光通信

1960年7月8日，美国科学家梅曼发明了红宝石激光器，从此人们便可获得性质和电磁波相似而频率稳定的光源。研究现代化光通信的时代也从此开始。激光器的英文简称叫LASER，意思是“受激发射的光放大”。这种激光器产生的光与普通的灯光不一样，它是受物质原子结构本质决定的光，频率稳定，约为100太赫。这种光的频率比已经广泛应用的微波（频率约为10兆赫）的频率高1万倍。因此，用这种光来传送信息从理论上来说，通信的容量可以比微波通信的容量也大1万倍！因此，激光器的发明对光通信的研究工作产生了重大的影响。但是最初发明的激光器在室温下不能连续工作，因此，还不可能在通信中获得实际应用。

随着互联网的发展，人们提出了网络时代的三大定律:

第一定律：摩尔定律。

早在1964年，英特尔公司创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。由此，微处理器的速度会每18个月翻一番。这就意味着每5年它的速度会快10倍，每10年会快100倍。同等价位的微处理器会越变越快，同等速度的微处理器会越变越便宜。可以想见，在未来，世界各地的人不但都可以通过自己的计算机上网，而且还可以通过他们的电视、电话、电子书和电子钱包上网。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路近40年的发展历史准确无误地验证着。

第二定律：吉尔德定律。

乔治·吉尔德曾预测，在未来25年，主干网的带宽将每6个月增加一倍。其增长速度超过摩尔定律预测的ＣＰＵ增长速度的3倍。今天，几乎所有知名的电讯公司都在乐此不疲地铺设缆线。当带宽变得足够充裕时，上网的代价也会下降。在美国，今天已经有很多的ＩＳＰ向用户提供免费上网的服务。

第三定律：麦特卡尔夫定律。

以太网的发明人鲍勃·麦特卡尔夫告诉我们：网络价值同网络用户数量的平方成正比。如果将机器联成一个网络，在网络上，每一个人可以看到所有其他人的内容，100人每人能看到100人的内容，所以效率是10000。10000人的效率就是100000000。

联合国“1999世界电信论坛会议” 副主席约翰·罗斯 (John Roth)在10日论坛开幕演说时提出“新摩尔定律”――光纤定律，互联网带宽每9个月会增加一倍的容量，但成本降低一半，比晶片变革速度的每18个月还快。

摩尔定律(Moore's Law)用来形容半导体科技的快速变革，平均每18个月，晶片的容量会成长一倍，成本却减少一半；“光纤定律”(OpticalLaw)则用来形容网络科技。左面是几种关键技术的发展速度示意图。

光通信就是以光波为载波的通信。增加光路带宽的方法有两种：一是提高光纤的单信道传输速率；二是增加单光纤中传输的波长数，即波分复用技术（WDM）。

目前宽带城域网（BMAN）正成为信息化建设的热点，DWDM（密集波分复用）的巨大带宽和传输数据的透明性，无疑是当今光纤应用领域的首选技术。然而，MAN等具有传输距离短、拓扑灵活和接入类型多等特点，如照搬主要用于长途传输的DWDM，必然成本过高；同时早期DWDM对MAN等灵活多样性也难以适应。面对这种低成本城域范围的宽带需求，CWDM（粗波分复用）技术应运而生，并很快成为一种实用性的设备。

对光通信来说，其技术基本成熟，而业务需求相对不足。以被誉为“宽带接入最终目标”的FTTH为例，其实现技术EPON已经完全成熟，但由于普通用户上网需要的带宽不高，使FTTH的商用只限于一些试点地区。但是，在2006年，随着IPTV等三重播放业务开展，运营商提供的带宽已经不能满足用户对高清晰电视的要求，随之FTTH的部署也提上了日程。无独有偶，ASON对传输网络控制灵活，可为企业客户提供个性化服务，不少运营商为发展和维系企业客户，不惜重金投资建设ASON。

