光纤器件及其在光纤通信中的应用解析

2光纤通信的发展和光纤器件的作用
20世纪90年代中期以来,密集波分复用器(DWDM和掺饵光纤放大器(EDFA技术的发展和成
熟以及因特网的社会需求热潮使世界光通信技术和
产业迅猛发展。

但是,由于投资者对于光纤通信的过分偏爱和吹捧,以及网络热的迅速升温,导致1999年到2000年出现的光纤通信网络建设高潮和光纤器件
产业的繁荣景象迅速瓦解。

目前,世界光纤器件市场面临的问题使人们对中国光纤器件产业的发展困惑
不解。

其实,人类社会进人信息化和全球经济一体化后,信息交流已经成为社会发展的固有要求,作为信息交流基础之一的光纤通信在长途骨干网络建设高
潮之后,城域网、局域网及接入网的建设高潮一定会到来。

本文试图从光纤器件在光纤通信中的作用说明光纤器件技术和产业发展的必然性,并概述光纤器件的现状和走向。

收稿日期:2003一03一04
光纤器件伴随着光纤通信的兴起和发展已经走
过几十年的历程。

光纤器件不仅成为光纤网络建设的基石,而且,光纤器件技术的发展促成光纤通信容量的爆炸性增长及光纤通信技术和产业的迅猛发展。

光纤器件技术的进一步发展和成熟还将会掀起光纤通
信技术和产业发展的新高潮。

22.1光纤器件是光纤通信网络建设的基石
光纤器件经过多年的发展,各种功能的光纤器件都应光纤线路或网络系统的需要而相继出现,门类和品种越来越繁杂。

各种功能不同、特性各异的光纤器件在不断满足网络系统需求的同时也渐渐成熟起
来。

网络发展的高层次需求的不断出现又不时向光纤器件提供更新的要求,促使光纤器件在功能和性能上不断发展。

光纤器件在不断满足光纤通信在不同发展阶段的不同需求的同时也成为光纤通信网络建设不
可缺少的基本构件,成为光纤网络建设的基石。

2.2光纤通信技术和产业迅猛发展
从20世纪90年代中期以来,DWDM和EDFA技术迅速发展并成熟起来。

DWDM带来光纤通信容量
的爆炸性增长,单根光纤的传输容量成倍、成十倍、成百倍地增长。

EDFA不仅延长了光纤通信的距离,而
且大大降低了通信的成本。

由于这二种技术的发展、成熟及社会需求的增加,使世界光通信技术和产业迅猛发展,掀起了光纤网络建设的高潮。

这些充分说明光纤器件在光纤通信中的作用随着光纤通信事业的
发展越来越重要。

光纤器件不仅在光纤通信网络建设
中必不可少,而且光纤器件的发展和成熟大大促进了
光纤通信技术的成熟和产业的发展。

2.3光纤网络建设的新高潮
光纤通信在20世纪90年代后期经历了爆炸性
的大发展后陷人低谷。

光纤网络建设出现低谷的原因
是复杂的、多方面的。

但是,从技术方面讲是网络节点
上光交换的难题尚未解决,不能进一步大幅度降低光
纤通信的成本也是一个重要因素。

然而,光交换问题
的解决有赖于光纤器件尤其是光开关和光开关阵列
器件的发展。

正像20世纪90年代中期DWDM,EDFA
的发展和成熟引起光纤通信的迅猛发展一样,未来光
纤器件在光纤网络节点上光交换技术方面的突破性
进展一定会大大推动光纤通信技术的进一步发展,迎
来光纤通信网络建设的新高潮。

3光纤器件概述
经过多年的发展,光纤器件的功能越来越全面,门
类品种越来越繁杂,出现了像光纤连接器、光纤藕合器、波分复用器、掺饵光纤放大器、光开关、光纤光栅、隔离器、光环行器及衰减器等一系列的器件。

