通信工程技術中光纖網絡的應用

劉家豪

（中國電信股份有限公司涪陵分公司，重慶 408099）

0 引 言

傳統通信技術信號傳輸效率較低，無法滿足現代社會通信需求，因此必須在通信工程中大規模應用光纖技術搭建光纖網絡與信號解碼基站，合理配置網絡資源與技術設備，做好遠期資源調度與配置工作，實現光纖入戶與全光網絡建設目標。

1 光纖網絡技術的基本原理與應用價值

光纖是一種由石英玻璃或合成樹脂等材料制成的極細纖維，折射率較高的纖芯和折射率較低的包層組成。纖芯是光信號的傳輸介質，包層是保護纖芯并使光信號在纖芯內全反射的層。在包層外還有一層涂覆層，用于防止水分和機械損傷。根據可傳輸的模式數量，光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖只能傳輸一種模式，其纖芯直徑較小，一般為4 ～10 μm；多模光纖可以傳輸數百到上千種模式，其纖芯直徑較大，一般為50 ～62.5 μm。光纖傳輸原理可被概括為利用全反射現象，使光信號在光纖內反復反射而沿軸向前進。當光從折射率較大的介質入射到折射率較小的介質時，在邊界發生反射和折射，如果入射角超過臨界角，將發生全反射。因此，對于特定的光纖結構，只有滿足一定條件的光波才可以在光纖中有效傳輸。由于不同模式經過不同長度的路徑到達接收端，造成不同模式之間存在時間差異，這種現象稱為模式色散。模式色散會導致信號失真和帶寬降低。為了減小模式色散，可以采用漸變型多模光纖或單模光纖。

一個基本光纖網絡由3 部分組成，即發射端、接收端以及傳輸線路。發射端將電信號轉換為與之對應的調制后的光信號，并通過耦合器將其耦合到光導；接收端將從另一端輸出的調制后的光信號轉換為電信號，并進行解調和恢復；傳輸線路是由一根或多根連接起來的光導組成，用于傳輸調制后的信息載波。除此之外，還有一些無源或有源器件用于實現網絡中的各種功能，如分路器、合路器、放大器以及交換器等。光纖網絡技術是一種利用光纖作為傳輸介質的通信技術，具有傳輸速率高、抗干擾性強、傳輸距離遠、安全可靠等優點。光纖網絡技術的原理是利用光源（如激光器或發光二極管）將電信號轉換為光信號，然后通過光纖將光信號傳輸到目的地，再由光電探測器將光信號轉換為電信號。光纖網絡技術在通信工程中的應用價值體現為：一是提高通信容量和質量，實現高速、大容量、高清晰度的信息傳輸；二是節省通信資源和成本，減少銅纜的使用和維護，降低能耗和環境污染；三是增強通信安全和保密性，防止信息泄露和干擾；四是促進通信網絡的發展和創新，實現多媒體、寬帶、移動和智能化的通信服務[1]。

2 光纖網絡技術在通信工程中的主要應用形式

2.1 色散技術

光纖色散指光脈沖在光纖的傳輸過程中，由于不同頻率或模式的光波具有不同的傳播速度，導致光脈沖到達接收端時發生時間延遲和形狀變化等現象。光纖色散會造成信號失真和干擾，降低通信質量和效率，限制通信速率和距離，影響光纖網絡技術的傳輸性能和通信質量。色散技術指通過設計和優化光纖結構、使用色散補償器、調整信號波長等方法，來減小或消除色散對信號的影響，提高光纖網絡技術的傳輸效率和質量。因此，克服或補償光纖色散是提高光纖網絡技術性能的重要措施之一。

