时间:2023-03-03 15:56:48
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光通信技术中最有发展前景的当属光纤通信技术了,在最近几十年来发展最好最快的也是光纤通信技术。光纤通信技术的发展经历了三代,从工作波长为0.85μm的多模光纤通信逐渐发展为工作波长为1.3μm的单模光纤通信,并在此基础上发展到工作波长为1.55μm的光纤通信系统,这些年的进步很好的解决了光通信系统的色散问题。不仅如此在这些年光源也放上的很大的变化,发生了从发光二极管到半导体激光器的变化。半导体激光器的出现大大的提高了传输信息的效率,而且半导体激光器与二级发光体比较具有更高的功率和更长的使用寿命。光纤和光源的发展大大的缓解了信息衰减和色散的问题,加大了光纤的通信容量,提高了光纤通信的效率。另外在光网络协议方面也有了很大的发展。目前的技术种为了方便用户使用图像、数据、语音等业务,目前的重点是宽带接入网建设。宽带接入包括光纤、无线、同轴电缆和xDSL这几种方式,这些主要是基于分组交换方式的接入,其中以光纤接入为主。光纤接入分为有源方式接入和无源方式接入两种,即利用SDH或PDH为传输通道和无源光网络方式,光纤的非线性问题随着光纤放大器的广泛应用而逐渐显现出来。光纤的非线性主要指四波混频效应、自相位调制效应、交叉相位调制效应、受激喇曼效应、受激布里渊效应等。其中一些效应会使得系统的技术指标恶化,使得信号脉冲展宽、波型畸变、信号之间串扰。通过合理的使用某些非线性效应,我们可以研制出新型的光器件。
光通信技术的发展前景
1光纤通信技术的发展前景
为了更好的建设下一代网络就必须得构建一个拥有巨大传输容量的光纤基础设施,而由于光缆高达20年的寿命以及过高的造价,光纤基础设施的设计和构建必须具有前瞻性,应该结合设备和系统技术的发展趋势来设计。同时由于下一代电信网对容量的高要求以及频率的高宽度,这一代的光纤性能已经无法满足需求,必将被淘汰,那么开发新一代的光纤将势在必行。在G.652.A光纤的基础上进行改进并取得一定成果的G.652C/D光纤很好的解决了色散斜率的问题,减低系统成本,而且能实现更长距离和更大容量的传输。基于这些原因,具有更长使用寿命的新一代光纤必将得到更好的发展。
不同像差单独作用时
先来考查倾斜、离焦、彗差及像散这4种像差对系统可靠性的影响。把表1的数据代入(13)式,并对倾斜、离焦、彗差及像散的像差进行归一化处理,即令W1x,W20,W31,W22分别除以λ,以此作为自变量,依次把(9)~(12)式代入(13)式进行运算,并对所得误码率进行以10为底的对数变换,得到图1和表2所示的像差与误码率关系。
图1横坐标表示归一化的像差系数,纵坐标是取对数后的误码率。从图看到,对于星间相干光通信接收系统其可靠性容易受各种像差的影响。从图1两坐标轴的起点和表2第1列数据可以看到,在表1设定的参数下,在没有像差的影响的情况下,系统最小误码率接近10-8;当有像差时,从图中4条曲线并比较表格第2~5行的数据,可以看到,接收系统的误码率随着像差的增加而递增,其中倾斜像差对接收系统误码率的影响最大,离焦和彗差相当,而像散的影响最小。若以εBER≤10-6为标准,系统能承受的最大倾斜像差W1x仅为0.2λ,最大离焦W20及彗差W31大约为0.32λ,最大像散W22不超过0.41λ。可能的原因是:系统一旦有倾斜像差,信号光束将完全偏离焦点,它与本振光束所形成的有效混频区域锐减,从而混频效率急降,使误码率快速攀升。离焦像差将使信号光束的聚焦光斑沿光轴在焦点前后变动,从而改变焦点处的光斑质量,影响它与本振光斑在焦点处的混频效果,使误码率上升;与倾斜像差导致的混频面积减少相比,这种信号光束聚焦特性的劣变是温和的,所以离焦像差对系统可靠性的影响比倾斜像差小。另外,考虑到接收光学系统已经进行过高阶像差的优化设计,且采取了抗扰动措施,所以彗差与像散的影响将更小,这也从侧面说明优化设计后的系统无需考虑更高阶像差的影响。