全光网络未来传输网络的最终目标，是构建全光网络，即在接入网、城域网、骨干网完全实现“光纤传输代替铜线传输”。而目前的一切研发进展，都是“逼近”这个目标的过程。

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。下面是光通信系统图。

美国是世界上开展空间光通信最早的国家,主要研究部门是美国宇航局(NASA)和美国空军。美国宇航局选择喷气推进实验室(JetPulsionLab-JPL)进行卫星激光通信系统的研制,1995年完成了激光通信演示系统(LaserCommunicationDemonstrationSystems-LCDS),数据率为750Mbps。

该室目前正在进行激光通信演示系统(OpticalCommunicationdemonstration-OCD)研究,主要进行航天飞机与地面间通信链路的性能演示,传输速率为100Mbps。在工业界的资助下,JPL还正在开发500Mbps激光通信设备,已完成分析和设计工作,一些关键子系统也已研制成功,并正在进行子系统的工程组装工作。JPL目前还正在研制高功率(315W)Nd-YAG激光器、窄带激光滤波器及地面和空间的激光卫星跟踪网络。

此外,美国宇航局还支持JPL进行其他卫星通信计划,如实现图像功能的窄带激光滤波器以及地面和空间的激光卫星通信跟踪网络。 美国的战略导弹防御组织(BMDO)也正在积极进行空间激光通信的研制开发工作,该工程由空军提供主要经费,由MIT林肯实验室进行有关关键技术和系统技术的研究。现已研制出激光通信终端设备,并进行了作用距离42km、信息率1Gbps、误码率Pe为10-6的全天候跟瞄实验。

林肯实验室还研制出了窄带并且具有空间搜索和跟踪功能、达到量子限的收发光端机,该端机采用单模光纤进行内部连接。新近又研制出蓝绿光接收系统的快速原子谐振滤波器,相关合成技术的光多孔排列装置,宽角多址系统的码分多址技术,高功率(315W)半导体激光功率放大器,1~2Gbps高速编码芯片,掺铒光纤功放/发信机,10Gbps高速调制器和具有近量子

全光通信的实现将使上述问题迎刃而解。实现透明的、具有高度生存性的全光通信网是宽带通信网未来发展目标，而要实现这样的目标需要有先进的技术来支撑，下面就是实现准确、有效、可靠的全光通信应采用的技术：

1、光层开销处理技术：该技术是用信道开销等额外比特数据从外面包裹Och客户信号的一种数字包封技术，它能在光层具有管理光信道（Och）的OAM（操作、管理、维护）信息的能力和执行光信道性能监测的能力，该技术同时为光网络提供所有SONET/SDH网所具有的强大管理功能和高可靠性保证。

2、光监控技术：在全光通信系统中，必须对光放大器等器件进行监视和管理。一般技术采用额外波长监视技术，即在系统中再分插一个额外的信道传送监控信息。而光监控技术采用1510nm波长，并且对此监控信道提供ECC的保护路由，当光缆出现故障时，可继续通过数据通信网（DCN）传输监控信息。

3、信息再生技术：大家知道，信息在光纤通道中传输时，如果光纤损耗大和色散严重将会导致最后的通信质量很差，损耗导致光信号的幅度随传输距离按指数规律衰减，这可以通过全光放大器来提高光信号功率。色散会导致光脉冲发生展宽，发生码间干扰，使系统的误码率增大，严重影响了通信质量。因此，必须采取措施对光信号进行再生。目前，对光信号的再生都是利用光电中继器，即光信号首先由光电二极管转变为电信号，经电路整形放大后，再重新驱动一个光源，从而实现光信号的再生。这种光电中继器具有装置复杂、体积大、耗能多的缺点。而最近，出现了全光信息再生技术，即在光纤链路上每隔几个放大器的距离接入一个光调制器和滤波器，从链路传输的光信号中提取同步时钟信号输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制，使光脉冲变窄、频谱展宽、频率漂移和系统噪声降低，光脉冲位置得到校准和重新定时。全光信息再生技术不仅能从根本上消除色散等不利因素的影响，而且克服了光电中继器的缺点，成为全光信息处理的基础技术之一。

