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光纤通信技术
英文名称；Optical Fiber Communication Technique
检索词：光纤 .；通信
[定义]
光纤通信技术系指通过光学纤维传输信息的技术。在发信端，信息被转换成电信号，电信号控制光源，使发出的光信号具有所要传输的信号的特点，从而实现信号的电-光转换。发信端发出的光信号，通过光纤传输到远方的收信端，经光-电转换成电信号，再经过处理和转换而恢复为与原发信端相同的信息。光纤通信技术主要研究光纤、器件、系统以及组网各方面的技术。
[相关技术]通信技术
[技术难点]
[国外概况]
随着光纤通信的广泛使用，光纤光缆已布满全球。光缆除在陆地上敷设外，还有海底光缆连接大西洋、太平洋等，现在光缆已环绕了整个地球，当今世界上商用的高速光纤通信系统容量为2.5Gb/s(相当于30000路电话)，10Gb/s的系统也开始进入实用化。
虽然光纤的容量很大，但由于目前电子技术的限制，仅利用了光纤容量的1/1000左右。要充分利用光纤的容量，除提高电子线路的速度外，正在开发光时分复用（OTDM）和光频分复用（OFDM或WDM）技术。由于光时分复用难度较大，所以目前只有少数大公司能开发，大多数在开发生产WDM，所以WDM是当前的热点，要继续挖掘光纤通信潜力，就必须开发新技术，特别是新器件。所以器件也是当今发展的热点。
下面分别介绍光纤、器件和系统的情况。
1． 光纤的进展
虽然光纤比较成熟，但仍在开发新型光纤，这主要是为了更好地适应长距离超大容量系统的需要。为了克服WDM系统中由于光纤的非线性产生的四波混频（FWM）干扰，国际电信联盟（ITU）推荐G。655光纤（非零色散位移光纤），如Lucent公司开发的TWF光纤，Corning公司的LS光纤，其实最根本的是降低光纤中的非线性，各大公司正开发大有效面积-非零色散-色散位移光纤（LEA-NZ-DSF），如Corning公司的Leaf 光纤等。
(LEAF 光纤（CORNING）
表1 Leaf 光纤数据
模场直径： 9-10μ m
零色散波长： 1500 -1586nm
衰减： 0.20-0.25dB/km
波长-衰减差： 0.05dB/km(1525~1575nm)
弯曲损失： <0.50dB(φ=32mm,1圈)
偏振模色散： <0.08ps/(km
接续损失： 平均0.05dB/个
(大有效面积色散平坦光纤
为了保证在WDM系统中波长-色散平坦以便补偿，开发了大有效面积-非零色散-色散平坦光纤（LEA-NZ-DFF）。
表2 LEA-NZ-DFF光纤的数据
有效面积： LEA-NZ-DSF 80μm2
模场直径： 9.12μm
损失： 0.21dB/km
λc： 830nm
色散： 2.66ps/(nm km)
色散斜率： 0.035ps/(nm2 km)
偏振模色散： 0.061ps/(km
( 同轴环型光纤（coaxial-ring: ALCATEL）
为了得到更大的有效面积，如果继续增大光纤的芯径，将不能保持单模的传输条件。设计环状光纤可以增大有效面积。Alcatel 公司对几种新型光纤进行了理论设计，数据如表3。在有效面积增大时，应注意弯曲损失是否增大。其中同轴环型光纤（coaxial-ring）在允许弯曲损失0.01dB时，有效面积可达90μm2。同轴环型光纤的折射率分布比较复杂，它的生产工艺难，与光源的耦合、与光纤的接续问题尚待解决。如用微波等离子气相沉积工艺（PCVD）去生产同轴光纤效果可能更好，因为PCVD工艺精度较高。
表3 同轴环型光纤数据
有效面积： 95μm2
色散： +4ps/(nm km)
色散斜率： 0.065ps/(nm2 km)
弯曲损失： 0.01dB
2． 器件的进展
器件发展很快。一方面在大量开发新器件，主要是WDM和高速系统的新器件。另一主面是开发商用的光电模快，并趋于集成、廉价、小型化。
