通信工程技术中光纤网络的应用

刘家豪

（中国电信股份有限公司涪陵分公司，重庆 408099）

0 引 言

传统通信技术信号传输效率较低，无法满足现代社会通信需求，因此必须在通信工程中大规模应用光纤技术搭建光纤网络与信号解码基站，合理配置网络资源与技术设备，做好远期资源调度与配置工作，实现光纤入户与全光网络建设目标。

1 光纤网络技术的基本原理与应用价值

光纤是一种由石英玻璃或合成树脂等材料制成的极细纤维，折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成。纤芯是光信号的传输介质，包层是保护纤芯并使光信号在纤芯内全反射的层。在包层外还有一层涂覆层，用于防止水分和机械损伤。根据可传输的模式数量，光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤只能传输一种模式，其纤芯直径较小，一般为4 ～10 μm；多模光纤可以传输数百到上千种模式，其纤芯直径较大，一般为50 ～62.5 μm。光纤传输原理可被概括为利用全反射现象，使光信号在光纤内反复反射而沿轴向前进。当光从折射率较大的介质入射到折射率较小的介质时，在边界发生反射和折射，如果入射角超过临界角，将发生全反射。因此，对于特定的光纤结构，只有满足一定条件的光波才可以在光纤中有效传输。由于不同模式经过不同长度的路径到达接收端，造成不同模式之间存在时间差异，这种现象称为模式色散。模式色散会导致信号失真和带宽降低。为了减小模式色散，可以采用渐变型多模光纤或单模光纤。

一个基本光纤网络由3 部分组成，即发射端、接收端以及传输线路。发射端将电信号转换为与之对应的调制后的光信号，并通过耦合器将其耦合到光导；接收端将从另一端输出的调制后的光信号转换为电信号，并进行解调和恢复；传输线路是由一根或多根连接起来的光导组成，用于传输调制后的信息载波。除此之外，还有一些无源或有源器件用于实现网络中的各种功能，如分路器、合路器、放大器以及交换器等。光纤网络技术是一种利用光纤作为传输介质的通信技术，具有传输速率高、抗干扰性强、传输距离远、安全可靠等优点。光纤网络技术的原理是利用光源（如激光器或发光二极管）将电信号转换为光信号，然后通过光纤将光信号传输到目的地，再由光电探测器将光信号转换为电信号。光纤网络技术在通信工程中的应用价值体现为：一是提高通信容量和质量，实现高速、大容量、高清晰度的信息传输；二是节省通信资源和成本，减少铜缆的使用和维护，降低能耗和环境污染；三是增强通信安全和保密性，防止信息泄露和干扰；四是促进通信网络的发展和创新，实现多媒体、宽带、移动和智能化的通信服务[1]。

2 光纤网络技术在通信工程中的主要应用形式

2.1 色散技术

光纤色散指光脉冲在光纤的传输过程中，由于不同频率或模式的光波具有不同的传播速度，导致光脉冲到达接收端时发生时间延迟和形状变化等现象。光纤色散会造成信号失真和干扰，降低通信质量和效率，限制通信速率和距离，影响光纤网络技术的传输性能和通信质量。色散技术指通过设计和优化光纤结构、使用色散补偿器、调整信号波长等方法，来减小或消除色散对信号的影响，提高光纤网络技术的传输效率和质量。因此，克服或补偿光纤色散是提高光纤网络技术性能的重要措施之一。

