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    光纖通信發展趨勢是怎樣的 光孤子通信系統介紹【詳解】

    發布時間:2021-04-09 00:30:13 已有: 人閱讀

      光纖通信一直是推動整個通信網絡發展的基本動力之一,是現代電信網絡的基礎。本文對光纖通信的主要發展趨勢作一簡述與展望,包括納米技術與光纖通信、光交換、PON、光孤子通信。

      光纖通信的誕生與發展是電信史上的一次重要,光纖通信技術發展所涉及的范圍,無論從影響力度還是影響廣度來說都已遠遠超越其本身,并對整個電信網和信息業產生深遠的影響。它的演變和發展結果將在很大程度上決定電信網和信息業的未來大格局,也將對社會經濟發展產生巨大影響。

      納米是長度單位,為10-9米,納米技術是研究結構尺寸在1至100納米范圍內材料的性質和應用。建立在微米/納米技術基礎上的微電子機械系統(MEMS)技術目前正在得到普遍重視。在無線終端領域,對微型化、高性能和低成本的追求使大家普遍期待能將各種功能單元集成在一個單一芯片上,即實現SOC(System On a Chip),而通信工程中大量射頻技術的采用使諸如諧振器,濾波器、耦合器等片外分離單元大量存在,MEMS技術不僅可以克服這些障礙,而且表現出比傳統的通信元件具有更優越的內在性能。德國科學家首次在納米尺度上實現光能轉換,這為設計微器件找到了一種潛在的能源,對實現光交換具有重要意義。

      可調光學元件的一個主要技術趨勢是應用MEMS技術。MEMS技術可使開發就地配置的光器件成為可能,用于光網絡的MEMS動態元件包括可調的激光器和濾波器、動態增益均衡器、可變光衰減器以及光交叉連接器等。此外,MEMS技術已經在光交換應用中進入現場試驗階段,基于MEMS的光交換機已經能夠傳遞實際的業務數據流,全光MEMS光交換機也正在步入商用階段,繼朗訊科技公司的“Lamda-Router”光MEMS交換機之后,美國Calient Networks公司的光交叉連接裝置也采用了光MEMS交換機。

      光交換是指光纖傳送的光信號直接進行交換。長期以來,實現高速全光網一直受交換問題的困擾。因為傳統的交換技術需要將數據轉換成電信號才能進行交換,然后再轉換成光信號進行傳輸,這些光電轉換設備體積過于龐大,并且價格昂貴。而光交換完全克服了這些問題。因此,光交換技術必然是未來通信網交換技術的發展方向。

      未來通信網絡將是全光網絡平臺,網絡的優化、路由、保護和自愈功能在未來光通信領域越來越重要。光交換技術能夠保證網絡的可靠性,并能提供靈活的信號路由平臺,光交換技術還可以克服純電子交換形成的容量瓶頸,省去光電轉換的笨重龐大的設備,進而大大節省建網和網絡升級的成本。若采用全光網技術,將使網絡的運行費用節省70%,設備費用節省90%。所以說光交換技術代表著人們對光通信技術發展的一種希望。

      目前,全世界各國都正在積極研究開發全光網絡產品,其中關鍵產品便是光變換技術的產品。目前市場上的光交換機大多數是光電和光機械的,隨著光交換技術的發展和成熟,基于熱學、液晶、聲學、微機電技術的光交換機將會研究和開發出來,其中以將納米技術為基礎的微電子機械系統MEMS應用于光交換產品的開發更會加速光交換技術的發展。

      無源光網絡是一種很有吸引力的純介質網絡,避免了外部設備的電磁干擾和雷電影響,減少了線路和外部設備的故障率,提高了系統可靠性,同時節省了維護成本,是電信維護部門長期以來期待的技術。無源光網絡作為一種新興的覆蓋“最后一公里”的寬帶接入光纖技術,其在光分支點不需要節點設備,只需安裝一個簡單的光分支器即可,因此具有節省光纜資源、帶寬資源共享、節省機房投資、設備安全性高、建網速度快、綜合建網成本低等優點。

      PON包括APON、EPON和GPON三種。ATM-PON(APON,即基于ATM的無源光網絡),APON在傳輸質量和維護成本上有很大優勢,其發展目前已經比較成熟,國內的烽火通信、華為等廠商都有實用化的APON產品。