( 155Mb/s STM-1的发、收模块（NEC）--体积各为26(3(10mm3,接收模块中包括了时钟抽出和判决。2.5Gb/s,10Gb/s的发、收模块均有出售，但价格昂贵。传统是采用镀金的金属壳封装、成本高，塑料包装可大大降低成本。是日本OKI公司开发的。
表4 塑料馐的光发送机数据
LD： 工作在1.3μm
LD: 距光纤100μm
耦合损失： 9.9dB
工作温度： -40。C (+85。C
( 速度达60Gb/s的半导体EA调制器模块（OKI）--尺寸：13(21(11mm3,EA长度370μm，吸收区100μm，包含微带匹配线路。
( 在一个管芯内实现收发（ALCATEL）--发的波长为1.3μm，收的波长为1.55μm，可在单纤双向工作。芯片中的吸收段是用以吸收LD发出的后向1.3μm光能，以免干扰接收。
表 5 收发数据
接收灵敏度： -21.5dBm(155Mb/s)
MQW-DFB LD: 功率 1mW
发送速率： 143Mb/s(直接驱动)
工作温度： 0。C (70。C
( 可调谐和44nm 的激光器（France Telecom）--是SG-DBR-LD（ sampled-grating）激光器，用于WDM。调节两个控制电极的电流可变换波长。有101个腔模，波长相隔50(100GHz,SMSR>30dB 。输出功率大于15mW，各波长相差小于5dB。波长变换速度4(25ns。工作温度约100。C。
( 1.3μm半导体光放大器（MIT）--采用楔形波导结构。小信号增益35dB。相对噪声RIN为130dB/Hz。最大输出光功率800mW,输入11mW,电流3mA。速率10Gb/s。
( 用于模拟信号的1.3μm半导体光放大器（Philips）--是一种增益箝置半导体光放大器（GC-SOA，gain-clamped semiconductor amplifier）。当输入信号超过线性限度时，增益不再箝住，而禁止发生非线性。经77路电视传输试验，效果良好。增益为21dB（输入信号为-12dBm）。信噪比>55dB,二次三次拍波优于-66dB。
( 8信道光波长选择开关（NTT）--可在8个波长的信号内，任意选择几个波长通过或不通过。用半导体光放大器（SOA）阵列作光开关。用AWG和SOA混合集成。4个SOA的尺寸是1200(1600μm。工作波长1550nm，波长间隔75GHz。传输损失3.2(3.9dB。
( 光驱动的微机械开关（LUCENT）--利用硅微加工工艺可制成光控的微型开关，整个尺寸约1(2mm。其工作机理是：用8个多晶硅PIN电池串联组成的光发电机，在光信号的驱动下，可产生3V电压，使电容板受电场吸引，把遮片升起，光纤开关处于开通状态。如无光信号，光发电机无电压输出，遮片下降，光纤开关关闭。用此开关可组成光纤线路倒换系统。该开关是由远端的光信号所控制，所以光开关本地是无源的。
3． 光纤通信系统
当前广泛使用的是2.5Gb/sSDH光纤通信传输系统。10Gb/s和WDM系统也有少量使用。
较早实现10 Gb/s WDM商用的是MCI公司，该公司的WDM线路从St.Louis到芝加哥全长275km，利用原有的G。652标准单模光纤加色散补偿，采用单纤双向WDM技术，总容量4(10 Gb/s =40 Gb/s（双向），使用了Nortel和日立提供的设备和Pirelli提供的WDM及EDFA技术。
AT&T、Lucent也建立了8(2.5 Gb/s和10 Gb/s的试验线路称为MONET，全长2000km，连通Craford 、Holmdel、华盛顿等地供内部使用。
各大公司的高水平实验室系统
