光通信基本通信系統(tǒng)

最基本的光纖通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源、光發(fā)送端、光學信道和光接收機組成。其中數(shù)據(jù)源包括所有的信號源，它們是話音、圖象、數(shù)據(jù)等業(yè)務經(jīng)過信源編碼所得到的信號；光發(fā)送機和調制器則負責將信號轉變成適合于在光纖上傳輸?shù)墓庑盘?，先后用過的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光學信道包括最基本的光纖，還有中繼放大器EDFA等；而光學接收機則接收光信號，并從中提取信息，然后轉變成電信號，最后得到對應的話音、圖象、數(shù)據(jù)等信息。下面是光通信系統(tǒng)圖。

1960年7月8日，美國科學家梅曼發(fā)明了紅寶石激光器，從此人們便可獲得性質和電磁波相似而頻率穩(wěn)定的光源。研究現(xiàn)代化光通信的時代也從此開始。激光器的英文簡稱叫LASER，意思是“受激發(fā)射的光放大”。這種激光器產生的光與普通的燈光不一樣，它是受物質原子結構本質決定的光，頻率穩(wěn)定，約為100太赫。這種光的頻率比已經(jīng)廣泛應用的微波（頻率約為10兆赫）的頻率高1萬倍。因此，用這種光來傳送信息從理論上來說，通信的容量可以比微波通信的容量也大1萬倍！因此，激光器的發(fā)明對光通信的研究工作產生了重大的影響。但是最初發(fā)明的激光器在室溫下不能連續(xù)工作，因此，還不可能在通信中獲得實際應用。

光通信就是以光波為載波的通信。增加光路帶寬的方法有兩種：一是提高光纖的單信道傳輸速率；二是增加單光纖中傳輸?shù)牟ㄩL數(shù)，即波分復用技術（WDM）。

目前寬帶城域網(wǎng)（BMAN）正成為信息化建設的熱點，DWDM（密集波分復用）的巨大帶寬和傳輸數(shù)據(jù)的透明性，無疑是當今光纖應用領域的首選技術。然而，MAN等具有傳輸距離短、拓撲靈活和接入類型多等特點，如照搬主要用于長途傳輸?shù)腄WDM，必然成本過高；同時早期DWDM對MAN等靈活多樣性也難以適應。面對這種低成本城域范圍的寬帶需求，CWDM（粗波分復用）技術應運而生，并很快成為一種實用性的設備。

對光通信來說，其技術基本成熟，而業(yè)務需求相對不足。以被譽為“寬帶接入最終目標”的FTTH為例，其實現(xiàn)技術EPON已經(jīng)完全成熟，但由于普通用戶上網(wǎng)需要的帶寬不高，使FTTH的商用只限于一些試點地區(qū)。但是，在2006年，隨著IPTV等三重播放業(yè)務開展，運營商提供的帶寬已經(jīng)不能滿足用戶對高清晰電視的要求，隨之FTTH的部署也提上了日程。無獨有偶，ASON對傳輸網(wǎng)絡控制靈活，可為企業(yè)客戶提供個性化服務，不少運營商為發(fā)展和維系企業(yè)客戶，不惜重金投資建設ASON。

全光網(wǎng)絡未來傳輸網(wǎng)絡的最終目標，是構建全光網(wǎng)絡，即在接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)完全實現(xiàn)“光纖傳輸代替銅線傳輸”。而目前的一切研發(fā)進展，都是“逼近”這個目標的過程。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們提出了網(wǎng)絡時代的三大定律:

第一定律：摩爾定律。

早在1964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)在一篇很短的論文里斷言：每18個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。這就是著名的摩爾定律。由此，微處理器的速度會每18個月翻一番。這就意味著每5年它的速度會快10倍，每10年會快100倍。同等價位的微處理器會越變越快，同等速度的微處理器會越變越便宜。可以想見，在未來，世界各地的人不但都可以通過自己的計算機上網(wǎng)，而且還可以通過他們的電視、電話、電子書和電子錢包上網(wǎng)。作為迄今為止半導體發(fā)展史上意義最深遠的定律，摩爾定律被集成電路近40年的發(fā)展歷史準確無誤地驗證著。