像差间的相互校正
根据文献[7],倾斜像差与彗差之间、离焦与像散之间具有部分校正效应,接下来将进行比较分析。此时把(11)式改写成(14)式,而(12)式改写成(15)式。把(14),(15)式分别代入(13)式,并采用归一化像差系数,令W31/λ和W22/λ分别取:0.00,0.25,0.50,0.75,1.00,得到图2,3和表3,4所示结果。
图2表示倾斜像差与彗差之间的校正效果。以εBER≤10-6为标准,当倾斜像差W1x/λ=0,从纵坐标轴上看,彗差W31/λ=0.50时,系统的误码率接近10-4,已超出标准2个数量级;当W31/λ=1.00时,误码率更是接近10-2。所以,若对彗差不进行校正,随着其数值的增大,误码率呈指数增长。但是,从图2也可看到,对于归一化的彗差W31/λ,可以通过调整归一化的倾斜像差W1x/λ来部分校正,从而降低系统误码率,提升系统可靠性。譬如,同样是W31/λ=0.50,但只要调整W1x,使W1x/λ大致在-0.34~-0.24之间,则可以维持误码率εBER≤10-6。不仅如此,从图2来看,即便W31/λ=1.00,只要W1x/λ大致在-0.44~-0.66之间,误码率依然可以小于等于10-6,而此时若不进行校正,误码率已接近10-2。因此,当W31/λ≤1.00时,为了保证系统误码率εBER≤10-6,通过调整W1x,倾斜像差与彗差之间能实现部分相互校正。
表3给出了通过调整倾斜来校正彗差而提升系统误码性能的效果。观察第4~7行,单独看每行时,发现随着归一化倾斜像差系数-W1x/λ绝对值的递增,误码率会经历变小、稳定、再变大的过程,这正是倾斜对彗差校正的体现,且对于不同取值的彗差,有相应的最佳倾斜调整参数,譬如当W31/λ=0.25时,令-W1x/λ=0.16,系统误码率由补偿前的10-6.7降低至最小值10-7.7,系统误码性能提升一个数量级;而比较第4、5、6、7行的数据,可以看到,随着彗差的增大,倾斜对其校正效果越来越弱。
回顾(8)与(14)式,可以发现,彗差W31ρ3cosθ(其中W31=W131H)与x方向性的倾斜W1xρcosθ具有相似性。对于相同的θ,若令ρ取1,则彗差由W31决定,而倾斜由W1x决定,因此,只要两者取值相反,便能相互抵消,从而提高混频效率,降低误码率。对于W1yρcosθ有相同的结论。
二、“光纤通信”课程理论教学方法与实践
1.理论教学过程中的理论分析应从简单递进难度。例如,我们在教学实践过程中学习光纤中的光传输理论时,先讨论学生较熟悉的几何光学法的全反射传输理论,再分析光在光纤中遵循的电磁理论,提出麦克斯韦方程组,并进行严格推导和详细讨论。
2.教学中应适当展开课堂讨论。对于一些较简单并有一定重复性的内容,可以采取课堂讨论的教学模式。由于,光纤制造和光缆制作工艺相对简单易懂,制造过程和方法有很多种。因此,对以上内容进行课堂讨论形式教学。预先把学生分成几组,每组选择2~3个题目,之后收集资料、制作PPT、充分备课。课堂上每组选出1~2个学生,上讲台利用15~25分钟的时间对特定题目进行讲解,讲完后其他成员可以提问,相互讨论。通过以上教学环节,本是一些繁杂的内容从不同讲解者的不同风格再现出来,课堂气氛积极活跃,讲授内容丰富多彩。同时讲解者完成了选题目、制作PPT及备课讲课等全过程,这对即将毕业的学生是一个展现自己、锻炼自己的好机会。