表6 的前6个系统属超大容量系统，其试验的目的是探索1000 Gb/s系统的可能性和所需的技术，包括新型光纤，如TWF和LMF光纤，这些光纤属ITU G.655 光纤。为了克服在WDM系统运行时光纤的非线性产生的四波混频干扰，这些光纤具有少量色散和增大了有效面积。NTT和HHI的系统中采用了WDM和OTDM（光时分复用）相结合的技术，是挖掘光纤潜力较全面的途径。NEC公司2640 Gb/s WDM系统是目前世界容量最大的实验系统。
表上最后3个系统的容量不很大，分别为20(10 Gb/s、64(5 Gb/s、10 Gb/s，但传输距离很长，分别为9000km,、7200km、2000km，显然其目的是想尽早把现有的WDM和5(10 Gb/s技术推向商用。值得注意的是Tyco公司的WDM系统的信道间隔仅0.3nm（一般为0.8-1nm），水平较高。
表6 高水平光纤通信试验系统
总容量 方 式 距 离 光 纤 公 司 备注
1000 Gb/s WDM100(10 Gb/s 400km TWF Lucent
1100 Gb/s WDM55(20 Gb/s 150km 富士通
1000 Gb/s WDM100(10 Gb/s 600km SMF NTT
1000 Gb/s WDM10(100 Gb/s 40km NTT
（TDM10 (10 Gb/s）
640 Gb/s WDM8(80 Gb/s HHI
（TDM8 (10 Gb/s）
2640 Gb/s WDM132(20 Gb/s 120km NEC
200 Gb/s WDM20(10 Gb/s 9000km环测 DSF（90%）KDD
320 Gb/s WDM64(5 Gb/s 7200km环测 LMF Tyco 间隔0.3nm
10Gb/s 单路 20000km环测 N-DSF Alcatel
[影响]
从现在到2025年，光纤容量将超过每秒1万亿比特，新型光纤放大器将允许信号在几千英里的光纤上传输，每个网络节点的费用每5年下降一个数量级，光纤可作为全球通信网络的主干，光纤通信到2010年对居民用户来说是具有生命力的通信方式。光纤通信和卫星通信相结合，将成为远程通信的主要手段。
1楼
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英文名称；Optical Fiber Communication Technique
检索词：光纤 .；通信
[定义]
光纤通信技术系指通过光学纤维传输信息的技术。在发信端，信息被转换成电信号，电信号控制光源，使发出的光信号具有所要传输的信号的特点，从而实现信号的电-光转换。发信端发出的光信号，通过光纤传输到远方的收信端，经光-电转换成电信号，再经过处理和转换而恢复为与原发信端相同的信息。光纤通信技术主要研究光纤、器件、系统以及组网各方面的技术。
[相关技术]通信技术
[技术难点]
[国外概况]
随着光纤通信的广泛使用，光纤光缆已布满全球。光缆除在陆地上敷设外，还有海底光缆连接大西洋、太平洋等，现在光缆已环绕了整个地球，当今世界上商用的高速光纤通信系统容量为2.5Gb/s(相当于30000路电话)，10Gb/s的系统也开始进入实用化。
虽然光纤的容量很大，但由于目前电子技术的限制，仅利用了光纤容量的1/1000左右。要充分利用光纤的容量，除提高电子线路的速度外，正在开发光时分复用（OTDM）和光频分复用（OFDM或WDM）技术。由于光时分复用难度较大，所以目前只有少数大公司能开发，大多数在开发生产WDM，所以WDM是当前的热点，要继续挖掘光纤通信潜力，就必须开发新技术，特别是新器件。所以器件也是当今发展的热点。
下面分别介绍光纤、器件和系统的情况。
1． 光纤的进展
虽然光纤比较成熟，但仍在开发新型光纤，这主要是为了更好地适应长距离超大容量系统的需要。为了克服WDM系统中由于光纤的非线性产生的四波混频（FWM）干扰，国际电信联盟（ITU）推荐G。655光纤（非零色散位移光纤），如Lucent公司开发的TWF光纤，Corning公司的LS光纤，其实最根本的是降低光纤中的非线性，各大公司正开发大有效面积-非零色散-色散位移光纤（LEA-NZ-DSF），如Corning公司的Leaf 光纤等。