目前，常用的色散补偿技术主要有以下几种。（1）色散补偿光纤（Dispersion Compensating Fiber，DCF），在传输系统中加入一段具有与传输光纤相反符号色散值的特殊光纤，使得整个系统的总色散接近于0，从而实现色散补偿。这种方法简单易行，但会增加系统损耗和成本，且对波长的选择性较强。（2）光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG），在传输系统中加入一种具有周期性折射率变化的反射器件，可以对特定波长的光进行反射或透射，从而实现色散补偿。这种方法具有插入损耗低、体积小以及可集成性强等优点，但需要精确控制光栅参数和温度稳定性。（3）电子色散补偿（Electronic Dispersion Compensation，EDC），在接收端采用数字信号处理（Digital Signal Processor，DSP）技术，对接收到的畸变信号进行滤波或均衡处理，从而实现色散补偿。这种方法可以适应多种波长和调制格式，且不增加系统损耗和复杂度，但需要高速、高精度的电子器件和算法。综上所述，光纤网络技术中色散技术的基本原理是利用不同的物理机制或数学方法对产生色散的因素进行抵消或修正，从而恢复信号的完整性和质量。在通信工程技术中，色散技术的应用形式主要取决于系统的设计要求和条件，需要综合考虑各种因素，如速率、距离、波长、成本以及可靠性等，选择合适的色散补偿方案[2]。

2.2 复用技术

复用技术是指在同一条光纤中，同时传输多个不同波长或不同编码方式的光信号，以提高光纤网络技术的利用率和带宽。复用技术能够提高传输效率，降低成本，增加信道容量，可以分为波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）、码分复用（Code Division Multiplexing，CDM） 以及空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）等，各有优缺点和适用场景。

（1）WDM 利用光纤的宽带特性，将不同波长的光信号在发送端合并，通过一根光纤传输，然后在接收端分离，实现多路信号的复用。WDM 可以分为密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）和粗密波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM），根据波长间隔的不同进行划分。WDM 技术可以大幅提高光纤的传输容量，适用于长距离的高速光通信系统。

（2）TDM 利用光纤的高速特性，将多路信号按照一定的时序在发送端交替发出，通过一根光纤传输，然后在接收端按照相同的时序进行恢复，实现多路信号的复用。TDM 技术可以有效利用光纤的带宽资源，适用于短距离的低速光通信系统。

（3）CDM 利用光纤的抗干扰特性，将多路信号在发送端分别与不同的伪随机码进行异或运算，通过一根光纤传输，然后在接收端与相应的伪随机码进行相关运算，实现多路信号的复用。CDM技术可以实现多址通信，适用于无线光通信系统。

（4）SDM 利用光纤的多模特性，将多路信号在发送端分别注入不同的模式，在一根光纤中同时传输，然后在接收端利用模式分离器进行分离，实现多路信号的复用。SDM 技术可以进一步增加光纤的传输容量，适用于超大容量光通信系统。

以上4 种复用技术各有优缺点，在通信工程中可以根据具体的需求和条件进行选择与组合，以达到最佳的传输效果[3]。

2.3 光信号解码基站

网络基站是指在无线通信系统中，负责将有线信号转换为无线信号，并进行发射和接收的设备。其作用是扩大无线信号的覆盖范围，提高通信质量和容量。在光纤网络技术中，解码基站是一种重要的网元设施，负责将接收的光信号转换为电信号，并进行解码处理，以还原出原始的数据信息。解码基站在通信工程中具有重要的价值，可以实现不同类型、不同格式、不同速率信号之间的互通和转换，提高通信系统的灵活性与兼容性。其原理是利用光电转换器将光信号转换为电信号，然后通过DSP 或专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）对电信号进行解码操作，还原出原始的数据信息。解码操作的具体方法取决于光信号所采用的编码方式，常见的编码方式有线性编码、循环编码、块编码等，目的是检测并纠正由于传输过程中的噪声或干扰引起的错误，提高通信质量和可靠性[4]。

解码基站可根据接收到光信号的类型和特征，选择合适的解码算法与参数进行解码处理，并将解码后的数据信息输出到下一级网元或终端设备。解码基站可以根据不同的应用场景和需求，配置不同的功能模块和接口，以适应不同的传输网络和协议。例如，在长期演进（Long Term Evolution，LTE）网络中，解码基站需要支持IP 无线接入网（Internet Protocol Radio Access Network，IPRAN）和多业务传送平台（Multi-Service Transfer Platform，MSTP）等传输技术，并能够与演进型节点B 等无线网元进行通信。解码基站在通信工程中具有重要的价值，可以实现不同类型、不同格式、不同速率信号之间的互通和转换，提高通信系统的灵活性和兼容性[5]。