第二定律：吉爾德定律。

喬治·吉爾德曾預測，在未來25年，主干網(wǎng)的帶寬將每6個月增加一倍。其增長速度超過摩爾定律預測的ＣＰＵ增長速度的3倍。今天，幾乎所有知名的電訊公司都在樂此不疲地鋪設纜線。當帶寬變得足夠充裕時，上網(wǎng)的代價也會下降。在美國，今天已經(jīng)有很多的ＩＳＰ向用戶提供免費上網(wǎng)的服務。

第三定律：麥特卡爾夫定律。

以太網(wǎng)的發(fā)明人鮑勃·麥特卡爾夫告訴我們：網(wǎng)絡價值同網(wǎng)絡用戶數(shù)量的平方成正比。如果將機器聯(lián)成一個網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡上，每一個人可以看到所有其他人的內容，100人每人能看到100人的內容，所以效率是10000。10000人的效率就是100000000。

聯(lián)合國“1999世界電信論壇會議” 副主席約翰·羅斯 (John Roth)在10日論壇開幕演說時提出“新摩爾定律”――光纖定律，互聯(lián)網(wǎng)帶寬每9個月會增加一倍的容量，但成本降低一半，比晶片變革速度的每18個月還快。

摩爾定律(Moore's Law)用來形容半導體科技的快速變革，平均每18個月，晶片的容量會成長一倍，成本卻減少一半；“光纖定律”(OpticalLaw)則用來形容網(wǎng)絡科技。左面是幾種關鍵技術的發(fā)展速度示意圖。

美國是世界上開展空間光通信最早的國家,主要研究部門是美國宇航局(NASA)和美國空軍。美國宇航局選擇噴氣推進實驗室(JetPulsionLab-JPL)進行衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的研制,1995年完成了激光通信演示系統(tǒng)(LaserCommunicationDemonstrationSystems-LCDS),數(shù)據(jù)率為750Mbps。

該室目前正在進行激光通信演示系統(tǒng)(OpticalCommunicationdemonstration-OCD)研究,主要進行航天飛機與地面間通信鏈路的性能演示,傳輸速率為100Mbps。在工業(yè)界的資助下,JPL還正在開發(fā)500Mbps激光通信設備,已完成分析和設計工作,一些關鍵子系統(tǒng)也已研制成功,并正在進行子系統(tǒng)的工程組裝工作。JPL目前還正在研制高功率(315W)Nd-YAG激光器、窄帶激光濾波器及地面和空間的激光衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)絡。

此外,美國宇航局還支持JPL進行其他衛(wèi)星通信計劃,如實現(xiàn)圖像功能的窄帶激光濾波器以及地面和空間的激光衛(wèi)星通信跟蹤網(wǎng)絡。 美國的戰(zhàn)略導彈防御組織(BMDO)也正在積極進行空間激光通信的研制開發(fā)工作,該工程由空軍提供主要經(jīng)費,由MIT林肯實驗室進行有關關鍵技術和系統(tǒng)技術的研究?，F(xiàn)已研制出激光通信終端設備,并進行了作用距離42km、信息率1Gbps、誤碼率Pe為10-6的全天候跟瞄實驗。

林肯實驗室還研制出了窄帶并且具有空間搜索和跟蹤功能、達到量子限的收發(fā)光端機,該端機采用單模光纖進行內部連接。新近又研制出藍綠光接收系統(tǒng)的快速原子諧振濾波器,相關合成技術的光多孔排列裝置,寬角多址系統(tǒng)的碼分多址技術,高功率(315W)半導體激光功率放大器,1~2Gbps高速編碼芯片,摻鉺光纖功放/發(fā)信機,10Gbps高速調制器和具有近量子

全光通信的實現(xiàn)將使上述問題迎刃而解。實現(xiàn)透明的、具有高度生存性的全光通信網(wǎng)是寬帶通信網(wǎng)未來發(fā)展目標，而要實現(xiàn)這樣的目標需要有先進的技術來支撐，下面就是實現(xiàn)準確、有效、可靠的全光通信應采用的技術：

1、光層開銷處理技術：該技術是用信道開銷等額外比特數(shù)據(jù)從外面包裹Och客戶信號的一種數(shù)字包封技術，它能在光層具有管理光信道（Och）的OAM（操作、管理、維護）信息的能力和執(zhí)行光信道性能監(jiān)測的能力，該技術同時為光網(wǎng)絡提供所有SONET/SDH網(wǎng)所具有的強大管理功能和高可靠性保證。

