光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀和若干關(guān)鍵技術(shù)

徐 震

（山信軟件股份有限公司 萊蕪自動(dòng)化分公司，山東 濟(jì)南 271104）

0 引 言

光纖通信具有傳輸信息量大、體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、防竊聽效果好以及投入成本低等特點(diǎn)，在移動(dòng)通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的應(yīng)用不僅給社會(huì)各領(lǐng)域的通信業(yè)務(wù)創(chuàng)造了一個(gè)安全穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，而且在改善通信效果、提高生產(chǎn)與工作效率等方面也發(fā)揮著不可替代的重要作用。

1 光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代中期，英籍華人高錕博士發(fā)表了一篇利用帶有包層材料的石英玻璃光學(xué)纖維的論文，在論文當(dāng)中，高錕博士論述了利用這種光學(xué)纖維材料可以作為通信媒質(zhì)，這篇論文的發(fā)表也成為光纖通信技術(shù)誕生的里程碑。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展和演變，光纖通信技術(shù)發(fā)展先后經(jīng)歷了4個(gè)階段。

1.1 基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)階段

這一階段所經(jīng)歷的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為1966—1976年，在這10年間，研發(fā)人員開發(fā)出了多模光纖通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)的短波長為0.85 μm，速率為34 Mb/s或者45 Mb/s，無中繼傳輸距離約為10 km。從這一階段光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史看，屬于光纖通信技術(shù)的初始發(fā)展期[1]。

1.2 速率與傳輸距離提升期

這一階段所經(jīng)歷的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為1976—1986年，在這10年間，研發(fā)人員主要圍繞光纖通信的傳輸速率以及傳輸距離等課題展開。其中，一個(gè)歷史性突破的事件是光纖通信系統(tǒng)由多模系統(tǒng)過渡到單模系統(tǒng)，并且工作波長也從原來的0.85 μm增加至1.3 μm，而傳輸速率則由原來的34～45 Mb/s提升到140～565 Mb/s，無中繼傳輸距離也達(dá)到了50 km以上。

1.3 新技術(shù)研發(fā)期

這一階段光纖通信所經(jīng)歷的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為1986—1996年，在這10年間，研發(fā)人員將關(guān)注焦點(diǎn)逐步向新技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，其根本目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)光纖通信的遠(yuǎn)距離大容量傳輸。通過應(yīng)用外調(diào)制技術(shù)，單模光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率達(dá)到了2.5～10 Gb/s，無中繼傳輸距離也突破了100 km，最遠(yuǎn)傳輸距離能夠達(dá)到150 km[2]。

1.4 超大容量與超高速率發(fā)展期

從1996年開始，光纖通信技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，在前3個(gè)階段的基礎(chǔ)上，廣大研發(fā)人員將目標(biāo)鎖定在超大容量、超高速率以及超長距離傳輸層面，利用光放大器使數(shù)據(jù)傳輸距離得以延長，利用電的時(shí)分復(fù)用使數(shù)據(jù)傳輸速率得以提升，同時(shí)利用密集型光波復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技術(shù)增加了傳輸容量。另外，為了避免數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)損傷等突發(fā)情況，研發(fā)人員利用了調(diào)制格式、糾錯(cuò)編碼以及色散管理等先進(jìn)技術(shù)，使這一狀況進(jìn)一步得到改善。

2 密集波分復(fù)用關(guān)鍵技術(shù)

2.1 調(diào)制技術(shù)