其中有些已经相对成熟,有些还是目前研究开发的热点。

3. 1产业化的光纤器件
以下的光纤器件是经过多年的发展在技术上已
经相对成熟且已形成较大市场规模的几种主要产品
门类。

3.1.1光纤连接器
光纤连接器是自光纤通信技术兴起就开始发展
的一类光纤器件,也是目前使用量最大的光纤器件。

尽管光纤连接器的品种繁杂,但是,以精密陶瓷芯和
陶瓷管的出现为标志,光纤连接器的主流技术已经成
熟。

最近几年,虽然出现了连接器精密芯管的尺寸和
材料的多样变化,而制造光纤连接器的基本技术并没
.
有改变。

目前市场上的光纤连接器的新品种虽然很
多,其主流品种仍然是直径为2.5 mm的精密陶瓷芯
和陶瓷管构成的连接器(如FC型,SC型、ST型等。

由于制造光纤连接器的技术门槛较低,资金需求不
大,所以,这些年中国大陆进人光纤连接器制造业的
厂家已经很多,但是,大多数厂家规模不大。

光纤连接
器制造业今后将逐渐结束诸侯纷争的局面,迎来以规
模求生存和发展的时代。

3.1.2光纤藕合器
光纤祸合器也是光纤通信技术发展早期就出现的一类光纤器件,目前的用途也相当广泛。

光纤藕合器制造技术已经成熟,其标志是20世纪80年代出现的无腐蚀
熔融拉锥技术。

这种技术出现后,人们在提高光纤祸合器的性能、降低生产成本和自动化生产等方面做了探
索性的工作,然而,没有取得突破性进展。

现在,正在广泛使用的各种祸合器仍然使用这种技术生产。

光纤藕合器的制造技术门槛比光纤连接器稍高一点,资金的需求也大一点,因此,以前进人的厂家并不多。

最近几年尤其是光纤通信的爆炸性发展以来,中国大陆不少厂家介人光纤藕合器的生产,这为在中国大陆发展光纤祸合器制造业奠定了基础。

3.1.3光隔离器和光环行器
光隔离器和光环行器都是非互易性光纤器件,即它们使光信号只能沿着光纤定向传输而不能反向传输。

作为光纤通信中的功能器件,它的应用广泛。

由于有晶体加工的基础,因此,中国大陆有能力做好这一类光纤器件。

事实上,中国大陆早已是发达国家的光隔离器和光环行器零件的加工基地。

所以,我们应该充分发挥自己的长处,把光隔离器和光环行器做好。

3.2商品化的光纤器件
在光纤器件中,有一些类别虽经多年的发展,在技术上已经相对成熟并形成了规模生产,但是,由于光纤器件通信网络的新需求,其功能和性能还在不断地发展和提高。

3. 2. 1波分复用器(WDM
W DM技术是光纤通信的早期技术,但是,光纤通信的发展所引起的巨大推动作用直到20世纪90年代WDM中的一项重要技术—密度波复用器(DWDM技术的出现才显现出来。

20世纪90年代中期,掺饵光纤放大器(EDFA和DWDM技术的发展和成熟推动了光纤通信事业的迅猛发展,DWDM扮演着提高光纤传输容量的角色。

现在的DWDM市场规光纤器件及其在光纤通信中的应用模相当可观,仅以其中的DWDM为例,根据2001年9月的有关报道,2000年全球的DWDM市场为9.6亿美元,其中薄膜滤波器型(TFF DWDM约占市场份额的45 %;阵列波导光栅型(AWGDWDM占40%;光纤光栅型(FBGDWDM占15%。

现在,制造WDM的技术中
有一些技术已经成熟,但是,为了在同一根光纤中能够传输更多的波长信道,人们仍然在两个方面继续努力。

其一是扩大波长范围,DWDM的应用范围正在从C波段进一步扩展到L波段和S波段。

其二是缩小波长信道间隔,DWDM的信道间隔正从100 GHz向50 GHz,25 GHz甚至更小的间隔发展。

另外,粗波分复用器((CWDM技术也由于市场的需求正在发展‘”。

按照功能和应用,WDM可以分为密集波分复用器(DWDM分插复用器(OADM、粗波分复用器(CWDM和光纤放大器用WDM.WDM 的制造技术有薄膜滤波技术、阵列波导光栅(AWG技术、光纤光栅技术、熔融拉锥技术等。