目前，常用的色散補償技術主要有以下幾種。（1）色散補償光纖（Dispersion Compensating Fiber，DCF），在傳輸系統中加入一段具有與傳輸光纖相反符號色散值的特殊光纖，使得整個系統的總色散接近于0，從而實現色散補償。這種方法簡單易行，但會增加系統損耗和成本，且對波長的選擇性較強。（2）光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG），在傳輸系統中加入一種具有周期性折射率變化的反射器件，可以對特定波長的光進行反射或透射，從而實現色散補償。這種方法具有插入損耗低、體積小以及可集成性強等優點，但需要精確控制光柵參數和溫度穩定性。（3）電子色散補償（Electronic Dispersion Compensation，EDC），在接收端采用數字信號處理（Digital Signal Processor，DSP）技術，對接收到的畸變信號進行濾波或均衡處理，從而實現色散補償。這種方法可以適應多種波長和調制格式，且不增加系統損耗和復雜度，但需要高速、高精度的電子器件和算法。綜上所述，光纖網絡技術中色散技術的基本原理是利用不同的物理機制或數學方法對產生色散的因素進行抵消或修正，從而恢復信號的完整性和質量。在通信工程技術中，色散技術的應用形式主要取決于系統的設計要求和條件，需要綜合考慮各種因素，如速率、距離、波長、成本以及可靠性等，選擇合適的色散補償方案[2]。

2.2 復用技術

復用技術是指在同一條光纖中，同時傳輸多個不同波長或不同編碼方式的光信號，以提高光纖網絡技術的利用率和帶寬。復用技術能夠提高傳輸效率，降低成本，增加信道容量，可以分為波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、時分復用（Time Division Multiplexing，TDM）、碼分復用（Code Division Multiplexing，CDM） 以及空分復用（Space Division Multiplexing，SDM）等，各有優缺點和適用場景。

（1）WDM 利用光纖的寬帶特性，將不同波長的光信號在發送端合并，通過一根光纖傳輸，然后在接收端分離，實現多路信號的復用。WDM 可以分為密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）和粗密波分復用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM），根據波長間隔的不同進行劃分。WDM 技術可以大幅提高光纖的傳輸容量，適用于長距離的高速光通信系統。

（2）TDM 利用光纖的高速特性，將多路信號按照一定的時序在發送端交替發出，通過一根光纖傳輸，然后在接收端按照相同的時序進行恢復，實現多路信號的復用。TDM 技術可以有效利用光纖的帶寬資源，適用于短距離的低速光通信系統。

（3）CDM 利用光纖的抗干擾特性，將多路信號在發送端分別與不同的偽隨機碼進行異或運算，通過一根光纖傳輸，然后在接收端與相應的偽隨機碼進行相關運算，實現多路信號的復用。CDM技術可以實現多址通信，適用于無線光通信系統。

（4）SDM 利用光纖的多模特性，將多路信號在發送端分別注入不同的模式，在一根光纖中同時傳輸，然后在接收端利用模式分離器進行分離，實現多路信號的復用。SDM 技術可以進一步增加光纖的傳輸容量，適用于超大容量光通信系統。

以上4 種復用技術各有優缺點，在通信工程中可以根據具體的需求和條件進行選擇與組合，以達到最佳的傳輸效果[3]。

2.3 光信號解碼基站

網絡基站是指在無線通信系統中，負責將有線信號轉換為無線信號，并進行發射和接收的設備。其作用是擴大無線信號的覆蓋范圍，提高通信質量和容量。在光纖網絡技術中，解碼基站是一種重要的網元設施，負責將接收的光信號轉換為電信號，并進行解碼處理，以還原出原始的數據信息。解碼基站在通信工程中具有重要的價值，可以實現不同類型、不同格式、不同速率信號之間的互通和轉換，提高通信系統的靈活性與兼容性。其原理是利用光電轉換器將光信號轉換為電信號，然后通過DSP 或專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）對電信號進行解碼操作，還原出原始的數據信息。解碼操作的具體方法取決于光信號所采用的編碼方式，常見的編碼方式有線性編碼、循環編碼、塊編碼等，目的是檢測并糾正由于傳輸過程中的噪聲或干擾引起的錯誤，提高通信質量和可靠性[4]。

解碼基站可根據接收到光信號的類型和特征，選擇合適的解碼算法與參數進行解碼處理，并將解碼后的數據信息輸出到下一級網元或終端設備。解碼基站可以根據不同的應用場景和需求，配置不同的功能模塊和接口，以適應不同的傳輸網絡和協議。例如，在長期演進（Long Term Evolution，LTE）網絡中，解碼基站需要支持IP 無線接入網（Internet Protocol Radio Access Network，IPRAN）和多業務傳送平臺（Multi-Service Transfer Platform，MSTP）等傳輸技術，并能夠與演進型節點B 等無線網元進行通信。解碼基站在通信工程中具有重要的價值，可以實現不同類型、不同格式、不同速率信號之間的互通和轉換，提高通信系統的靈活性和兼容性[5]。

