通信工程中光纖技術(shù)的設(shè)計應(yīng)用和發(fā)展趨勢

劉春雨，盛 會

（1.中國電子科技集團公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.石家莊麥特達電子科技有限公司，河北 石家莊 050051）

0 引 言

與傳統(tǒng)的通信工程技術(shù)相比，光纖技術(shù)的應(yīng)用具有極大的優(yōu)勢，可以快速安全有效地傳遞通信信號。經(jīng)過大量的實驗證明，光纖同時還豐富了信號傳輸?shù)妮d體和形式，將光纖應(yīng)用到通信工程中可以顯著提高通信時的網(wǎng)速，有效保證信號傳輸質(zhì)量。

1 光纖通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其構(gòu)成特點

經(jīng)過大量的研究發(fā)現(xiàn)，光纖技術(shù)應(yīng)用于通信工程具有傳輸頻帶寬、損耗低等優(yōu)點[1]。進入21世紀后，通信技術(shù)的發(fā)展和建設(shè)進一步加快。光纖和電纜技術(shù)已融入通信工程的各個方面，如廣播通信、互聯(lián)網(wǎng)、民航局域網(wǎng)等。同時，光纖通信技術(shù)的應(yīng)用呈現(xiàn)出向以功能為導向的分化趨勢，如光纖接入技術(shù)、分支波復用技術(shù)等。如圖1所示，波分復用技術(shù)是一種在一根光纖上傳輸多路信號的通信技術(shù)，通過合波器將一系列載有信息、但波長不同的光信號合成一束，沿著單根光纖傳輸；并在接收端通過分波器將各個不同波長的光信號分開，達到波分復用的目的。例如，波長復用技術(shù)是以單模光纖為主，可以發(fā)揮其單模光纖的低損耗的特點，使光纖發(fā)揮更高的性能。

圖1 波分復用系統(tǒng)原理圖

當信號傳輸使用光纖通信技術(shù)來完成時，需要對數(shù)字或模擬電信號進行調(diào)制，使信號能夠沿光纜傳播。為了在信號的接收端分析和接收相應(yīng)的信號，有必要再次對電信號進行調(diào)制[2]。光纖通信系統(tǒng)中，一些光源器件起到調(diào)制信號和傳輸光波的作用。目前，使用半導體是一種相對經(jīng)濟的方案，其信號調(diào)制和傳輸效率相對較低，但足以滿足大多數(shù)通信要求。半導體的性能明顯優(yōu)于LED，但受高成本的限制，僅用于有遠距離或高信號傳輸質(zhì)量要求的通信項目。通信系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用要求不同時，所選擇的光纖類型是不同的，可以根據(jù)其系統(tǒng)的設(shè)計需求來選擇單芯光纖或多芯光纖如圖2所示。通常情況下，半導體二極管參數(shù)必須與發(fā)射端和光纜相匹配，以確保3者能在同一光纖頻段工作[3]。此外，雪崩光電二極管是接收端的常見器件，但它與接收端的半導體激光二極管具有相同的缺點，即成本過高。

圖2 單芯光纜與多芯光纜結(jié)構(gòu)圖

光纖通信系統(tǒng)的多數(shù)優(yōu)點是由光導纖維和光波介質(zhì)的性質(zhì)所決定的。首先，由于光導纖維的原材料是石英絕緣體原料，不易被侵蝕，其絕緣性能相當好[4]。但是由于各種電磁泄露往往會造成通信通道中存在各通路相互干擾串線的問題，因此通信保密性較差。與傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)相比，基于長帶寬和色散特性的光纖終端可以在光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計中發(fā)揮其優(yōu)勢[5]。光纖通信原理如圖3所示。

圖3 光纖通信原理

2 光纖通信在各領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 廣電傳媒

光纖通信系統(tǒng)具有較強的通信能力，可以高質(zhì)量地傳輸各種類型的模擬或數(shù)字信號[6]。在電視、廣播和新型傳輸媒體的建設(shè)過程中，光纜已經(jīng)取代了同軸電纜和雙絞線等舊傳媒方式。廣播電視媒體行業(yè)需要穩(wěn)定的長距離和低延遲的信號傳輸，其網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境十分復雜，使用光纖技術(shù)來進行光電傳媒的通信工程網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，可以充分發(fā)揮光纖的長距離穩(wěn)定、低延遲的信號傳輸優(yōu)點[7]。如圖4所示，隨著網(wǎng)絡(luò)通信的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信用戶數(shù)量呈指數(shù)型增長，而傳統(tǒng)的通信傳輸介質(zhì)構(gòu)建的通信系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足時代的發(fā)展和人們的日常需求。隨著用戶總流量和使用頻率的增加，對信號傳輸?shù)陌踩院退俣忍岢隽烁叩囊蟆Ｄ壳埃厥猸h(huán)境要求外，新建的互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)和分支網(wǎng)均采用光纖通信技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)運營商正在逐步取代原有的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，以滿足互聯(lián)網(wǎng)的使用需求。

