光纤通信技术的应用与发展＊

2013-11-23张允洁

舰船电子工程 2013年9期

张允洁

（哈尔滨工业大学电子与信息工程学院哈尔滨 150001）

1 引言

光纤通信（Fiber-optic communication）是指一种利用光与光纤（optical fiber）传递信息的一种方式。光纤通信具有传输容量大，保密性好等许多优点。光纤通信现在已经成为当今最主要的有线通信方式。将需传送的信息在发送端输入到发送机中，将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上，然后将已调制的载波通过传输媒质传送到远处的接收端，由接收机解调出原来的信息。本文就光纤通信技术应用、发展动向、发展分析等，作进一步的研究和探讨［1］。

2 光纤通信技术

光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术［2］。

2.1 原理

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

2.2 基本组成

光纤传输系统主要由：光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各种无源光器件构成。要实现通信，基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后送到光纤传输系统完成通信过程。典型的数字光纤通信系统如图1所示。

发送端的电端机把信息（如话音）进行模／数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，输出发出携带信息的光波。光波经光纤传输后到达接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数／模转换，恢复成原来的信息。

图1 网络中心战三级体系结构

1）光发信机。光发信机是实现电／光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。

2）光收信机。光收信机是实现光／电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。

3）光纤或光缆。光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

4）中继器。中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。

5）光纤连接器、耦合器等无源器件。由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1km）。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。所以，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

2.3 优点

1）通信容量大、传输距离远。一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。目前400Gbit／s系统已经投入商业使用。光纤的损耗极低，在光波长为1.55μm附近，石英光纤损耗可低于0.2dB／km，这比目前任何传输媒质的损耗都低。因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。

2）信号干扰小、保密性能好。

3）抗电磁干扰、传输质量佳，电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。

4）光纤尺寸小、重量轻，便于铺设和运输。

5）材料来源丰富，环境保护好，有利于节约有色金属铜。

6）无辐射，难于窃听，因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。

7）光缆适应性强，寿命长。

3 应用举例

光纤通信技术的应用广泛，主要包括：雷达与微波系统、舰载高速光纤网、光纤水听器、点对点数据传输和网络应用、光控飞行、航天飞行器等方面［3］。

1）用于雷达与微波系统。用光纤连接雷达天线和雷达控制中心，可使两者的距离从原来用同轴电缆时的300m以内扩大到2km～5km；用光纤作传输媒质，其频带可覆盖X 波段或Ku波段。

2）用于舰载高速光纤网。现代化的舰艇装备有大量的通信雷达、导航和武器指挥系统等电子设备，加上其他电气设备，易造成电磁干扰、射频干扰等问题。在大型舰船上用光纤局域网作为计算机数据总线，从而提高了指挥作战能力。

3）用于光纤水听器。光纤水听器是利用光纤技术探测水下声波的器件，光纤水听器与传统的压电水听器相比，具有极高的灵敏度、足够大的动态范围、很强的抗电磁干扰能力、无阻抗匹配要求、系统湿端质量轻等优势。

4）用于点对点数据传输和网络应用。飞机上的点对点光纤链路主要是用于航空电子装置黑盒子的数据传送。例如，这些链路在F／A-18、AV-88及黑鹰直升机飞机中表现良好，数据速率为10～100Mb／s。

5）用于光控飞行。电磁干扰（EMI）、电磁脉冲（EMP）等会严惩威胁配备电控飞行的飞行器的飞行安全，因此不得不采取适当的屏蔽措施，这样将造成飞机质量的增加，而光控飞行（Fly-by-Light）可起到一箭双雕的作用。光纤系统不仅可进行飞行控制，还可用来控制和监测飞行器的子系统。

6）用于航天飞行器。光纤可用在运载火箭的起飞倒计时（T-O）脐带系统、航空电子设备互连网、监控传感器等三个子系统中替代电缆，并提高运载火箭的可靠性。

4 发展动向

1）哈里斯公司获美海军飞机光纤通道网络交换机后续合同。据哈里斯公司网站2009年6月2日报道：国际通信和信息技术公司哈里斯公司获价值980万美元的后续合同，为美国海军F／A-18E／F 超级大黄蜂和其他军用飞机提供209个光纤通道网络交换机。自2000年以来，交换机开发和生产合同为哈里斯公司带来的总价值超过5500万美元［4］。

光纤通道网络交换机是板载高级任务计算机和显示子系统的组成部分。根据新合同，哈里斯公司将提供188个交换机，主要用于美国海军33 批F／A-18E／F、EA-18G和E-2D 飞机，还有F／A-18F 和EA-18G 补充飞机以及26-28批F／A-18E／F 飞机改造。依照外国军事销售项目，该合同还将为澳大利亚F／A-18F飞机提供21个交换机。交换机将在佛罗里达州墨尔本市的公司总部生产。

目前生产的哈里斯光纤通道网络交换机为下一代航空网络创建核心网络基础设施。它提供了所有光纤通道协议需求，包括点对点通信、真正线速度同步交换和支持当前和未来关键任务的飞行环境可扩展的架构。