2、光監(jiān)控技術：在全光通信系統(tǒng)中，必須對光放大器等器件進行監(jiān)視和管理。一般技術采用額外波長監(jiān)視技術，即在系統(tǒng)中再分插一個額外的信道傳送監(jiān)控信息。而光監(jiān)控技術采用1510nm波長，并且對此監(jiān)控信道提供ECC的保護路由，當光纜出現(xiàn)故障時，可繼續(xù)通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)（DCN）傳輸監(jiān)控信息。

3、信息再生技術：大家知道，信息在光纖通道中傳輸時，如果光纖損耗大和色散嚴重將會導致最后的通信質量很差，損耗導致光信號的幅度隨傳輸距離按指數(shù)規(guī)律衰減，這可以通過全光放大器來提高光信號功率。色散會導致光脈沖發(fā)生展寬，發(fā)生碼間干擾，使系統(tǒng)的誤碼率增大，嚴重影響了通信質量。因此，必須采取措施對光信號進行再生。目前，對光信號的再生都是利用光電中繼器，即光信號首先由光電二極管轉變?yōu)殡娦盘?，?jīng)電路整形放大后，再重新驅動一個光源，從而實現(xiàn)光信號的再生。這種光電中繼器具有裝置復雜、體積大、耗能多的缺點。而最近，出現(xiàn)了全光信息再生技術，即在光纖鏈路上每隔幾個放大器的距離接入一個光調制器和濾波器，從鏈路傳輸?shù)墓庑盘栔刑崛⊥綍r鐘信號輸入到光調制器中，對光信號進行周期性同步調制，使光脈沖變窄、頻譜展寬、頻率漂移和系統(tǒng)噪聲降低，光脈沖位置得到校準和重新定時。全光信息再生技術不僅能從根本上消除色散等不利因素的影響，而且克服了光電中繼器的缺點，成為全光信息處理的基礎技術之一。

4、動態(tài)路由和波長分配技術：給定一個網(wǎng)絡的物理拓撲和一套需要在網(wǎng)絡上建立的端到端光信道，而為每一個帶寬請求決定路由和分配波長以建立光信道的問題也就是波長選路由和波長分配問題（RWA）。目前較成熟的技術有最短路徑法、最少負荷法和交替固定選路法等。根據(jù)節(jié)點是否提供波長轉換功能，光通路可以分為波長通道（WP）和虛波長通道（VWP）。WP可看作VMP的特例，當整個光路都采用同一波長時就稱其為波長通道反之是虛波長通道。在波長通道網(wǎng)絡中，由于給信號分配的波長通道是端到端的，每個通路與一個固定的波長關聯(lián)，因而在動態(tài)路由和分配波長時一般必須獲得整個網(wǎng)絡的狀態(tài)，因此其控制系統(tǒng)通常必須采用集中控制方式，即在掌握了整個網(wǎng)絡所有波長復用段的占用情況后，才可能為新呼叫選一條合適的路由。這時網(wǎng)絡動態(tài)路由和波長分配所需時間相對較長。而在虛波長通道網(wǎng)絡中，波長是逐個鏈路進行分配的，因此可以進行分布式控制，這樣可以大大降低光通路層選路的復雜性和選路所需的時間但卻增加了節(jié)點操作的復雜性。由于波長選路所需的時間較長，近期提出了一種基于波長作為標記的多協(xié)議波長標記交換（MPLS）的方案，它將光交叉互聯(lián)設備視為標記交換路由器進行網(wǎng)絡控制和管理。在基于MPLS的光波長標記交換網(wǎng)絡中的光路由器有兩種：邊界路由器和核心路由器。邊界路由器用于與速率較低的網(wǎng)絡進行業(yè)務接入，同時電子處理功能模塊完成MPLS中較復雜的標記處理功能，而核心路由器利用光互聯(lián)和波長變換技術實現(xiàn)波長標記交換和上下路等比較簡單的光信號處理功能。它可以更靈活地管理和分配網(wǎng)絡資源，并能較有效地實現(xiàn)業(yè)務管理及網(wǎng)絡的保護、恢復。