3.教学过程中适当展示实际器件或相关案例。光纤通信是一门要求理论与实践相结合的课程。除了规定的实验课外,在理论教学过程中应该注意理论与实际相结合。在理论教学过程中,涉及一些实际光学元件和设备时,比如,连接器、耦合器、光纤光栅和激光器等,课堂上尽量展示实物及说明书,并说明其在通信网络中的具置和作用。不仅可以活跃课堂气氛,还可以巩固教学内容,留下深刻印象。比如,设计光纤分类和工艺等内容时,我们尽量引入许多国内外的著名企业并展示其相关光纤产品。我国已拥有长飞、亨通、烽火、富通、中天、永鼎、通光、汇源等光缆企业及特发、成康、北康、侯马、富春江、天虹、宏安、华伦、华达、华新、港龙、通鼎、西古、法尔胜等一大批骨干企业。2006年,国内市场光缆总量达2000万芯公里,出口光缆470万芯公里,总产销2470万芯公里以上。2000~2012年,我国光纤需求量增加了整整24倍,年增长率达30%。2006年中国光纤需求量仅占全球的25%左右,至2012年,这一市场份额已超过了50%。光缆总体技术水平已达国际先进水平,主要企业的主要产品指标领先国际先进水平,产品种类规格基本齐全(海底越洋光缆尚差)[5]。
4.概念与其背景相联系。每一学科与每一门课程都具有相应的概念和理论。其中一些现象的发现、一些概念的提出有其历史背景和条件。在光通信,特别是光孤子通信属于这一类,孤子这个名词首先是在流体力学中提出的,其概念可以追溯到1844年英国工程师SocttRussel在《波动论》中记录的一段于1834年8月在爱丁堡一戈拉斯高运河上的一次经历。讲授该内容时,我们抓住其独特的历史,回顾一下当年的发现,活跃课堂气氛,形象准确地理解概念。
5.理论分析与科研成果相联系。在教学实践中应用科技论文,可以使学生对教学内容掌握得更好,同时对科技论文的查阅、内容格式和写作等进一步了解,对以后毕业论文,乃至科研工作有一定的引导作用。对科技论文的选取要注意以下几点:文章的主题符合课程相关内容;科技论文的难度要适当;科技论文作者及其单位在行业有一定的影响力;最后,科技论文内容为该领域研究热点[2]。比如,讲授完光纤结构、制造工艺和传输理论之后,组织学生学进延(烽火通信科技有限公司)的《S-C-L三波段传输新型单模光纤的设计和研究》和专利《一种新型低色散光纤》[3]。通过分析科技论文巩固所学知识,进一步理解提出问题、解决问题,并把成果撰写成科技论文或申请专利的整体过程,提升学生的科学素养,培养学生综合能力。
6.实验、课程设计和仿真模拟。在实践教学环节,我们针对性地开设了12个典型实验。除此之外,结合理论与实践,设置了计算机仿真的课程设计内容。仿真是利用模型复现实际系统中发生的本质过程,并通过对系统模型的实验研究存在的或设计中的系统[6]。很多情况下,因受到实验条件限制,光纤通信中经实际操作,用实验结果证实和分析的内容有限。此时,我们可以学习和利用仿真技术,主要是利用一些光纤通信领域功能较强的模拟软件设计光纤通信器件和光纤通信系统。对光纤通信网络的模拟,参数调整和结果分析加深对实际通信网络的了解,分析其存在的问题,提出解决方案。
2光纤通信技术发展特点
2.1扩大了单一波长传输的容量