      Ethernet-PON(EPON,基于以太網的無源光網絡),EPON是基于以太網的無源光網絡,為了克服APON標準缺乏視頻能力、帶寬不夠、過于復雜、造價過高等缺點、EPON應運而生。EPON的基本作法是在G.983的基礎上,設法保留物理層PON,而以以太網代替ATM作為二層協議,構成一個可以提供更大帶寬、更低成本和更寬業務能力的新的結合體。

      GPON(Gigabit PON),GPON是一種按照消費者的需求而設計、運營商驅動的解決方案。具有高達2.4Gb/s速率,能以原格式傳送多種業務,效率高達90%以上,是目前世界上最為先進的PON系統,是解決“最后一公里”瓶頸的理想技術。

      在常規的線性光纖通信系統中,光纖損耗和色散是限制其傳輸容量和距離的主要因素。由于光纖制作工藝的不斷提高,光纖損耗已接近理論極限,因此光纖色散已成為實現超大容量、超長距離光纖通信的“瓶頸”,亟待解決。人們用了一百多年的時間來探討,發現由光纖非線性效應所產生的光孤子可以抵消光纖色散的作用,利用光孤子進行通信,可以很好解決這個問題,從而形成了新一代光纖通信系統,也是21世紀最有發展前途的通信方式。

      任何事物都是在發展中前進,光通信在超長距離、超大容量發展進程中,遇到了光纖損耗和色散的問題,限制了其發展的空間。科學家和業內人士受自然界的啟發,發現了特殊的光孤子波,人們設想在光纖中波形、幅度、速度不變的波就是光孤子波。利用光孤子傳輸信息的新一代光纖通信系統,真正做到全光通信,無需光、電轉換,可在超長距離、超大容量傳輸中大顯身手,是光通信技術上的一場。

      當前的光纖通信屬線性光纖通信系統。線性光纖通信容量比電纜通信容量大10億倍,一根比頭發絲還細的光纖可以傳輸幾萬路電線根光纖組成的光纜,每天可通線根銅線組成的電纜,每天只能通線人次。線性光纖通信還具有不受大氣干擾、中繼距離長、信息容量大、重量輕、占空小、抗電磁干擾強、絕緣性好、串話小、保密性強等優點,是當今最好最主要的信息傳輸方式。

      我們知道光纖的損耗和色散是限制線性光纖通信系統傳輸距離和容量的兩個主要因素,尤其在Gbit/s以上的高速光纖通信系統中,色散將起主要作用,即由于脈沖展寬將使系統容量減少,傳輸的距離受到限制。

      光脈沖在光纖中傳輸時有光損耗,這就使光的能量不斷地衰減,為了實現長距離的傳輸,就得在一定距離上建立中繼站,以使衰減的光信號增強,中繼站是由檢測器、調制器和激光器所組成的光電組合系統。要達到高傳輸速率,檢測器和強度調制器已受到電子響應時間的限制,中繼站的造價也十分昂貴,限制了線性光纖通信系統傳輸速率的進一步提高。

      目前,在1.55m波長處,光纖損耗己做到0.18dB/km,使光信號無中繼傳輸距離達100km,這一數值已接近理論極限值0.1dB/km,在光纖損耗方面已無太大潛力可挖。

      光的色散指的是由于物質的折射率與光的波長有關系而發生的一種現象。對于一定物質,折射系數n是波長的一定函數:

      由于任一光脈沖都可以表示為不同頻率分量的組合,當色散效應存在時,使得光脈沖中不同頻率分量的運動速度不一致,這樣就使得光脈沖在傳輸過程中發生變形。研究表明,在光纖的正常色散區域中和反常色散區域中,光脈沖傳輸的特性是不同的。在光纖的正常色散區域中,光脈沖的較高頻率分量(藍移)比較低的頻率分量(紅移)傳輸得慢,而在光纖的反常色散區域中,藍移比紅移傳輸得快,其群速度色散(GVD,Group Velocity Dispersion)效應的最終結果導致光脈沖展寬。所以色散便是線性光纖通信系統繼續提高的主要阻力。解決這一難題的是非線性光纖通信系統光孤子通信系統。

