关于光纤通信技术的论述

摘要：具有损耗低、传榆频带宽、容量大、体积小、重量轻等优点的光纤通信备受业人士青睐，发展非常迅速，文章概述光纤通信技术的组成结构、分类、特点以及取得的成就。

关键词：光纤通信技术分类 特点成就

中图分类号：C35文献标识码： A

一、光纤的概述

光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外,在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件的形式出现。

光纤通信之所以发展迅猛,主要缘于它具有以下优点:

1)通信容量大、传输距离远;

2)信号串扰小、保密性能好;

3)抗电磁干扰、传输质量佳;

4)光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输;

5)材料来源丰富,环境保护好;

6)无辐射,难于窃听;

7)光缆适应性强,寿命长。

二、组成结构及分类

就光纤通信技术本身来说，应该包括以下几个主要部分：光纤光缆技术、光交换技术传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。

特种光纤具体有以下几种：

1. 有源光纤

这类光纤主要是指掺有稀土离子的光纤。如掺铒（Er3+）、掺钕（Nb3+）、掺镨（Pr3+）、掺镱（Yb3+）、掺铥（Tm3+）等，以此构成激光活性物质。这是制造光纤光放大器的核心物质。不同掺杂的光纤放大器应用于不同的工作波段，如掺饵光纤放大器(EDFA）应用于1550nm附近（C、L波段）；掺镨光纤放大器（PDFA）主要应用于1310nm波段；掺铥光纤放大器（TDFA）主要应用于S波段等。这些掺杂光纤放大器与喇曼（Raman）光纤放大器一起给光纤通信技术带来了革命性的变化。它的显著作用是：直接放大光信号，延长传输距离；在光纤通信网和有线电视网（CATV网）中作分配损耗补偿；此外，在波分复用（WDM）系统中及光孤子通信系统中是不可缺少的关键元器件。正因为有了光纤放大器，才能实现无中继器的百万公里的光孤子传输。也正是有了光纤放大器，不仅能使WDM传输的距离大幅度延长，而且也使得传输的性能最佳化。

2. 色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber，DCF)

常规G.652光纤在1550nm波长附近的色散为17ps/nm×km。当速率超过2.5Gb/s时，随着传输距离的增加，会导致误码。若在CATV系统中使用，会使信号失真。其主要原因是正色散值的积累引起色散加剧，从而使传输特性变坏。为了克服这一问题，必须采用色散值为负的光纤，即将反色散光纤串接入系统中以抵消正色散值，从而控制整个系统的色散大小。这里的反色散光纤就是所谓的色散补偿光纤。在1550nm处，反色散光纤的色散值通常在-50~200ps/nm×km。为了得到如此高的负色散值，必须将其芯径做得很小，相对折射率差做得很大，而这种作法往往又会导致光纤的衰耗增加（0.5~1dB/km）。色散补偿光纤是利用基模波导色散来获得高的负色散值，通常将其色散与衰减之比称作质量因数，质量因数当然越大越好。为了能在整个波段均匀补偿常规单模光纤的色散，最近又开发出一种既补偿色散又能补偿色散斜率的"双补偿"光纤（DDCF）。该光纤的特点是色散斜率之比（RDE）与常规光纤相同，但符号相反，所以更适合在整个波形内的均衡补偿。

3. 光纤光栅（Fiber Grating)

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在紫外光的照射（通常称为紫外光"写入")下，于光纤芯部产生周期性的折射率变化（即光栅）而制成的。使用的是掺锗光纤，在相位掩膜板的掩蔽下，用紫外光照射（在载氢气氛中），使纤芯的折射率产生周期性的变化，然后经退火处理后可长期保存。相位掩膜板实际上为一块特殊设计的光栅，其正负一级衍射光相交形成干涉条纹，这样就在纤芯逐渐产生成光栅。光栅周期模板周期的二分之一。众所周知，光栅本身是一种选频器件，利用光纤光栅可以制作成许多重要的光无源器件及光有源器件。例如：色散补偿器、增益均衡器、光分插复用器、光滤波器、光波复用器、光模或转换器、光脉冲压缩器、光纤传感器以及光纤激光器等。

4. 多芯单模光纤（Multi-Coremono-Mode Fiber，MCF)

多芯光纤是一个共用外包层、内含有多根纤芯、而每根纤芯又有自己的内包层的单模光纤。这种光纤的明显优势是成本较低，生产成本较普通的光纤约低50%。此外，这种光纤可以提高成缆的集成密度，同时也可降低施工成本。以上是光纤技术在近几年里所取得的主要成就。至于光缆方面的成就，我们认为主要表现在带状光缆的开发成功及批量化生产方面。这种光缆是光纤接入网及局域网中必备的一种光缆。目前光缆的含纤数量达千根以上，有力地保证了接入网的建设。

三、当前取得的成就

光有源器件

光有源器件的研究与开发本来是一个最为活跃的领域，但由于前几年已取得辉煌的成果，所以当今的活动空间已大大缩小。超晶格结构材料与量子阱器件，目前已完全成熟，而且可以大批量生产，已完全商品化，如多量子阱激光器（MQW-LD，MQW-DFBLD）。

除此之外，目前已在下列几方面取得重大成就。

1. 集成器件

这里主要指光电集成（OEIC）已开始商品化，如分布反馈激光器(DFB-LD）与电吸收调制器(EAMD）的集成，即DFB-EA，已开始商品化；其它发射器件的集成，如DFB-LD、MQW-LD分别与MESFET或HBT或HEMT的集成；接收器件的集成主要是PIN、金属、半导体、金属探测器分别与MESFET或HBT或HEMT的前置放大电路的集成。虽然这些集成都已获得成功，但还没有商品化。

2. 垂直腔面发射激光器(VCSEL)

由于便于集成和高密度应用，垂直腔面发射激光器受到广泛重视。这种结构的器件已在短波长（ALGaAs/GaAs）方面取得巨大的成功，并开始商品化；在长波长（InGaAsF/InP）方面的研制工作早已开始进行，目前也有少量商品。可以断言，垂直腔面发射激光器将在接入网、局域网中发挥重大作用。

3. 窄带响应可调谐集成光子探测器

由于DWDM光网络系统信道间隔越来越小，甚至到0.1nm。为此，探测器的响应谱半宽也应基本上达到这个要求。恰好窄带探测器有陡锐的响应谱特性，能够满足这一要求。集F-P腔滤波器和光吸收有源层于一体的共振腔增强（RCE）型探测器能提供一个重要的全面解决方案。

4. 基于硅基的异质材料的多量子阱器件与集成（SiGe/Si MQW)

这方面的研究是一大热点。众所周知，硅（Si）、锗（Ge）是间接带隙材料，发光效率很低，不适合作光电子器件，但是Si材料的半导体工艺非常成熟。于是人们设想，利用能带剪裁工程使物质改性，以达到在硅基基础上制作光电子器件及其集成（主要是实现光电集成，即OEIC）的目的，这方面已取得巨大成就。在理论上有众多的创新，在技术上有重大的突破，器件水平日趋完善。

结束语

21世纪以来,光通信技术取得了长足的进步,但这些进步的取得,是包括光传输媒质、光电器件、光通信系统,以及网络应用等多方面技术共同进步的结果。随着光通信技术进一步发展,必将对21世纪通信行业的进步,乃至整个社会经济的发展产生巨大影响。

参考文献：

[1]李玲，黄永清.光纤通信基础.国防工业出版社.2003，9：1～6.

[2]中华人名共和国邮电部 光导纤维通信系统简介2009-07-02