当今社会仅单一波长传输的容量就高达40Gbit/s,并且相关部门在这个基础上已经开始研究160Gbit/s的传输技术。在研究40Gbit/s以上的传输技术时,应该对光纤的PMD做出具体的要求。2002年,美国优先在LTU-TSG15会议中提出了将新的光纤类别引入40Gbit/s系统的倡议。并且认为在PMD传输中一些问题有待探讨。我们坚信在不久的将来,举世瞩目的专门的40Gbit/s的光纤类型将会出现。
2.2超长距离的传输
在传输网络的骨干中,理想的传输形式莫过于无中继的传输。迄今为止,一部分公司正在采用的技术是色散齐理,它能够实现:最短2000千米至最长5000千米的无电中继类型的传输。另一部分公司正在不断改进,提升完善光纤指标,应用拉曼光,放大光传输距离的延长。
2.3适应DWDM运用
普遍应用的是32×DWDM系统,64×和32×10Gbit/s的系统正在研发中,已经取得了不小的进展。DWDM技术得到了广泛的应用,各研究机构必须加强光纤非线性标准的严格控制。最新推出的ITU-T技术很好地针对光纤制定了测试方法标准,完成了非线性属性的标准。明确非线性的测试指标,提出有效面积的相应指标,尤其要完善光纤的非线性的特性。
3光纤通信发展现状
3.1普通光纤发展现状
我们最常见的光纤就是普通光纤。光通信技术的进步,系统逐步发展,单一波长信息容量和光中继距离的加大G652光纤的性能产生了进一步提升的可能,表现在不同的区域,一种符合ITUTG654规定截止波长的单模光纤,还有符合G653规定的单模光纤,做出了发展性完善。
3.2核心网发展现状
我国的几大干线已经全面地采用了光缆,多模的光纤遭到合理淘汰,全面实施单模光纤。常用的有G652和G655两种光纤。G653在我国初步使用后,今后不会继续发展。G654也因为不能实现该种通信方式系统容量的大幅度增加,因此从来没有使用到我国陆地光缆中。干线光缆主要在室外,多数使用分立光纤,这些光缆中的旧式结构已经停用。
3.3接入网光缆发展现状
接入网的光缆具有分支多、距离短、分差频繁等特点,通常通过增多光纤芯数的方法来增加网容量。由于市内管道的管道内径一定,结合光纤的芯数增多和集装密度的增大减轻光缆重量,缩小光缆直径十分重要。接入网通常采用的是G652单模光纤或者是G652C低水峰的单模光纤。后者在我国只有少量投入使用。
3.4室内光缆发展现状
室内光缆通常需要能够满足不同的要求,具备多种功能。比如说数据、话音以及视频信号的传送,还可能在遥控和传感器中得到应用。IEC的电缆分类中,指出了室内光缆。它至少要包括两大部分,即局内光缆与综合布线。综合布线的光缆一般布放在室内的用户端,主要用途就是供用户使用,因此必须要全面考虑到它的易损性。局用光缆主要布放在中心局以及其他各类电信机房内,布放的位置相对固定。
3.5通信光缆在电力线路内
光纤只是一种介电质,光缆却可以是一种全介质,而且是完全无金属的。这种全介质的光缆将会成为电力系统中最理想的线路。在电线杆的敷设中普遍应用两种全介质光缆的两种主要结构:一种是用于架空地线的缠绕式的结构,另一种是全介质自承式的结构。因为全介质自承式的结构可以单独地布放,适应范围广,在我国当下的电力系统改造过程中得到了广泛实施。国内已经生成许多种类达到市场要求的ADSS光缆,但是在其产品的结构和性能等方面还需要更进一步的完善。
4光纤通信的主要应用形式
在光纤通信的各种应用形式中,最普遍最常见的就是电子公文。当代社会的信息化逐渐发达,网络用户需求不断上涨,无纸化办公成为一种时尚。这就出现了电子公文。