2.4 全光网络

全光网络是指在传输、交换和处理信息的过程中都采用光信号而不需要电信号的转换网络，可实现高速、大容量、低成本以及低功耗的信息传输，是未来通信网络的发展方向。全光网络的关键技术包括光交换、光路由、光存储、光放大等，无须将光信号转换为电信号，从而避免了电子设备的限制和损耗，提高了网络的性能和效率。全光网络的基本原理是利用光学器件和技术，如激光器、调制器、分路器、合路器、滤波器、放大器以及交换器等，对光信号进行操作和控制。工作方式主要有WDM 和TDM，前者是指将不同波长的光信号在同一根光纤中同时传输，通过分路器和合路器实现多路信号的复用和解复用；后者是指将不同时间段的光信号在同一根光纤中依次传输，通过调制器和解调器实现多路信号的复用和解复用。全光网络在通信工程中具有重要的价值，可满足日益增长的通信需求，也可向用户提供多种业务类型，如语音、数据、视频等，支持多种协议和标准，实现网络的互联和互通。此外，全光网络还可以提高网络的可靠性和安全性，通过自愈环技术实现故障恢复，通过加密技术实现信息保密。

3 提升光纤网络技术应用效果的调节措施

光纤网络技术是通信工程中的重要组成部分，它具有传输速度快、带宽大、抗干扰性强等优点，能够满足现代信息社会高速、高效、高质量的通信需求。然而，光纤网络技术也存在一些问题和挑战，如光纤衰减、色散、非线性效应、信号失真等，这些问题会影响光纤网络的性能和可靠性，降低通信工程的应用效果。因此，需要采取一些调节措施，以提升光纤网络技术在通信工程中的应用效果。常用的调节措施是在光纤网络节点安装光纤放大器。光纤放大器是一种利用激光泵浦技术，在光纤中产生受激发射的器件，它可以在不需要电子转换的情况下直接对光信号进行放大，从而补偿光纤的传输损耗，增强信号的强度。光纤放大器有多种类型，如掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）、掺铥光纤放大器（Thulium Doped Fiber Amplifier，TDFA）、半导体光纤放大器（Semi-conductor Optical Amplifier，SOA）等，可以根据不同的波长范围和应用场景进行选择和配置。

另一常用调节措施是光纤非线性效应抑制。非线性效应是指在高功率或高密度的光信号下，光与介质之间产生非线性相互作用，导致信号的频率、相位、极化等发生变化的现象。非线性效应会引起信号的失真、串扰、噪声等问题，降低光纤网络的性能和稳定性。为了抑制或避免非线性效应，可采用以下几种方法：（1）降低输入功率或信道数目，减小非线性效应的产生；（2）采用分布式拉曼放大器（Distributed Raman Amplifier，DRA）或分布式布里渊放大（Distributed Brillouin Amplification，DBA），利用拉曼或布里渊散射对信号进行均匀增益，抑制非线性效应；（3）采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）或相干检测等先进的调制和检测技术，提高信号的抗非线性能力；（4）采用DSP 或数字前均衡等数字信号处理技术，在接收端对信号进行非线性补偿或预失真。

4 结 论

技术人员应针对光纤通信系统采用合理改进措施，提高光源的输出功率和稳定性，提高光调制器的调制速度和效率，提高光接收器的灵敏度和响应速度，最终提高系统的传输性能和可靠性。未来应集中资源开发新型的具有低损耗、大有效面积、大非线性系数、大模场直径等特性的光纤，以提高系统的传输容量和传输距离。研究新型的光放大器技术，以提高系统的增益和带宽。在通信工程中采用新型多波分复用技术，如DWDM、CWDM、OFDM 等，以提高系统的频谱利用率和传输容量。