在光纖通信中，較為常見的兩種調(diào)制方式為直接調(diào)制與外調(diào)制。其中，直接調(diào)制操作簡單，實(shí)用方便，但是在對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制時(shí)極易產(chǎn)生啁啾。由于產(chǎn)生的這種啁啾與調(diào)制頻率成正比，因此受到光纖色散作用的影響，容易出現(xiàn)脈沖展寬的現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)中繼傳輸距離造成不利影響。以常規(guī)單模光纖為例，該光纖的傳輸速率為2.5 Gb/s，受到光纖色散作用的影響，其傳輸距離僅能夠達(dá)到120 km。如果改用外調(diào)制的方法，傳輸距離能夠達(dá)到600 km以上。這主要是由于外調(diào)制技術(shù)能夠大大削弱激光器輸出的啁啾。基于此，如果光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率達(dá)到10 Gb/s以上時(shí)，則需要使用外調(diào)制技術(shù)對(duì)傳輸距離進(jìn)行有效調(diào)劑。

目前，在光纖通信領(lǐng)域較為常用的外調(diào)制器主要包括干涉儀型調(diào)制器與電吸收調(diào)制器。其中干涉儀型調(diào)制器的主要材質(zhì)是半導(dǎo)體，也可以選用電光材料，這兩種材料在消啁啾方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且能夠適用于10 Gb/s以上傳輸速率的通信系統(tǒng)。而電吸收調(diào)制器對(duì)偏振具有極強(qiáng)的敏感性，因此很容易與激光器集成為一個(gè)整體。在這種情況下，該調(diào)制器的頻率啁啾將明顯大于干涉儀型調(diào)制器，由此可以看出，電吸收調(diào)制器只適合于傳輸距離較短的光纖通信系統(tǒng)[3]。

2.2 復(fù)用器與解復(fù)用器

復(fù)用器也稱為合波器，該部件可以將不同波長的信號(hào)組合在一起，并送進(jìn)一根光纖中，相反的，如果將經(jīng)過同一根光纖送來的多波長信號(hào)分解為單個(gè)波長并分別輸出的部件則稱之為解復(fù)用器，也稱為分波器。目前，復(fù)用器與解復(fù)用器的常見類型有各種光柵、多層介質(zhì)薄膜濾波器、馬赫曾德爾干涉儀、陣列波導(dǎo)光柵（如圖1所示）以及聲光可調(diào)諧濾波器等[4]。

圖1 陣列波導(dǎo)光柵示意圖

2.3 放大技術(shù)

密集型光波復(fù)用技術(shù)的迅猛發(fā)展與光放大器的應(yīng)用有著密切關(guān)系，無論在試驗(yàn)系統(tǒng)還是在商用系統(tǒng)中，光放大器都得到了普遍推廣和應(yīng)用。目前，光放大器主要包括3種類型，即摻稀土離子放大器、非線性光纖放大器以及半導(dǎo)體光放大器。其中，摻稀土離子放大器所摻加的稀土成分主要有氟化物、碲化物等，非線性光纖放大器包括離散拉曼放大器和分布拉曼放大器，而半導(dǎo)體光放大器則主要包括增益鉗制的半導(dǎo)體光放大器和線性光放大器[5]。

為了保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量，在密集型光波復(fù)用系統(tǒng)中使用的光放大器需要具備以下特點(diǎn)，即帶寬足夠、增益平坦、噪聲低以及輸出功率高。而在這些技術(shù)參數(shù)中，增益平坦是對(duì)光放大器的一個(gè)特殊要求，如果在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)增益起伏的情況，則代表該工作波段處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。因此，為了改善這一狀況，研發(fā)人員需要在原技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種增益均衡的放大技術(shù)，并研制出增益平坦的放大器。例如，在C波段與L波段，可以使用增益移位的摻鉺光纖放大器與混合的拉曼放大器；在S波段可以使用摻銩氟化物光纖放大器與混合的拉曼放大器；在1 300 nm波段，即O波段，則可以使用摻鐠光纖放大器與半導(dǎo)體放大器。這樣既可以提高光信噪比，同時(shí)也能夠降低纖芯中的光功率損耗[6]。