2.4 全光網絡

全光網絡是指在傳輸、交換和處理信息的過程中都采用光信號而不需要電信號的轉換網絡，可實現高速、大容量、低成本以及低功耗的信息傳輸，是未來通信網絡的發展方向。全光網絡的關鍵技術包括光交換、光路由、光存儲、光放大等，無須將光信號轉換為電信號，從而避免了電子設備的限制和損耗，提高了網絡的性能和效率。全光網絡的基本原理是利用光學器件和技術，如激光器、調制器、分路器、合路器、濾波器、放大器以及交換器等，對光信號進行操作和控制。工作方式主要有WDM 和TDM，前者是指將不同波長的光信號在同一根光纖中同時傳輸，通過分路器和合路器實現多路信號的復用和解復用；后者是指將不同時間段的光信號在同一根光纖中依次傳輸，通過調制器和解調器實現多路信號的復用和解復用。全光網絡在通信工程中具有重要的價值，可滿足日益增長的通信需求，也可向用戶提供多種業務類型，如語音、數據、視頻等，支持多種協議和標準，實現網絡的互聯和互通。此外，全光網絡還可以提高網絡的可靠性和安全性，通過自愈環技術實現故障恢復，通過加密技術實現信息保密。

3 提升光纖網絡技術應用效果的調節措施

光纖網絡技術是通信工程中的重要組成部分，它具有傳輸速度快、帶寬大、抗干擾性強等優點，能夠滿足現代信息社會高速、高效、高質量的通信需求。然而，光纖網絡技術也存在一些問題和挑戰，如光纖衰減、色散、非線性效應、信號失真等，這些問題會影響光纖網絡的性能和可靠性，降低通信工程的應用效果。因此，需要采取一些調節措施，以提升光纖網絡技術在通信工程中的應用效果。常用的調節措施是在光纖網絡節點安裝光纖放大器。光纖放大器是一種利用激光泵浦技術，在光纖中產生受激發射的器件，它可以在不需要電子轉換的情況下直接對光信號進行放大，從而補償光纖的傳輸損耗，增強信號的強度。光纖放大器有多種類型，如摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）、摻銩光纖放大器（Thulium Doped Fiber Amplifier，TDFA）、半導體光纖放大器（Semi-conductor Optical Amplifier，SOA）等，可以根據不同的波長范圍和應用場景進行選擇和配置。

另一常用調節措施是光纖非線性效應抑制。非線性效應是指在高功率或高密度的光信號下，光與介質之間產生非線性相互作用，導致信號的頻率、相位、極化等發生變化的現象。非線性效應會引起信號的失真、串擾、噪聲等問題，降低光纖網絡的性能和穩定性。為了抑制或避免非線性效應，可采用以下幾種方法：（1）降低輸入功率或信道數目，減小非線性效應的產生；（2）采用分布式拉曼放大器（Distributed Raman Amplifier，DRA）或分布式布里淵放大（Distributed Brillouin Amplification，DBA），利用拉曼或布里淵散射對信號進行均勻增益，抑制非線性效應；（3）采用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）或相干檢測等先進的調制和檢測技術，提高信號的抗非線性能力；（4）采用DSP 或數字前均衡等數字信號處理技術，在接收端對信號進行非線性補償或預失真。

4 結 論

技術人員應針對光纖通信系統采用合理改進措施，提高光源的輸出功率和穩定性，提高光調制器的調制速度和效率，提高光接收器的靈敏度和響應速度，最終提高系統的傳輸性能和可靠性。未來應集中資源開發新型的具有低損耗、大有效面積、大非線性系數、大模場直徑等特性的光纖，以提高系統的傳輸容量和傳輸距離。研究新型的光放大器技術，以提高系統的增益和帶寬。在通信工程中采用新型多波分復用技術，如DWDM、CWDM、OFDM 等，以提高系統的頻譜利用率和傳輸容量。