5、光時分多址（OTDMA）技術：該技術是在同一光載波波長上，把時間分割成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙（無論幀或時隙都是互不重疊的），然后根據(jù)一定的時隙分配原則，使每個光網(wǎng)絡單元（ONU）在每幀內只按指定的時隙發(fā)送信號，然后利用全光時分復用方法在光功率分配器中合成一路光時分脈沖信號，再經(jīng)全光放大器放大后送入光纖中傳輸。在交換局，利用全光時分分解復用。為了實現(xiàn)準確，可靠的光時分多址通信，避免各ONU向上游發(fā)送的碼流在光功率分配器合路時可能發(fā)生碰撞，光交換局必須測定它與各ONU的距離，井在下行信號中規(guī)定光網(wǎng)絡單元（ONU）的嚴格發(fā)送定時。

6、光突發(fā)數(shù)據(jù)交換技術：該技術是針對目前光信號處理技術尚未足夠成熟而提出的，在這種技術中有兩種光分組技術：包含路由信息的控制分組技術和承載業(yè)務的數(shù)據(jù)分組技術?？刂品纸M技術中的控制信息要通過路由器的電子處理，而數(shù)據(jù)分組技術不需光電/電光轉換和電子路由器的轉發(fā)，直接在端到端的透明傳輸信道中傳輸。

7、光波分多址（WDMA）技術：該技術是將多個不同波長且互不交疊的光載波分配給不同的光網(wǎng)絡單元（ONU），用以實現(xiàn)上行信號的傳輸，即各ONU根據(jù)所分配的光載波對發(fā)送的信息脈沖進行調制，從而產生多路不同波長的光脈沖，然后利用波分復用方法經(jīng)過合波器形成一路光脈沖信號來共享傳輸光纖并送入到光交換局。在WDMA系統(tǒng)中為了實現(xiàn)任何允許節(jié)點共享信道的多波長接入，必須建立一個防止或處理碰撞的協(xié)議，該協(xié)議包括固定分配協(xié)議、隨機接入?yún)f(xié)議（包括預留機制、交換和碰撞預留技術）及仲裁規(guī)程和改裝發(fā)送許可等。

8、光轉發(fā)技術：在全光通信系統(tǒng)中，對光信號的波長、色散和功率等都有特殊的要求，為了滿足ITU-T標準規(guī)范，必須采用光-電-光的光轉發(fā)技術對輸入的信號光進行規(guī)范，同時采用外調制技術克服長途傳輸系統(tǒng)中色散的影響。光纖傳輸系統(tǒng)所用的光轉發(fā)模塊主要有直接調制的光轉發(fā)模塊和外調制的光轉發(fā)模塊兩種。外調制的光轉發(fā)模塊包括電吸收（EA）調制和LiNbO3調制等。在光纖傳輸系統(tǒng)中，選用那種光發(fā)模塊要根據(jù)實際傳輸距離和光纖的色散情況而定。在全光通信系統(tǒng)中，可以采用多種調制類型的光轉發(fā)模塊，色散容限有1800/4000/7200/12800ps/nm等諸多選擇，滿足不同的傳輸距離的需求，為用戶提供從1km至640km各種傳輸距離的最佳性能價格比解決方案，并且光轉發(fā)單元發(fā)射部分的波長穩(wěn)定度在0~60°C范圍內小于±3GHz。

9、副載波多址（SCMA）技術：該技術的基本原理是將多路基帶控制信號調制到不同頻率的射頻（超短波到微波頻率）波上，然后將多路射頻信號復用后再去調制一個光載波。在ONU端進行二次解調，首先利用光探測器從光信號中得到多路射頻信號，并從中選出該單元需要接收的控制信號，再用電子學的方法從射頻波中恢復出基帶控制信號。在控制信道上使用SCMA接入，不僅可降低網(wǎng)絡成本，還可解決控制信道的競爭。

10、空分光交換技術：該技術的基本原理是將光交換元件組成門陣列開關，并適當控制門陣列開關，即可在任一路輸入光纖和任一輸出光纖之間構成通路。因其交換元件的不同可分為機械型、光電轉換型、復合波導型、全反射型和激光二極管門開關等，如耦合波導型交換元件鑰酸鉀，它是一種電光材料，具有折射率隨外界電場的變化而發(fā)生變化的光學特性。以鈮酸鉀為基片，在基片上進行鈦擴散，以形成折射率逐漸增加的光波導，即光通路，再焊上電極后即可將它作為光交換元件使用。當將兩條很接近的波導進行適當?shù)膹秃?，通過這兩條波導的光束將發(fā)生能量交換。能量交換的強弱隨復合系數(shù)。平行波導的長度和兩波導之間的相位差變化，只要所選取的參數(shù)適當，光束就在波導上完全交錯，如果在電極上施加一定的電壓，可改變折射率及相位差。由此可見，通過控制電極上的電壓，可以得到平行和交叉兩種交換狀態(tài)。