其中,薄膜滤波技术很适合中国现在的国情。

3.2.2掺饵光纤放大器《EDFA
光放大器是近10年来非常热门的话题。

光放大器的门类品种很多,例如半导体光放大器、光波导放大器、包括EDFA在内的各种掺稀土元素的光纤放大器、Raman光纤放大器等。

但是,其中只有EDFA在20世纪90年代中期迅速发展并成熟起来。

这种技术的成熟和DWDM技术一起推动了光纤通信事业的迅猛发展。

由于EDFA为光纤通信带来巨大的经济利益并在光纤通信中扮演着越来越重要的角色,所以,越来越受到人们的重视。

人们也在不断解决它在网络系统应用中遇到各种技术问题,如它在DWDM系统中的动态增益均衡、宽带增益平坦型EDFA的自动增益控制等‘“,’〕。

另外,EDFA和其他类型的放大器(Raman 光纤放大器、TDFA等一起使用,不仅可以改善放大系统的性能,而且可大大增加使用的波长范围‘4]。

从功能上讲,EDFA可以分成功率放大器、中间放大器和前置放大器。

它们可用于W DM系统,也可用于单一波长的通信系统、CATV系统等。

它们既可以用于
长途骨干网,也可以用于城域网;可以用于海底光纤通信,也可以用于陆地光纤通信。

应用的场合不同,对于EDFA技术性能的要求也各异。

现在,制造EDFA的技术门槛虽然不是很高,上游原材料及器件的来源也没有多大问题,但是,要根据用户的各种各样的特殊要求制造性能满意的EDFA并非易事。

因为EDFA的价格仍然昂贵,按照用户的实际需要设计定制ED-FA,最大限度地充分利用构成EDFA的各种器件资源是国际大趋势,这种趋势和
要求为EDFA入门者带来一定的困难。

3.2.3光纤光栅
光纤光栅是新近发展起来且成为研究热点的一类光纤器件。

尽管现在有许多光纤光栅的制造方法,但是,其主流产品仍然是利用光纤折射率的紫外光敏特性制成的。

用光纤光栅不仅可以制成许多不同功能的光纤器件用于光纤通信领域,使用光纤光栅可以改善各种激光光源的性能,使其波长稳定、频谱变窄、波长可调、多波长输出,也可以改善光纤放大器的性能(改善增闪益谱的均匀性,在光传输线路里制成色散补偿器件,也可以做成DWDM和OADM 器件以及各种滤波器。

在光纤光栅领域,我国大陆的许多单位开展了研究工作,这为中国在光纤光栅产业里有所作为奠定了基础。

鉴于光纤光栅广泛的应用前景,我们应该加快光纤光栅的产业化步伐。

3.2.4光开关
光开关也是从光纤通信的兴起就开始发展的一类光纤器件。

早期的光开关只是实现简单的光路切换,最典型而实用的机械式光开关是在原来继电器的结构基础上演变的,这一类开关至今仍然还有市场。

现在成为研究热点的光开关与其不同,它是为发展新一代“全光网络”研制的关键器件,其功能是要实现光层次上的路由选择、波长选择、光交叉连接及自愈保护等解决网络节点上由电交换转变的问题。

DWDM和EDFA技术的成熟推动了光通信事业的迅猛发展,一电一光(OEO多次转换的模式,依靠电信号的交换来实现。

这使网络成本居高不下,而且由于电子交换系统的处理能力达到极限,很难适应高速传输进一步发展的需要,严重制约着传输速率的提高。

为了解决在光通信网络中交换的电子瓶颈问题,人们提出直接在光层实现交换功能的“全光网”概念,即利用以光开关和光开关阵列为核心器件,在网络节点上构成光交叉连接以实现光纤网络节点在光层次上的光交换。