哈里斯防御计划主要包括美国国防部海陆空任务的通信和信息处理产品、系统和网络的开发、供应与集成。哈里斯致力于提供领先的技术，支持军队网络中心通信的不断变革。

2）泰利斯公司高速光纤网络加密器获FIPS 140-2三级认证。泰利斯公司网站2010年5月5日报道：泰利斯公司宣布，其Datacryptor高速SONET／SDH 及二层以太网网络硬件加密器已经获得了FIPS 140-2三级认证［5］。

联邦信息处理标准（FIPS）是国际公认的加密模块安全基准，由国家标准与技术研究院（NIST）制定。随着安全要求越来越严格，美国国防部已指定所有加密解决方案必须满足FIPS 140-2三级认证。FIPS总共分为四个不同的安全级别。三级认证特别增加了对物理防篡改加密模块的能力要求。

高速光纤网络加密器系列的新认证型号有：100Mbps二层以太网、1Gbps二层以太网、10Gbps二层以太网以及OC-3／12／48／192SONET／SDH。

Datacryptor高速光纤网络加密器广泛部署在美国包括国防信息系统局（DISA）等许多国防部机构，以及大型系统集成商包括AT＆T 公司和商业银行。

3）航空电子用光纤市场至2013年将翻番。美国《军事航空航天与电子学》网站2010年8月7日报道：美国IGI咨询公司的分析家们在一份新研究报告中称，到2013年，军用与航空航天用航空电子市场对光纤部件、子系统和系统的需求将翻一番。IGI公司的这份新报告名为《军用与航空航天用航空电子系统中的光纤》，报告包含了战斗机、运输机、无人机（UAV）和商用飞机等在内的军、民用飞机［6］。

IGI公司的分析家们称他们估计军用与航空航天用航空电子系统这两个市场中的光纤总销售额2009年为3.06亿美元，至2013年将增长到7.03亿美元。增长因素主要有对新技术的接受度提高（源于在电信行业得到快速接受和发展）、对减少体积、重量和功耗的需求、对宽带宽的更高需求以及UAV 市场的开放等。

尽管飞机上希望更多地使用光纤，但军用与航空航天的特殊要求成为主要的障碍，如：没有商用货架光纤技术、缺乏适应军用与航空航天环境的坚固部件、缺乏现成的测试和维护步骤、缺乏低成本、易于使用的测试和测量设备等。

IGI的分析家还称：市场对灵巧布线系统提出了更多的灵活性需求，以便通过使用带自检测的设备降低翻新、升级和维护的成本；还需在标准、测试设备、集成光学部件、制造技术和光纤系统的可测试性和坚固性方面继续进行更多的研究。

4）澳大利亚授予泰勒斯公司光纤拖曳阵声纳合同。据海军技术网2010年8月9日报道：泰勒斯澳大利亚公司获得澳大利亚政府的一项合同，该合同对于国防部能力和技术演示项目下的（潜艇用）光纤拖曳阵（FOTA）提供政府资助［7］。

光纤拖曳阵（FOTA）包含光电声学传感器，该传感器通过光纤光缆产生激光信号。FOTA 将用于升级澳大利亚柯林斯级潜艇和未来的反潜战护卫舰。这项技术也已用于开发可部署的、可起到港口或舰艇防护作用的海底基阵监视系统。

泰勒斯澳大利亚公司首席执行官克里斯·詹金斯表示，澳大利亚工业部门各个国防科技领域的专长都积极支持澳大利亚军事，FOTA 仅仅是这些突破的一个例子。与以前的拖曳阵列相比，FOTA 更小更轻，用途也更加广泛，因而为舰艇设计和海军作战开辟了新的可能性。

泰勒斯澳大利亚公司已为FFG 护卫舰升级、为柯林斯级潜艇、胡昂河级扫雷舰和安扎克级护卫舰提供了声纳系统。

5）Ultra Electronics-DNE技术公司发布新的卫星光纤链路模块。Ultra Electronics DNE Technologies 网站2011年1月24日报道：Ultra Electronics DNE技术公司推出用于CV-MCU2＋平台的卫星光纤链路（SFL）模块，该公司是一家主要提供通信协议转换设备的国防业领先供应商［8］。

该公司的SFL模块可以替代同轴电缆，实现L 波段信号在卫星终端和天线之间的高性能传输。SFL 模块在保证信号质量的同时能够提高传输距离，用户可将卫星终端及相关设备置于受保护的区域内，而将天线设于更适合信号传输的较远位置。除此之外，该模块还具有电气隔离、抗干扰（EMI／RFI／闪电）等优点。同时，利用光纤传输信号，可显著提高信息安全性。该模块提供超宽的动态范围，可做到无缝传输L 波段信号，且对卫星调制解调器性能没有限制，用户可使用任何卫星终端设备而无需校准。

