利用光导纤维来传输携带信息的光波以达到通信目的。电通信是以电流作为信息的载体实现信息传输，而光通信是以光波作为信息载体而实现信息传输。要使光波成为信息的载体，必须对光进行调制。光纤通信原理是在发送端首先把信息变成电信号，然后调制到发光器发出的光束上，使光的强度随电流信号的频率变化发生变化，然后通过光纤传送出去；在信息的接收端，检测器把收到的光信号转换成电信号，经解调后变成原来的信息。

光纤通信系统可分为三部分：电端机（电发射机、电接收机）；光端机（光发射机、光接收机）；传输光纤。光纤通信是现代信息传输的主要手段，光纤通信的发展历史虽然只有一二十年，但已经已经历了三代：短波长多模光纤时期、长波长多模光纤时期和长波长单模光纤时期。光纤通信是通信史上的重大进步，欧美日等许多国家都已不再建设电缆线路，而大力建设发展光纤通信网。中国的光纤通信这几年进步较快，大多数运营商都已实现了信息的光纤传输。

3 全光通信

全光通信指的是用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而且其在各网络节点的交换使用可靠性高、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（OXC）。在全光网络中，由于无需电信号的处理，所以允许存在不同的协议和编码，使信息传输具有透明性。它同SDH传送网一样，满足传送网通信模型，遵循一般传送网的组织原理、功能结构的建模和信息定义，采用了相似的描述方式。因此，很多SDH传送网的功能和体系构想都可以用于全光通信网。

光通信的复用方式分为以下几种。

（1）空分复用：利用在空间分割构成不同的信道来实现光复用的技术。

（2）时分复用：各路信号在同一信道上占有不同的时间间隙进行通信。

（3）波分复用（WDM）：在一根光线中同时传送不同波长的多个光载波信号的技术。

波分复用又分粗波分复用（CWDM）、密集波分复用（DWDM）和频分复用（FDM）。

WDM系统的特点：①充分利用光纤的巨大带宽资源，光纤通信的优势之一是其近30 THz的巨大潜在带宽容量；②可同时传输多种不同类型的信号；③超大传输容量；④节省光纤资源，节省成本；⑤各通路透明传输，平滑升级扩容，光传送网可支持尽可能多的客户；⑥利用成熟的TDM技术；⑦利用EDFA实现超长距离传输；⑧对光纤的色散无过高要求；⑨可组成WDM全光网络。

全光网络（AON ，All Optical Network）是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换，而在网络传输和交换的过程中始终以光的形式存在。因为在整个传输过程中没有电的处理，所以PDH、SDH、ATM等各种传送方式均可使用，提高了网络资源的利用效率。

全光网络技术包括全光交换、光交叉连接、全光中继和光复用/解复用、全光信息的放大和再生。

3.1 全光交换

全光交换技术分为光的电路交换和光分组交换。光的电路交换和现在的电路交换技术相似，光交换可以分为：时分交换技术、波分交换技术、空分交换技术、复合型光交换等技术。

全光网络支持不同需求的业务，业务的不同需求使用户对宽带的要求也不同，这时候光分组交换技术就被提出来了。

3.2 光交叉连接（OXC）

光交叉连接一种能在不同的光路径之间进行光信号交换的光传输设备。它用作在全光网络中各节点处将不同光纤信号（或各波长信号）与其他光纤的信号进行可控的连接。OXC主要有光交叉连接矩阵、管理控制单元、输入单元、输出单元等模块组成，光交叉连接也有空分、时分、波长交叉等不同方式，目前空分交叉和波长交叉比较成熟。

3.3 全光中继

现在的光纤传输系统采用光＼电＼光再生中继器方式，这种方式十分复杂，系统的可靠性和稳定性也受到影响。去掉上述光＼电＼光的转换过程，在光路上直接对信号进行放大传输，是全光传输必须解决的问题。目前已经开发出半导体光放大器和光纤放大器，上述问题便得到了解决。

3.4 光的复用与解复用

光时分复用技术Optical Time Division Multiplexing（OTDM），是指多路光信号可以在一条划分成若干时隙的复用信道中传输。

光波分复用技术Wavelength Division Multiplexing（WDM），不同波长的光信号经调至后在一根光纤中传输。密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）是在WDM的基础上，光载波的光谱间距更加紧密，从而使光纤达到更高的传输性能。

3.5 全光信息的放大和再生

信号在光纤中传输，光纤的色散和损耗对通信质量的影响很严重。损耗导致信号随传输距离的增加而衰减。这就需要一种能使光信号放大的技术，掺饵光纤放大器（EDFA）是一种对光信号放大的有源光元器件，有了它就可实现光纤远距离、大容量的信息传输。光信号在光纤中传输会有不同程度的色散，它会使得光信号脉冲展宽，发生干扰，使误码率增加，因此对光信号进行再生措施也是必然的需要。

4 全光通信的发展

全光通信是通信网络发展的现实目标。全光传送网（OTN）是目前全光网络的发展趋势，在点对点信息传输中，全过程不经过任何的光电转换。下一步，光联网的实现也需要新一代光开关、波分复用器、光衰减器、光放大器等元器件的发展。要建成完整的全光网络，有许多信号处理、储存、交换等要由光子技术完成，来实现点到点的光传输、交换和处理功能。

5 结 语

全光通信巨量的信息能够超长距离、超大容量无中继地传输。随着通信业务高速的发展，各种新技术的不断完善和进步，通信领域向全光网络前进的步伐也在加快。可以小规模开始，随着业务量的增加而逐步加大规模，用“小步快跑”的方式让用户体验新技术带来的好处，在积累经验的同时，分阶段地、稳步地走向全光网络时代。全光通信必将成为通信发展的新趋势，在21世纪前期，全光通信将会全面普及化。

主要参考文献

[1]李维民，赵巧霞，康巧燕，等.全光通信网技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.

[2]吴海西.WDM技术的原理及其应用与发展[J].现代电信科技，2000（10）.

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