11、光放大技術：為了克服光纖傳輸中的損耗，每傳輸一段距離，都要對信號進行電的“再生”。隨著傳輸碼率的提高，“再生”的難度也隨之提高，成了信號傳輸容量擴大的“瓶頸”。于是一種新型的光放大技術就出現(xiàn)了，例如摻鉺光纖放大器的實用化實現(xiàn)了直接光放大，節(jié)省了大量的再生中繼器，使得傳輸中的光纖損耗不再成為主要問題，同時使傳輸鏈路“透明化”，簡化了系統(tǒng)，成幾倍或幾十倍地擴大了傳輸容量，促進了真正意義上的密集波分復用技術的飛速發(fā)展，是光纖通訊領域上的一次革命。

12、時分光交換技術：該技術的原理與現(xiàn)行的電子程控交換中的時分交換系統(tǒng)完全相同，因此它能與采用全光時分多路復用方法的光傳輸系統(tǒng)匹配。在這種技術下，可以時分復用各個光器件，能夠減少硬件設備，構成大容量的光交換機。該技術組成的通信技術網(wǎng)由時分型交換模塊和空分型交換模塊構成。它所采用的空分交換模塊與上述的空分光交換功能塊完全相同，而在時分型光交換模塊中則需要有光存儲器（如光纖延遲存儲器、雙穩(wěn)態(tài)激光二極管存儲器）、光選通器（如定向復合型陣列開關）以進行相應的交換。

13、無源光網(wǎng)技術（PON）：無源光網(wǎng)技術多用于接入網(wǎng)部分。它以點對多點方式為光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡單元（ONU）P這間提供光傳輸媒質，而這又必須使用多址接入技術。目前使用中的有時分多址接入（TDMA）、波分復用（WDM）、副載波多址接入（SCMA）3種方式。PON中使用的無源光器件有光纖光纜、光纖接頭、光連接器、光分路器、波分復用器和光衰減器。拓撲結構可采用總線形、星形、樹形等多種結構。

全光通信網(wǎng)的概念圖如圖1所示。由圖可見,這種網(wǎng)絡內部是透明的光網(wǎng)絡,能容納多種業(yè)務格式。網(wǎng)絡節(jié)點可以通過選擇合適的波長進行透明的發(fā)送或接收。通過對光交叉連接(0XC)的適當配置,可以進一步擴展透明光傳輸?shù)木嚯x。在全光網(wǎng)的外部還有一個通用網(wǎng)絡控制部分,用來實現(xiàn)網(wǎng)絡的重構,使得波長和容量能在整個網(wǎng)絡內進行動態(tài)分配,以適應通信和業(yè)務性能不斷變化的需要。

全光網(wǎng)絡的基本結構如圖2所示。按照分層的概念,全光網(wǎng)絡一般由業(yè)務層、適配層和光層組成。而光傳輸網(wǎng)又可以垂直劃分為3個獨立的網(wǎng)絡層,即光通路層、光復用段層和光傳輸段層。光通路層為透明傳輸各種不同格式的客戶層信號的光通路提供端到端的聯(lián)網(wǎng)功能;光復用段層為多波長光信號提供聯(lián)網(wǎng)功能;光傳輸段層為光信號提供在各種不同類型的光傳輸媒質中傳輸?shù)墓δ?。整個光傳輸網(wǎng)由光纖構成的物理媒質層所支持。

全光網(wǎng)絡由于從端到端采用透明的光通路連接,因而具有結構簡單、便于維護、可靠性高以及具有網(wǎng)絡可擴展性等優(yōu)點;它以波長選擇路由,對傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式及調制方式均具有透明性,可提供多種協(xié)議的業(yè)務。此外,由于它能根據(jù)業(yè)務量需求的變化改變網(wǎng)絡結構,具有網(wǎng)絡的可重組性,因而有利于網(wǎng)絡資源的充分利用。

圖1全光網(wǎng)絡概念圖

圖2全光網(wǎng)絡的基本結構

NMS:網(wǎng)絡管理系統(tǒng)

EMS:網(wǎng)元管理系統(tǒng)

TM:終端復用

WDM:波分復用器

OADM:光分插復用器

OXC:光交叉連接