4、动态路由和波长分配技术：给定一个网络的物理拓扑和一套需要在网络上建立的端到端光信道，而为每一个带宽请求决定路由和分配波长以建立光信道的问题也就是波长选路由和波长分配问题（RWA）。目前较成熟的技术有最短路径法、最少负荷法和交替固定选路法等。根据节点是否提供波长转换功能，光通路可以分为波长通道（WP）和虚波长通道（VWP）。WP可看作VMP的特例，当整个光路都采用同一波长时就称其为波长通道反之是虚波长通道。在波长通道网络中，由于给信号分配的波长通道是端到端的，每个通路与一个固定的波长关联，因而在动态路由和分配波长时一般必须获得整个网络的状态，因此其控制系统通常必须采用集中控制方式，即在掌握了整个网络所有波长复用段的占用情况后，才可能为新呼叫选一条合适的路由。这时网络动态路由和波长分配所需时间相对较长。而在虚波长通道网络中，波长是逐个链路进行分配的，因此可以进行分布式控制，这样可以大大降低光通路层选路的复杂性和选路所需的时间但却增加了节点操作的复杂性。由于波长选路所需的时间较长，近期提出了一种基于波长作为标记的多协议波长标记交换（MPLS）的方案，它将光交叉互联设备视为标记交换路由器进行网络控制和管理。在基于MPLS的光波长标记交换网络中的光路由器有两种：边界路由器和核心路由器。边界路由器用于与速率较低的网络进行业务接入，同时电子处理功能模块完成MPLS中较复杂的标记处理功能，而核心路由器利用光互联和波长变换技术实现波长标记交换和上下路等比较简单的光信号处理功能。它可以更灵活地管理和分配网络资源，并能较有效地实现业务管理及网络的保护、恢复。

5、光时分多址（OTDMA）技术：该技术是在同一光载波波长上，把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使每个光网络单元（ONU）在每帧内只按指定的时隙发送信号，然后利用全光时分复用方法在光功率分配器中合成一路光时分脉冲信号，再经全光放大器放大后送入光纤中传输。在交换局，利用全光时分分解复用。为了实现准确，可靠的光时分多址通信，避免各ONU向上游发送的码流在光功率分配器合路时可能发生碰撞，光交换局必须测定它与各ONU的距离，井在下行信号中规定光网络单元（ONU）的严格发送定时。

6、光突发数据交换技术：该技术是针对目前光信号处理技术尚未足够成熟而提出的，在这种技术中有两种光分组技术：包含路由信息的控制分组技术和承载业务的数据分组技术。控制分组技术中的控制信息要通过路由器的电子处理，而数据分组技术不需光电/电光转换和电子路由器的转发，直接在端到端的透明传输信道中传输。

7、光波分多址（WDMA）技术：该技术是将多个不同波长且互不交叠的光载波分配给不同的光网络单元（ONU），用以实现上行信号的传输，即各ONU根据所分配的光载波对发送的信息脉冲进行调制，从而产生多路不同波长的光脉冲，然后利用波分复用方法经过合波器形成一路光脉冲信号来共享传输光纤并送入到光交换局。在WDMA系统中为了实现任何允许节点共享信道的多波长接入，必须建立一个防止或处理碰撞的协议，该协议包括固定分配协议、随机接入协议（包括预留机制、交换和碰撞预留技术）及仲裁规程和改装发送许可等。

8、光转发技术：在全光通信系统中，对光信号的波长、色散和功率等都有特殊的要求，为了满足ITU-T标准规范，必须采用光-电-光的光转发技术对输入的信号光进行规范，同时采用外调制技术克服长途传输系统中色散的影响。光纤传输系统所用的光转发模块主要有直接调制的光转发模块和外调制的光转发模块两种。外调制的光转发模块包括电吸收（EA）调制和LiNbO3调制等。在光纤传输系统中，选用那种光发模块要根据实际传输距离和光纤的色散情况而定。在全光通信系统中，可以采用多种调制类型的光转发模块，色散容限有1800/4000/7200/12800ps/nm等诸多选择，满足不同的传输距离的需求，为用户提供从1km至640km各种传输距离的最佳性能价格比解决方案，并且光转发单元发射部分的波长稳定度在0~60°C范围内小于±3GHz。