(LEAF 光纤（CORNING）
表1 Leaf 光纤数据
模场直径： 9-10μ m
零色散波长： 1500 -1586nm
衰减： 0.20-0.25dB/km
波长-衰减差： 0.05dB/km(1525~1575nm)
弯曲损失： <0.50dB(φ=32mm,1圈)
偏振模色散： <0.08ps/(km
接续损失： 平均0.05dB/个
(大有效面积色散平坦光纤
为了保证在WDM系统中波长-色散平坦以便补偿，开发了大有效面积-非零色散-色散平坦光纤（LEA-NZ-DFF）。
表2 LEA-NZ-DFF光纤的数据
有效面积： LEA-NZ-DSF 80μm2
模场直径： 9.12μm
损失： 0.21dB/km
λc： 830nm
色散： 2.66ps/(nm km)
色散斜率： 0.035ps/(nm2 km)
偏振模色散： 0.061ps/(km
( 同轴环型光纤（coaxial-ring: ALCATEL）
为了得到更大的有效面积，如果继续增大光纤的芯径，将不能保持单模的传输条件。设计环状光纤可以增大有效面积。Alcatel 公司对几种新型光纤进行了理论设计，数据如表3。在有效面积增大时，应注意弯曲损失是否增大。其中同轴环型光纤（coaxial-ring）在允许弯曲损失0.01dB时，有效面积可达90μm2。同轴环型光纤的折射率分布比较复杂，它的生产工艺难，与光源的耦合、与光纤的接续问题尚待解决。如用微波等离子气相沉积工艺（PCVD）去生产同轴光纤效果可能更好，因为PCVD工艺精度较高。
表3 同轴环型光纤数据
有效面积： 95μm2
色散： +4ps/(nm km)
色散斜率： 0.065ps/(nm2 km)
弯曲损失： 0.01dB
2． 器件的进展
器件发展很快。一方面在大量开发新器件，主要是WDM和高速系统的新器件。另一主面是开发商用的光电模快，并趋于集成、廉价、小型化。
( 155Mb/s STM-1的发、收模块（NEC）--体积各为26(3(10mm3,接收模块中包括了时钟抽出和判决。2.5Gb/s,10Gb/s的发、收模块均有出售，但价格昂贵。传统是采用镀金的金属壳封装、成本高，塑料包装可大大降低成本。是日本OKI公司开发的。
表4 塑料馐的光发送机数据
LD： 工作在1.3μm
LD: 距光纤100μm
耦合损失： 9.9dB
工作温度： -40。C (+85。C
( 速度达60Gb/s的半导体EA调制器模块（OKI）--尺寸：13(21(11mm3,EA长度370μm，吸收区100μm，包含微带匹配线路。
( 在一个管芯内实现收发（ALCATEL）--发的波长为1.3μm，收的波长为1.55μm，可在单纤双向工作。芯片中的吸收段是用以吸收LD发出的后向1.3μm光能，以免干扰接收。
表 5 收发数据
接收灵敏度： -21.5dBm(155Mb/s)
MQW-DFB LD: 功率 1mW
发送速率： 143Mb/s(直接驱动)
工作温度： 0。C (70。C
( 可调谐和44nm 的激光器（France Telecom）--是SG-DBR-LD（ sampled-grating）激光器，用于WDM。调节两个控制电极的电流可变换波长。有101个腔模，波长相隔50(100GHz,SMSR>30dB 。输出功率大于15mW，各波长相差小于5dB。波长变换速度4(25ns。工作温度约100。C。
( 1.3μm半导体光放大器（MIT）--采用楔形波导结构。小信号增益35dB。相对噪声RIN为130dB/Hz。最大输出光功率800mW,输入11mW,电流3mA。速率10Gb/s。
( 用于模拟信号的1.3μm半导体光放大器（Philips）--是一种增益箝置半导体光放大器（GC-SOA，gain-clamped semiconductor amplifier）。当输入信号超过线性限度时，增益不再箝住，而禁止发生非线性。经77路电视传输试验，效果良好。增益为21dB（输入信号为-12dBm）。信噪比>55dB,二次三次拍波优于-66dB。