圖4 光纖接入網(wǎng)拓撲圖

2.2 民航等特殊行業(yè)的局域網(wǎng)

光纖通信技術(shù)具有長距離穩(wěn)定傳輸、低延遲的特點，可以使信號傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量得到大幅提升，在民航鐵路領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，且發(fā)揮了重大的作用[8]。其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍更大，可以支持人員使用移動設(shè)備，適合長距離鐵路區(qū)段運輸項目。隨著科技的發(fā)展，光纖技術(shù)也與其他行業(yè)頂尖技術(shù)相結(jié)合并實現(xiàn)了創(chuàng)新發(fā)展，尤其是在運輸和能源行業(yè)。光纖通信以其強大的抗電磁干擾能力和運行穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用于輸變電網(wǎng)絡(luò)、地鐵、民航、智能管理系統(tǒng)的綜合布線和高速鐵路自動化中[9]。如圖5所示，為供電系統(tǒng)中的光纖通信示意圖，各站點通過光電交換機與光纖網(wǎng)絡(luò)進行信息交互，主站也通過光纜接入光纖通信系統(tǒng)，從而實現(xiàn)各類頂層業(yè)務(wù)的開展與電網(wǎng)調(diào)度。此外，光纖通信網(wǎng)絡(luò)也被用于自動化程度較高的制造企業(yè)，以構(gòu)建自動化生產(chǎn)管理和過程控制網(wǎng)絡(luò)。

圖5 光纖通信在供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

3 光導纖維通信系統(tǒng)的發(fā)展分析

光纖作為光信號的載體，其性能對通信質(zhì)量有著決定性的影響。目前光纖的原材料是石英，其成分主要是二氧化硅，通過對二氧化硅中所含的元素含量做出調(diào)整或者添加其他的一些元素則可以使光纖的傳輸距離變遠。根據(jù)通信技術(shù)的不同設(shè)計要求，可選擇不同規(guī)格和結(jié)構(gòu)形狀的電纜。對于光纖的設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)的改變和創(chuàng)新主要是為了使光纖通信工程技術(shù)能夠在面對不同的環(huán)境條件及需求時充分發(fā)揮性能，提高效率。

在當前的通信項目中存在大量的通信節(jié)點，整體通信速率和信號傳輸質(zhì)量的提高是有限的。因此，需要對于通信工程的傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和技術(shù)改進，使所有相關(guān)環(huán)節(jié)都使用光纖通信系統(tǒng)，并對信號傳輸和轉(zhuǎn)換進行關(guān)注，從而使光纖通信技術(shù)充分發(fā)揮相應(yīng)的價值[10]。目前，各專業(yè)科研機構(gòu)和大型通信產(chǎn)品制造商在光器件研發(fā)和信號傳輸方式改進方面投入了大量資源，一些新的生產(chǎn)技術(shù)和新興產(chǎn)品也得到了很好的推廣和使用。其中波長復用等通信技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了系統(tǒng)通信容量和傳輸距離，減少了系統(tǒng)空間的浪費。

光纖網(wǎng)絡(luò)采用光纖通信技術(shù)，降低了信號傳輸能量的損耗和衰減，所有通信節(jié)點由通信媒體和設(shè)備引發(fā)，全面提高傳輸速率和通信業(yè)務(wù)處理能力，使系統(tǒng)運行更加高效、順暢。目前，要實現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展仍然存在一些技術(shù)上的問題需要解決。與此同時，隨著科技的進步、生產(chǎn)技術(shù)和工藝的改進和創(chuàng)新，相關(guān)課題的研究進程也在加快。通信工程中對于光弧技術(shù)的應(yīng)用是較為廣泛和普遍的，光弧放大器利用波傳輸技術(shù)的方式可以設(shè)計一種新的技術(shù)方案來補償光弧的能量強度。新的光通信方案可以降低能耗，提高遠程通信服務(wù)質(zhì)量。

4 結(jié) 論

目前無線通信技術(shù)的應(yīng)用越來越多，在信號覆蓋方面具有一定的優(yōu)勢。在遠程和特殊環(huán)境下信號傳輸?shù)母蓴_防護等方面，光纖通信技術(shù)是不可替代的，可以有效降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的運營和維護成本。隨著玻璃纖維材料等光學器件的發(fā)展和光纜制造等技術(shù)的進步，光纖通信技術(shù)在各個領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。