9、副载波多址（SCMA）技术：该技术的基本原理是将多路基带控制信号调制到不同频率的射频（超短波到微波频率）波上，然后将多路射频信号复用后再去调制一个光载波。在ONU端进行二次解调，首先利用光探测器从光信号中得到多路射频信号，并从中选出该单元需要接收的控制信号，再用电子学的方法从射频波中恢复出基带控制信号。在控制信道上使用SCMA接入，不仅可降低网络成本，还可解决控制信道的竞争。

10、空分光交换技术：该技术的基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一输出光纤之间构成通路。因其交换元件的不同可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反射型和激光二极管门开关等，如耦合波导型交换元件钥酸钾，它是一种电光材料，具有折射率随外界电场的变化而发生变化的光学特性。以铌酸钾为基片，在基片上进行钛扩散，以形成折射率逐渐增加的光波导，即光通路，再焊上电极后即可将它作为光交换元件使用。当将两条很接近的波导进行适当的复合，通过这两条波导的光束将发生能量交换。能量交换的强弱随复合系数。平行波导的长度和两波导之间的相位差变化，只要所选取的参数适当，光束就在波导上完全交错，如果在电极上施加一定的电压，可改变折射率及相位差。由此可见，通过控制电极上的电压，可以得到平行和交叉两种交换状态。

11、光放大技术：为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离，都要对信号进行电的“再生”。随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。于是一种新型的光放大技术就出现了，例如掺铒光纤放大器的实用化实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，使得传输中的光纤损耗不再成为主要问题，同时使传输链路“透明化”，简化了系统，成几倍或几十倍地扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用技术的飞速发展，是光纤通讯领域上的一次革命。

12、时分光交换技术：该技术的原理与现行的电子程控交换中的时分交换系统完全相同，因此它能与采用全光时分多路复用方法的光传输系统匹配。在这种技术下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设备，构成大容量的光交换机。该技术组成的通信技术网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。它所采用的空分交换模块与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分型光交换模块中则需要有光存储器（如光纤延迟存储器、双稳态激光二极管存储器）、光选通器（如定向复合型阵列开关）以进行相应的交换。

13、无源光网技术（PON）：无源光网技术多用于接入网部分。它以点对多点方式为光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）P这间提供光传输媒质，而这又必须使用多址接入技术。目前使用中的有时分多址接入（TDMA）、波分复用（WDM）、副载波多址接入（SCMA）3种方式。PON中使用的无源光器件有光纤光缆、光纤接头、光连接器、光分路器、波分复用器和光衰减器。拓扑结构可采用总线形、星形、树形等多种结构。

全光通信网的概念图如图1所示。由图可见,这种网络内部是透明的光网络,能容纳多种业务格式。网络节点可以通过选择合适的波长进行透明的发送或接收。通过对光交叉连接(0XC)的适当配置,可以进一步扩展透明光传输的距离。在全光网的外部还有一个通用网络控制部分,用来实现网络的重构,使得波长和容量能在整个网络内进行动态分配,以适应通信和业务性能不断变化的需要。

全光网络的基本结构如图2所示。按照分层的概念,全光网络一般由业务层、适配层和光层组成。而光传输网又可以垂直划分为3个独立的网络层,即光通路层、光复用段层和光传输段层。光通路层为透明传输各种不同格式的客户层信号的光通路提供端到端的联网功能;光复用段层为多波长光信号提供联网功能;光传输段层为光信号提供在各种不同类型的光传输媒质中传输的功能。整个光传输网由光纤构成的物理媒质层所支持。

全光网络由于从端到端采用透明的光通路连接,因而具有结构简单、便于维护、可靠性高以及具有网络可扩展性等优点;它以波长选择路由,对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性,可提供多种协议的业务。此外,由于它能根据业务量需求的变化改变网络结构,具有网络的可重组性,因而有利于网络资源的充分利用。

图1全光网络概念图

图2全光网络的基本结构

NMS:网络管理系统

EMS:网元管理系统

TM:终端复用

WDM:波分复用器

OADM:光分插复用器

OXC:光交叉连接