( 8信道光波长选择开关（NTT）--可在8个波长的信号内，任意选择几个波长通过或不通过。用半导体光放大器（SOA）阵列作光开关。用AWG和SOA混合集成。4个SOA的尺寸是1200(1600μm。工作波长1550nm，波长间隔75GHz。传输损失3.2(3.9dB。
( 光驱动的微机械开关（LUCENT）--利用硅微加工工艺可制成光控的微型开关，整个尺寸约1(2mm。其工作机理是：用8个多晶硅PIN电池串联组成的光发电机，在光信号的驱动下，可产生3V电压，使电容板受电场吸引，把遮片升起，光纤开关处于开通状态。如无光信号，光发电机无电压输出，遮片下降，光纤开关关闭。用此开关可组成光纤线路倒换系统。该开关是由远端的光信号所控制，所以光开关本地是无源的。
3． 光纤通信系统
当前广泛使用的是2.5Gb/sSDH光纤通信传输系统。10Gb/s和WDM系统也有少量使用。
较早实现10 Gb/s WDM商用的是MCI公司，该公司的WDM线路从St.Louis到芝加哥全长275km，利用原有的G。652标准单模光纤加色散补偿，采用单纤双向WDM技术，总容量4(10 Gb/s =40 Gb/s（双向），使用了Nortel和日立提供的设备和Pirelli提供的WDM及EDFA技术。
AT&T、Lucent也建立了8(2.5 Gb/s和10 Gb/s的试验线路称为MONET，全长2000km，连通Craford 、Holmdel、华盛顿等地供内部使用。
各大公司的高水平实验室系统
表6 的前6个系统属超大容量系统，其试验的目的是探索1000 Gb/s系统的可能性和所需的技术，包括新型光纤，如TWF和LMF光纤，这些光纤属ITU G.655 光纤。为了克服在WDM系统运行时光纤的非线性产生的四波混频干扰，这些光纤具有少量色散和增大了有效面积。NTT和HHI的系统中采用了WDM和OTDM（光时分复用）相结合的技术，是挖掘光纤潜力较全面的途径。NEC公司2640 Gb/s WDM系统是目前世界容量最大的实验系统。
表上最后3个系统的容量不很大，分别为20(10 Gb/s、64(5 Gb/s、10 Gb/s，但传输距离很长，分别为9000km,、7200km、2000km，显然其目的是想尽早把现有的WDM和5(10 Gb/s技术推向商用。值得注意的是Tyco公司的WDM系统的信道间隔仅0.3nm（一般为0.8-1nm），水平较高。
表6 高水平光纤通信试验系统
总容量 方 式 距 离 光 纤 公 司 备注
1000 Gb/s WDM100(10 Gb/s 400km TWF Lucent
1100 Gb/s WDM55(20 Gb/s 150km 富士通
1000 Gb/s WDM100(10 Gb/s 600km SMF NTT
1000 Gb/s WDM10(100 Gb/s 40km NTT
（TDM10 (10 Gb/s）
640 Gb/s WDM8(80 Gb/s HHI
（TDM8 (10 Gb/s）
2640 Gb/s WDM132(20 Gb/s 120km NEC
200 Gb/s WDM20(10 Gb/s 9000km环测 DSF（90%）KDD
320 Gb/s WDM64(5 Gb/s 7200km环测 LMF Tyco 间隔0.3nm
10Gb/s 单路 20000km环测 N-DSF Alcatel
[影响]
从现在到2025年，光纤容量将超过每秒1万亿比特，新型光纤放大器将允许信号在几千英里的光纤上传输，每个网络节点的费用每5年下降一个数量级，光纤可作为全球通信网络的主干，光纤通信到2010年对居民用户来说是具有生命力的通信方式。光纤通信和卫星通信相结合，将成为远程通信的主要手段。