3 速率為40 Gb/s的光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

影響單個(gè)波長傳輸速率的主要因素包括集成電路材料、電子與空穴遷移率、傳輸介質(zhì)的色散作用以及非線性特征等。與過去傳輸速率為10 Gb/s的光纖通信系統(tǒng)相比，40 Gb/s系統(tǒng)的傳輸速率提高了4倍，因此對(duì)光信噪比也提出更高的要求。為了保證40 Gb/s傳輸速率的光纖通信系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，放大器的波長平坦度以及功率均衡度也當(dāng)更加精確，色散斜率更加敏感，同時(shí)進(jìn)入光纖的功率不宜過大，從而有效避免非線性效應(yīng)的產(chǎn)生[7]。基于對(duì)強(qiáng)制性要求的分析，在選擇光纖時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇標(biāo)準(zhǔn)化的光纖類型，如G651、G652、G653、G654以及G655等，都可以作為傳輸介質(zhì)。其中：G651屬于多模漸變型光纖，常用于中小容量與中短傳輸距離的通信系統(tǒng)中；G652屬于常規(guī)的單模光纖，是目前全世界范圍內(nèi)普遍使用的一種光纖類型；G653屬于色散位移光纖，由于其四波混頻較為嚴(yán)重，因此已經(jīng)停止生產(chǎn)和使用[8]；G654型光纖常用于海底光纜通信系統(tǒng)當(dāng)中；而G655光纖也稱之為非零色散位移光纖，其應(yīng)用價(jià)值等同于G652型光纖。

3.1 色散補(bǔ)償與偏振模色散補(bǔ)償技術(shù)

對(duì)于40 Gb/s的光纖通信系統(tǒng)來說，既要考慮偏振模色散補(bǔ)償，同時(shí)也需要兼顧考慮色散斜率補(bǔ)償。以G655光纖為例，該光纖在敷設(shè)之后，色散值一般介于1～6ps/（km·nm），這一數(shù)值對(duì)光纖線路產(chǎn)生的負(fù)面影響偏小，因此可以利用色散管理技術(shù)來消除色散積累。但是，由于目前在全世界范圍內(nèi)有90%以上的光纖線路采用了G652光纖，因此在長距離傳輸過程中極易出現(xiàn)色散積累，這就需要利用色散補(bǔ)償光纖法、色散支持傳輸法、預(yù)啁啾技術(shù)以及光相位共軛技術(shù)等來消除色散積累，進(jìn)而來延長中繼傳輸距離[9]。

3.2 前向糾錯(cuò)技術(shù)

利用前向糾錯(cuò)技術(shù)可以有效改善光纖通信系統(tǒng)的誤碼性能，尤其在40 Gb/s的光纖通信系統(tǒng)中，應(yīng)用該技術(shù)可以進(jìn)一步提升傳輸速率、延長傳輸距離。前向糾錯(cuò)技術(shù)主要包括帶內(nèi)前向糾錯(cuò)與帶外前向糾錯(cuò)，其中帶內(nèi)前向糾錯(cuò)技術(shù)主要是將糾錯(cuò)碼加在被傳送幀結(jié)構(gòu)的空閑地方，而帶外前向糾錯(cuò)技術(shù)則是在被傳送的數(shù)據(jù)外添加額外的糾錯(cuò)碼。而相比于帶內(nèi)糾錯(cuò)技術(shù)，帶外糾錯(cuò)技術(shù)更容易獲得5 dB以上的光信噪比增益，利用該技術(shù)能夠等效提高光信噪比9 dB[10]。

4 結(jié) 論

從光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀看，在歷經(jīng)了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程之后，光纖通信技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)體系，雖然在實(shí)際應(yīng)用過程中還存在一些亟待解決的問題，但是在廣大研發(fā)人員與技術(shù)人員的共同努力下，一些新型的實(shí)用技術(shù)也將逐步浮出水面，進(jìn)而在改善信號(hào)傳輸質(zhì)量的同時(shí)，能夠?yàn)槲覈饫w通信事業(yè)的蓬勃發(fā)展注入源源不斷的驅(qū)動(dòng)力。