6）泰利斯公司推出可快速部署光纤激光水听器。法国《航宇防务》2012年2月1日报道：泰利斯澳大利亚公司在悉尼主办的2012太平洋国际海事博览会上推出了一种用于水下监听的新型光纤激光传感器（FLS）［9］。

这种光纤激光传感器是新一代水下监听阵列，具有重量轻、外形细长、效费比高的特点，可由硬式橡皮艇投放，快速部署到海床上，迅速获得水下监听能力。这项技术可用于边境保护、海港防御、部队防护、海底地震监测等领域。

光电水听器可将水下的声音信号转化为光信号。这种光纤激光传感器安装在水听器的光纤玻璃中，当水听器接收到船只或潜艇发出的水下噪声时，传感器形状会发生改变，声音信号由此转化为光信号并通过光纤进行传输，处理器对光信号进行还原并将信息提供给操作人员。处理器会根据众多水下传感器捕获的信号判断出水下噪声源的方位、类型等信息，例如螺旋桨的数量、桨叶的数目、目标航向等。由于光信号具有传输损耗低的特点，这种光纤激光传感器可绵延数公里之长。

7）Mercury公司首创可用单6U OpenVPX 插槽传输和处理16个频道数据的光纤I／O 模块。Mercury计算机系统公司网站2012年9月21日报道：致力于开发情报、监视、侦察（ISR）和国防电子战（EW）子系统的主承包商美国Mercury计算机系统公司推出了一种创新型6U OpenVPX光纤I／O 模块：Echotek 系列SCFE-V6-4QSFPOVPX。该模块是目前唯一把三个最强大的Xilinx 公司Virtex-6现场可编程门阵列（FPGA）处理器与16个高速光纤通道结合在一起的模块。其数据传输能力最高可达80Gbps，非常适合各种高带宽数字化I／O 商业和国防应用，包括用于目前最先进的ISR 传感器［10］。

这种新型多通道光纤模块的每个插槽的信道密度和FPGA 性能处于领先地位。它具有创建均衡传感器处理子系统关键能力的极高带宽I／O 接口，为目前的多核心技术提供了足够的匹配条件。它还可在OpenVPX 和FMC 行业标准的基础上简化未来的技术升级。

16个通道中的每个光纤通道都支持5Gbps全双工数据传输速率，同时，3个FPGA 处理器可对数据流进行预处理，以使应用效率最大化。该模块有两个光接口FPGA 夹层卡（FMC）支持这些光纤通道，每个FMC 有两个4×QSFP接头，用于连接8个2.5Gbs 8通道FPDP或两个10千兆以太网通道。FPGA 可在IP范围配置，以实现信号处理算法和协议执行。该模块还有一个串行RapidIO 背板接口可供连接其他子系统模块以提供高速通信。

5 发展分析

光纤通信技术的发展趋势：纳米技术与光纤通信、光交换技术、波分复用系统、光孤子通信、全光网络［11］。

1）纳米技术与光纤通信。纳米是长度单位，为10-9m，纳米技术是研究结构尺寸在1nm～100nm 范围内材料的性质和应用。建立在微米／纳米技术基础上的微电子机械系统（MEMS）技术目前正在得到普遍重视。在无线终端领域，对微型化、高性能和低成本的追求使大家普遍期待能将各种功能单元集成在一个单一芯片上，即实现sOc（System On a Chip），而通信工程中大量射频技术的采用使诸如谐振器，滤波器、耦合器等片外分离单元大量存在，MEMS技术不仅可以克服这些障碍，而且表现出比传统的通信元件具有更优越的内在性能。

2）光交换技术。光交换是指光纤传送的光信号直接进行交换。长期以来，实现高速全光网一直受交换问题的困扰。因为传统的交换技术需要将数据转换成电信号才能进行交换，然后再转换成光信号进行传输，这些光电转换设备体积过于庞大，并且价格昂贵。而光交换完全克服了这些问题。因此，光交换技术必然是未来通信网交换技术的发展方向。

3）波分复用系统。超大容量、超长距离传输技术波分复用技术极大地提高了光纤传输系统的传输容量。目前，6Tbit／的WDM 系统已经大量应用，同时全光传输距离也在大幅扩展。提高传输容量的另一种途径是采用光时分复用（OTDM）技术，与WDM 通过增加单根光纤中传输的信道数业提高其传输容量不同，OTDM 技术是通过提高单信道速率来提高传输容量，其实现的单信道最高速率达640Cbit／s。

4）光孤子通信。光孤子是一种特殊的ps数量级的超短光脉冲，由于它在光纤的反常色散区，群速度色散和非线性效应相应平衡，因而经过光纤长距离传输后，波形和速度都保持不变。光孤子通信就是利用光孤子作为载体实现长距离无畸变的通信，在零误码的情况下信息传递可达万里之遥。

5）全光网络。传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络结点处仍采用电器件，限制了通信网干线总容量的进一步提高。全光网络以光节点代替电节点，节点之间也是全光化，信息始终以光的形式进行传输与交换，交换机对用户信息的处理不再按比特进行，而是根据其波长来决定路由。