光纤通信技术与光纤传输系统的研究

摘要：本文阐述了光纤通信的概念和特点、光纤通信技术，并基于光纤传输技术的要求对光纤传输系统的设计进行阐述。

关键词：光纤通信技术;光纤传输系统;模块设计

1966年高锟博士提出光纤通信的概念，提出用石英玻璃光学纤维作为通信媒介，掀开了光纤通信技术研发的研发热潮。1977年美国芝加哥首次采用0.85微米波段多模光纤进行通信试验，1981年采用1.3微米的波段光模通光纤进行通信，这是第二代光纤通信系统。直到1984年，实现了1.3微米的单模光纤通信技术，也就是第三代光纤通信技术。20世纪末，经过几代光纤通信技术的发展，逐渐发展到第五代光纤通信技术，采用光波放大器增加了传输距离，从而增长了光纤通信的传输距离。伴随着计算机信息技术的发展，对通信技术提出了更高的要求，进一步促进光纤通信技术的发展，光纤通信技术由于体积小、容量大、质量轻、抗干扰能力强等优势，正在快速发展，并在无线通信和卫星领域广泛应用。光纤传输系统随着各种新材料、新工艺和新技术的发展不断进入光集成、光交换以及光放大等全光网时代。

1 光纤通信概述

1.1 光纤通信的特点

光纤通信是以光纤作为传输媒介对信息的进行传输的一种通信方式。光纤由纤芯、包层、涂层构成，纤芯的纤维内芯只有几十微米或者几微米，包层是光纤的中间层，涂层主要是光纤的保护层，可以有效隔绝外界对光纤的干扰与破坏，确保光纤传输信号的安全性和稳定性。光纤通信具有以下特点：

（1）传输容量大，可以实现远距离电信号的传输，由于光纤通信技术是以光纤作为传输介质，光纤的主要材质为石英，这种材料的光波频率比较高，单模光纤的带宽容量达到数百太兆千米。目前，光纤通信己实现5000米以上无中继站的传输，随着新材料和新技术的应用，未来光纤通信距离将更远[1]。

（2）抗干扰性强，光纤采用石英材料，这种玻璃材料绝缘效果比较好，不容易受到外界的腐蚀和干扰，在进行远距离传输的时候，可以防止雷电、电磁辐射对线路的干扰，确保通信质量。

（3）保密性能好。光纤通信外部采用包层，将光波信号限制在光波结构中，各个通道相互独立，传输过程中，通道与通道之间不会相互干扰，从而确保通信的安全性。

（4）质量轻、使用寿命长。光纤通信采用石英玻璃材料，这些材质不容易导电，运行相对比较安全。光纤的质量体积小，多芯光纤也不会数量的增重而成倍增长，有利于光纤通信设备的安装铺设，可广泛应用在矿井、水下等作业环境，适应性好，使用寿命比较长。

1.2 光纤通信工作原理

光纤通信系统由光发信机、光接收机、光纤、中继器、光纤连接器和耦合器等构成。光发信机是光纤通信系统的关键环节，主要由光源、驱动器等构成，是实现电信号与光信号转变的设备，它可以将电信号对光源发出的电波调制为光波信号，并将光波信号耦合到光纤中传输;光接收机是将光信号转变为电信號的设备，由光检测器和放大器构成，它的主要功能是将光纤传输的光信号调制成为电信号，再利用放大器将电信号进行放大，送到接收端的电端级;光纤是传输介质，将光发射机的光信号发送出去后，经过光纤进行远距离传输，耦合剂收到光接收纤通信是远距离传输，远距离传输后，光信号受到一定的衰减或者信号失真，影响到信号传输的质量，因此需要进行补偿，并对失真的脉冲信号进行近行整形;光纤连接器和耦合器主要是为了满足光纤通信安装需求，由于施工现场条件限制，一条光纤无法完成信号的传输，可能需要连接多条光纤，因此光纤与光纤、光纤与光端机需要连接器和耦合器[2]。