      目前已提出的光孤子通信實驗系統的構成方式種類較多,但其基本部件卻大體相同,圖1所示即為其基本組成結構。

      圖中的孤子源并非嚴格意義上的孤子激光器,而只是一種類似孤子的超短光脈沖源,它產生滿足基本光孤子能量、頻譜等要求的超短脈沖。這種超短光脈沖,在光纖中傳輸時自動壓縮、整形而形成光孤子。電信號脈沖源通過調制器將信號載于光孤子流上,承載的光孤子流經EDFA放大后進入光纖傳輸。沿途需增加若干個光放大器,以補償光脈沖的能量損失。同時需平衡非線性效應與色散效應,最終保證脈沖的幅度與形狀穩定不變。在接收端通過光孤子檢測裝置、判決器或解調器及輔助裝置實現信號的還原。

      光孤子在使用EDFA的系統中能穩定傳輸的特性是光孤子通信能實用的一個關鍵。因為光纖的損耗不可避免要消耗孤子能量,當能量不滿足孤子形成的條件時,脈沖喪失孤子特性而展寬,但只要通過EDFA摻鉺光纖放大器給孤子補充能量,孤子即自動整形。利用孤子這一特性,可進行全光中繼,不再需要像常規光纖通信系統那樣在中繼站進行光電光的轉換,實現了全光傳輸,一般每30~50km加一個EDFA,是一種集總式能量補充方式。

      預加重技術,也稱為動態光孤子通信。在上述集總式能量補充系統中,即使光纖的色散有抖動,這種孤子也是穩定的。在放大器的間距與孤子的特征長度可比擬時,如果使進入光纖的脈沖峰值功率大于基態孤子所要求的峰值功率,則所形成的孤子也能長距離穩定傳輸,這種技術通常被稱為預加重技術,也稱為動態光孤子通信。

      所謂戈登豪斯效應是一種抖動。采用放大器的自發輻射噪聲,是一種不可避免的熱噪聲,它與孤子相互作用后,造成孤子中心頻率的隨機抖動,進而引起孤子到達接收端的抖動,即戈登豪斯效應。這一效應是限制孤子傳輸系統容量、放大器間隔等系統指標的重要因素。解決的辦法是在放大器后加一個帶通濾波器即能較好的抑制戈登豪斯效應。

      光孤子也可實現波分復用,即利用不同波長的光孤子在同一光纖中傳輸;也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纖中傳輸,即偏振復用,進一步提高傳輸質量和容量。

      光孤子通信克服了色散的制約,當光強度足夠大時會使光脈沖變窄,脈沖寬度不到一個ps,可使光纖的帶寬增加10~100倍,極大地提高了傳輸容量和傳輸距離,尤其是當光速度超過10Gbit/s時,光孤子傳輸系統顯示出明顯的優勢。光孤子通信作為新一代光纖通信系統在洲際陸地通信和跨洋通信等超長距離、超大容量通信系統中大顯身手。

      光孤子通信系統不但容量大、頻帶寬、增益高,更可貴的是它能夠從根本上改進現有通信中的光電器件和光纖耦合所帶來的損耗和兼容問題,是一場光纖通信的。

      光孤子通信系統由于沒有使用電子元件,可以在很高的溫度下工作,甚至是1000度的高溫。這對高溫條件下的自動控制或測量具有劃時代的意義,為人類提供了新的理想的傳輸系統,意義重大。

      非線性光纖光孤子通信是一種全新的超高速、大容量、超長距離的通信技術。信息傳輸容量比現在最好的線性光纖通信系統還要高出1至2個數量級。該系統將成為21世紀的主要通信系統。

      光孤子通信以其巨大的應用潛力和發展前景令世人矚目,尤其是EDFA技術的迅速發展使得幾十至幾百吉比特率,幾千至幾萬公里的信息傳輸變得輕而易取。如此美好的應用前景、如此誘人的事業,一定會吸引國內外眾多科技人員為之努力貢獻。本世紀初葉就會看到光孤子通信實用化的到來。在結束本文之前我們用圖2來表示光孤子通信的現狀與展望。

      從圖2可見,三個坐標分別表示傳輸距離、傳輸速度和EDFA的性能,圖中的陰影部分表示目前的現狀,三個軸所表示發展方向,表示未來的前景和達到的性能指標。

      從光纖通信的發展趨勢來看,完全有理由認為光纖通信進入了又一次蓬勃發展的新。而這一次發展涉及的范圍更廣,技術更新更難,影響力和影響面也更寬,勢必對整個電信網和信息業產生更加深遠的影響。它的演變和發展結果將在很大程度上決定電信網和信息業的未來大格局,也將對下一世紀的社會經濟發展產生巨大影響。

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