这样,不仅避免了OEO 的转换,解决了电子瓶颈问题,而且大大节约了网络建设成本。

正是解决光通信发展的瓶颈问题的需求,才刺激了光开关技术的研究和开发热潮。

对于这些器件的主要要求是插人损耗小、串扰低、开关时间短、高可靠等。

(下转第49页
.
数字信号处理器在工业CT中的应用
6结论
综上所述,通过对DSP系统硬件资源的功能介
绍和软件技术的分析及各种不同条件下CT重构时
间的比较,DSP在CT重构计算上有着卓越的性能。

由
重构结果看,DSP完成CT重构运算要比通用处理器
快5倍一10倍,DSP与主机及投影数据采集系统可
组成一套高性能的工业CT重构系统。

参考文献:
[1]庄天戈,CT原理与算法【M].上海:上海交通大学出版社, 1992.34一37.
f21杨民.与转轴任意相交角下的CT改进算法—预处理、校正与滤波卷积反投影【D].华北工学院硕士论文,2000.29- 37.
[3]任丽香.TMS320C6000系列DSP的原理与应用[M],北京:电子工业出版社,2000.5-6.
[5]张雄伟.DSP芯片的原理与开发应用(第二版[M].北京:
电子工业出版社,2000. 212 -221.
作者简历:王黎明(1974一,讲师,2000年进入华北工学
院攻读博士学位,研究方向是信号与信息处理、无损检测、DSP 应用与开发等。

(上接第3页
鉴于它在未来全光网络中的关键作用,光开关已经成
为世界光纤通信领域的研究热点,各种技术层出不
穷。

例如微电子机械(MEMS 光开关、液晶光开关、喷
墨光开关、聚合物光开关、声光开关等,其中,以
MEMS光开关最受关注。

不过,这些光开关尚处在“研
究开发”阶段,离产业化还有一定的距离。

3.3光纤器件的发展走向
光纤器件还在不断地发展,其主要走向可概括为
以下几个方面。

3.3.1提高单根光纤的传输容t
光纤通信现在继续沿着原来“光传输”的功能向
“高速大容量”的方向发展。

一方面是单一信道的传输
速率在提高;另一方面是一根光纤中传输的信道数在
增加,表现在信道间隔减小和波长范围增加。

这种光纤
通信发展的趋势对于光纤器件提出的技术要求是今后
制约和影响光纤器件技术发展的一个重要方面。

3.3.2突破光纤通信技术
“全光网络”的兴起和发展说明光纤通信目前正从
原来的单纯“光传输型”向“光传输处理型”转变,或者说
光纤通信的研究重点正从“光传输”向“光交换”转变。

网络功能的增强和变柱挤寸于光纤器件提出新的要求,这是今后光纤器件发展的另一个重要制约因素。

13.3光集成器件前程无t
光集成器件的兴起和发展将会对光纤通信的发
展产生巨大的推动作用,是今后光纤器件发展的一个
重要方向。

由于光集成器件可以实现规模化加工,便
于自动化生产,可以实现光纤器件的多功能集成,提
高可靠性,因此,能够实现光纤器件的低成本化和多
功能化。

今后,从劳动密集型的分立式光纤器件到光
集成器件的过度将会映射出20世纪70年代半导体
工业从分立半导体器件到集成电路和大规模集成电
路的演化过程,光集成器件的前程是无量的。

因此,做
好这方面的研究开发工作是很重要的。

3.3.4价格低廉
光纤通信网络建设的重点逐渐由长途骨干网向
城域网和接人网转移,这种转移一方面对光纤器件的
性能提出一些新的要求,另一方面对光纤器件提出
“廉价”的要求。

这是今后制约光纤器件发展的又一个
重要因素。

4结束语
光纤器件不仅是光纤通信网络建设的基石,而且
促成了光纤通信容量的爆炸性增长及光纤通信技术和产业的大发展，它的进
一步发展和成熟还将推动光纤通信技术的大发展和光纤网络建设的新高潮。

光纤
器件技术的发展是社会信息化的需要，光纤器件产业具有巨大的发展潜力。

目前，世界光纤器件产业处于低谷所进行的调整为今后稳定、健康地发展创造了条件。

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