2 光纤通信技术

光纤通信技术包括光纤技术、光交换技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。

2.1 光纤技术

光纤技术是将光信号机端发送的信号发送到光接收端，在传输过程中尽量减少信号的衰减和失真，这种光纤是在折射率比较大的光纤芯内部覆盖一层折射率比较小的包层，光信号在光纤芯与包层界面进行传播，光纤作为一种传输介质波导，光信号被封闭在光纤内，只能沿着光纤进行传输，光纤的纤芯直径大小一般为几微米至几百微米。目前光纤大多数采用近红外波段透过率比较高的单模和多模石英光纤，单模光纤是只能传输单重光模的光纤，这种光纤的传输信号带宽高，可以实现远距离的光信号传输;多模光纤是指在一定波长上传输多种模式的光纤，这种多模光纤传输的模式比较多，各个模式的传播速率、常数不同，因此光纤的带宽比较窄、色散比较大、损耗比较大，适合短距离的光信号传输。由于多模光纤可以让多种模式的光纤在同一根光纤上进行传输，光纤的芯径比较大，需要使用耦合剂和接线器进行连接[3]。

2.2 光交换技术

光交换技术是通过光纤进行网络数据、信号传输的网络交换传输技术。通过光交换技术可以避免电子设备在进行交换过程由于容量比较大，无法实现信号的传输。光交换技术有助于网络优化，提高网络的灵活性和兼容性。光交换技术不需要光电转换，可以直接将输入的光信号交换到不同的输出端，从而减少网络协议层的数量，并利用现有的光技术进行转换。与其他交换技术相比，光交换技术具有大容量、数据率、格式透明、可配置性等特点，可以支持不同类型的数据，带宽的利用率比较好，可以为客户提供各种服务，满足不同客户的通讯需求。同时，光交换技术还可以与MPLS、OXC等新技术进行结合，对光网络进行优化[4]。

2.3 光放大技术

光放大技术是在电和光的作用下，实现粒子数反转，并通过接收刺激辐射直接将入射光放大，它不需要将光信号转变为电信号，从而改变了光纤通信传输的效率，让光纤传输系统变得更加简单。光放大技术促进了光复合技术、全光网络的发展，在光放大技术出现之前，光纤通信传输系统需要将光电信号进行转换，才能实现信号放大，通过光放大技术，可以直接放大光信号，避免在光电信号转变过程中，导致通信信号的损失或者变形[5]。

2.4 光网络技术

光网络技术是采用光纤传输的一种网络结构技术，它在光纤提供远距离、大容量的传输介质基础上，利用光和电子控制技术，可以实现各个网络节点的互联和调度。光网络主要用于使用光纤作为传输介质的广域网、城域网以及更大范围的局域网[6]。

3 光纤传输系统设计

光纤传输系统可以满足大容量、远距离语音、数据、视频等业务传输的需求，为了降低光纤传输过程中，信号的损失和变形，可以采用无压传输方式，在传输过程中不需要使用压缩技术将数据进行压缩，而是直接将转换后的信号直接传送到光纤介质[7]。光纤传输系统主要由转换模块、复接/分接模块、编码/编译模块、并串/串并模块、光接收/光发射模块构成，并通过主要控制芯片對复接/分接、编码/编译以及并串/串并功能。光纤传输系统的发送端由8路转换模块负责将传输信号进行转换，转换后每一路信号经过复合器复用为数字信号，完成数据信息的一次复用。然后数字信号将其发送到编码单元对线路进行编码，将光发信端传输的适合电缆传输的双极性码转变为适合光纤传输的单级性码，将码数转换后再将信号送入到转换模块进行串行输出。光传输系统的接收端通过光收发一体模块将接收的光信号转换为电信号，并通过串并实现数据的一次复用，从而获得8路并行的数字信号，再经过编码器、分路器对数据进行分解，将数据进行分离，最终将信号还原最初的信号[8]。系统工作原理如图1。