4.1电子公文与纸质公文的共性和差别
纸质办公是一种传统的办公模式,在历经了多年的传承之后,在为人们传递信息的同时也暴露出了许多的问题,类似于容易流失,耗费资源,流转较慢等。电子公文的产生就有了很大的区别。虽然两者都是信息流传的载体,但是电子公文具有显而易见的优越性。现代化信息社会必须有无纸化,在此基础上朝着网络化、信息化、科学化、自动化、智能化的趋势快速发展。
4.2电子公文的必要性
传统观念认为电子公文要应用计算机操作,十分不便,更加依赖于直观的纸质公文,但是纸质公文存在严重的资源浪费、信息遗失和字迹模糊等缺陷,所以,电子公文代替纸质公文始终是必然的趋势。相对于纸质公文在日常工作中的收文登记,承办传阅过程中对手工以及腿功的依赖,以及在领导外出时,公文传递的不便,电子公文只需要一台电脑和一根网线就能够轻松地解决问题,而且保证省时省力,可复制,可粘贴,可备份,超值又有效。利用空间小,保存时间久,受外界因素影响小。
4.3电子公文技术问题
电子公文要想能够实现无纸化的办公条件,必须依靠人们的共同努力,制造出一套良好的、完善的、实用的管理制度,保证电子公文的高效性和安全性,避免公文的非法泄露。电子公文是信息传播的载体,是传递讯息的渠道,随着现代化办公水平的提高,电子公文的质量也必须精益求精。所以,必须明确电子公文的几项专业技术,抓住进步的空间。电子公文不能满足于现有的硬件配置。在软件设计方面存在功能上、安全性、操作中的缺陷。实际应用过程中,计算机操作人员的技术掌握和应用能力不到位。软件的后续升级不及时,其他软件系统的兼容性存在问题。
5光纤通信的发展与展望
就光纤通信的具体应用的详细分析,让我们更好地了解了光纤通信技术。光纤通信技术已经成为现代化信息时代的必要性存在。现在从关键点回复到光纤通信的全局考虑,光纤通信的未来发展趋势十分可观。可发展的趋势涉及很多领域,下面就让我们进入深入详细的探讨。
5.1光网络智能化
光网络智能化的实现是在光纤通信技术当中十分关键的研发方向,在光纤通信技术将近40年的发展历程中,传输一直占据着主要地位,成为光通信技术的干线。伴随着计算机技术的连续进步和发展,完美地将通信技术与计算机技术结合起来,促使网络技术发生更高层次的发展和进步。现代光网络在实现传输的同时,结合了连续控制技术、自动发现能力和更加完善实用的保护和恢复功能系统,真正实现了光网络的智能化。
5.2全光网络
全光网络是光纤通信技术在发展过程中的最高层次,是光线技术发展到顶端的最理想阶段,也是未来通信网络将要发展成为的最终目标,也就是说未来的通信网络就是属于全光的时代。原始的全光网络对于实现节点处的全光化虽然是可操作的,但是在各网络节点处采用的仍然是电器件,这就会阻碍光纤通信容量的稳步提升,所以,全光网络就是光纤通信网络不断发展的终极目标。
5.3光器件集成化
在光电子器件发展的过程中,追求的就是光器件集成化的真正实现。考虑到全光通信网络实现过程中的关键点,器件的集成十分重要,器件的集成更是全光网络通信技术的核心技术。将检测器、激光器、调制器和其他类型的集成芯片集成到一个芯片中才能完成光子集成芯片的制造。这些集成是通过往不同材料的各种薄膜介质表层上的连续沉积来实现的,主要应用的材料有磷化铟和砷化铟镓等等。这是一种十分复杂的技术,但是由于传统互联网接入技术有限,接入带宽不足,以及现代互联网多媒体的发展需求,单纯地通过改良设备来扩大宽带,提高速度的做法是很不现实的,我们必须实现光器件的集成,从而保证光纤通信的发展核心坚固扎实。