3.1 信号转换模块的设计

根据系统设计原理，光纤传输系统需要将信号转换后经过各个模块的处理，才能将串行的信号传输到光纤网络。信号模块的转化是需要将语音、视频、数据等信号进行有效的处理，处理符合光纤传输系统的要求才能发送到光纤结构中。因此，光纤传输系统的信号转换模块必须具备一定的兼容性、可拓展性，信号通过取样、量化、编码以后才能在光纤、卫星通道等数字线路上进行传输。此次系统采用AD9280作为转换芯片，AD9280具有采样、放大的集成芯片，转换芯片所需电压为2.8—6.0V，并自带可编程的存储器和采样放大器，可以确保在正常速率下信号不会失真[9]。

3.2 复接和分接模块设计

光纤传输网络采用复用设计理念，合路器可以将每一路的信号转变为符合频率的要求进行输出，并调整每一路信号码的速率。信号复接和分接模块采用FPGA现场可编程逻辑门列阵，这种可编辑器件是专用集成电路中的半定制电路，芯片中含有数字管理模块、内嵌式元、输入单元和输出单元，它可以通过小型查找表实现模块的组合模式，每一个小型查找表可以连接到一个触发器的输入端，然后触发器驱动其他逻辑电路或者输入输出模块[10]。

3.3 光纤线路编码/译码模块设计

光纤通信网络中，光发射机输出的是双极性码，这种码一般应用在电力电缆传输系统，光纤传输系统采用的是单极性码。因此，在光发信端需要将双极性码转变为单极性码。此次光纤传输系统的线路采用8B编码，10B译码。这种编码技术是目前相对主流的一种编码译码技术，可以有效补偿信号，避免信号在编译过程中，由于电压差异导致失真或者错误，可以将8bit的数据增加到10bit，让部分10bit的数据转变为禁止码，如果传输过程中出现了禁止码，说明数据传输出现了错误。编码/解码模块采用查表的方式，用存储器将可能出现的码组进行存储，并在输入码组转换为存储地址的方式找出对应的编译码，这种编译方式逻辑简单，有利于系统的开发，从而减少了光纤传输系统的电路板面积，提高了整个系统的编码效率。

4 结束语

光纤通信技术具有是当前我国通讯事业的发展方向，经过几十年的发展，我国的光纤通信技术取得了一定的进步，各地铺设的光纤通信光缆越来越多，但是目前，光纤通信传输系统在实际应用过程中还存在不少问题，还需要进一步优化。

参考文献

[1]刘祯，王世明，方子穆，光纤通信技术与光纤传输系统的研究[J].中国新通信，2019，21（3）：1.

[2]邓勇，光纤通信技术与光纤传输系统的研究[J].低碳世界，2018 （1）：372-373.

[3]刘振国，魏民，李宏涛，光纤通信技术与光纤传输系统的分析研究[J].科学中国人，201 7，0（6X）.

[4]张良，李建生，光纤通信技术与光纤传输系统的研究[J].信息通信，2013 （6）：220-221.

[5]谈仲纬，吕超，光纤通信技术发展现状与展望[J].中国工程科学，2020，22 （3）：100-107.

[6]陈海歌，探讨光纤通信技术现状及发展趋势[J].通讯世界，2019， 26 （12）： 158-159.

[7]但龙，高速长距离的光纤通信传输系统的设计分析[J].现代信息科技，2019，3 （9）：72-73.

[8]李建平，刘洁，高社成等，面向光纤通信多维复用的光场调控与传输技术[J].光学学报，2019，39 （1）：128-141.

[9]关壮，光纤通信技术与光纤传输系统的渗透[J].中国新通信，2017.19 （22）：19-20.

[10]庞婕，通信传输网络发展规划新思路探索[J].科学与财富，2017，（22）：2-3.

作者简介

郝达明（1980一），男，吉林省长春市人。大学本科学历，通信工程师（中级）。研究方向为通信工程建设。