第1章緒論1.1光纖通信的發展和應用

1.2光纖通信網絡

本章主要介紹光纖通信及其網絡的基本概念、主要技術、發展歷程及未來發展的展望等，以期給讀者一個關于光纖通信系統及網絡技術的概況描述。

1.1.1光纖通信的基本概念

光纖通信是指利用相干性和方向性極好的激光作為載波(也稱光載波)來攜帶信息，并利用光導纖維(簡稱光纖)來進行傳輸的通信方式。1.1光纖通信的發展和應用人們很早就提出了將需要傳輸的信息以某種方式調制在光載波上進行遠距離傳輸的思想，但始終未能實現。這主要有兩個原因:一是沒有合適的光源，通常的自然光源及電光源的光譜很寬，且是非相干的，很難按無線電波的方式進行調制以實現通信；二是沒有合適的傳輸媒質，光在大氣中傳播時受天氣因素的影響極為嚴重，另外光信號在一般的介質材料中傳播時的損耗極大。在20世紀60年代以前，即便在最好的光學玻璃中傳播時，光信號的傳輸損耗也在1000dB/km以上，顯然在這樣的介質中實現光信號的長距離傳輸是不現實的。

20世紀50年代末60年代初，激光的出現為實現現代意義上的光纖通信提供了合適的光源。激光器是光譜線極窄、方向性極好的相干光源，可以對其進行類似于無線電波那樣的調制。在各種類型的激光器中，半導體激光器因其體積小、壽命長且價格低廉等特點而成為實用的和商品化的通信光源。

20世紀70年代初，低損耗光導纖維的問世為光通信提供了合適的傳輸媒質。1966年，英籍華裔科學家高錕博士指出，只要將石英玻璃中金屬離子的含量大幅度降低，即可通過適當的拉絲工藝制造出傳輸損耗低于20dB/km的玻璃纖維，這樣的玻璃纖維就可以用于長距離的信號傳輸。1970年，美國康寧玻璃公司率先根據這種思路制造了世界上第一根低損耗光導纖維，其傳輸損耗低于20dB/km。此后，低損耗光導纖維的研究及制造技術取得了飛速的發展，到了20世紀70年代末，在1310nm波長上，石英光纖的傳輸損耗已降至0.4dB/km；而在1550nm波長上，傳輸損耗降至0.2dB/km以下，這已接近了石英系光纖傳輸損耗的理論極限。1.1.2光纖通信的主要優點

由于光纖通信是利用光導纖維傳輸光信號來實現通信的，因此與其他的通信方式相比有著明顯的優越性。光纖具有傳輸容量大、傳輸損耗小、重量輕、不怕電磁干擾等許多其他傳輸媒質所不具有的優點。

(1)傳輸容量大。光是頻率極高的電磁波，以它作為信號的載運體就可傳輸具有極寬頻譜的信號。例如，在光纖中傳輸的激光屬于近紅外線范圍，其波長在0.75μm~2.5μm之間，頻率約為3×1014Hz,若以其頻率的1/10作為傳輸頻帶，則可傳輸約1010個電話信號。因此光纖在其單位面積上具有極大的信號傳輸能力，即單位面積上的信息密度極高，所傳輸信息的容量極大。

光纖通信系統的傳輸容量取決于光纖特性、光源特性和調制特性。目前，光纖通信系統中使用的是以SiO2

為主要材料的光纖,而單模光纖有著極寬的頻帶寬度。例如，在光纖通信中適用的1310nm波長段和1550nm波長段，這兩個傳輸低損耗區之間約有200nm的寬度，在理論上可提供相當于30THz的頻段寬度。光纖的色散特性是決定光纖通信系統帶寬的因素之一。由于石英單模光纖在λ＝1310nm或λ＝1550nm處具有零色散特性，因此單模光纖都具有幾十吉赫茲·千米的帶寬。

在一根帶狀光纜中可以容納幾百根乃至幾千根光纖，從而使通信線路的傳輸容量成百倍、千倍地增加。就單根光纖而言，采用波分復用技術或頻分復用技術，或減小光源的光譜線寬度，或采用外調制方式等都是增加光纖通信系統傳輸容量的有效辦法。

(2)傳輸損耗小，中繼距離長。目前單模光纖在1310nm波長的窗口損耗約為0.35dB/km，1550nm的窗口損耗約為0.2dB/km，而且在相當寬的頻帶內各頻率的傳輸損耗幾乎一樣，因此用光纖比用同軸電纜或波導管達到的中繼距離要長得多。例如，在波長為1550nm的色散位移單模光纖通信系統中，若傳輸速率為2.5Gb/s，則中繼距離可達150km；若傳輸速率為10Gb/s，則中繼距離可達100km。若在該系統中采用了光纖放大器和色散補償光纖，則其中繼距離還可以再增加。

(3)泄漏小，保密性好。光信號在光纖中傳輸時，向外泄漏的光能量是很微弱的，難以被竊聽，與無線通信和有線通信相比，具有較好的保密性，因此信息在光纖中傳輸是非常安全的。

(4)節省了大量的有色金屬。通常制造電纜需要消耗大量的銅和鉛等有色金屬，以四管中同軸電纜為例，1km四管中同軸電纜約需460kg的銅，而制造1km的光纖，只需幾十克的石英即可，而且制造光纖的石英(SiO2)材料資源豐富,價格便宜。

(5)抗電磁干擾性能好。光纖由SiO2

材料制成，它不會受到各種電磁場的干擾，強電、雷擊等也不會對光纖的傳輸性能產生影響，甚至在核輻射的環境中，光纖通信仍能正常進行。因此，光纖通信在電力輸配、電氣化鐵路、雷擊多發地區、核試驗等環境中的應用就更能體現其優越性。

(6)重量輕，可撓性好，敷設方便。在傳輸同一信息量時，光纜的重量比其他通信電纜的重量要輕得多，每根光纖的直徑很小，制成光纜后可充分地利用地下管道進行敷設。例如二次套塑的光纖，即使將它以幾厘米的曲率半徑彎曲也不會折斷，在施工時就可以采用與電纜相同的敷設技術進行敷設。

總之，光纖通信不僅在技術上具有較大的優越性，而且在經濟上亦具有巨大的競爭能力，因此在通信領域中將會發揮越來越重要的作用。1.1.3光纖通信的發展現狀

20世紀70年代以來，光纖通信已經取得了突飛猛進的發展。回顧光纖通信的發展歷程，可以看到光纖通信在提高傳輸速率和增加通信容量上下了很大的功夫。目前，10Gb/s的光纖通信系統已經商用化，而40Gb/s的光纖通信系統也即將投入使用。采用波分復用技術，即在一根光纖上同時傳輸多個光載波，可成倍地增加通信容量。另外，提高中繼距離也是光纖通信研究的方向，其采用的技術主要是提高接收機的靈敏度和入纖光功率。提高接收機靈敏度的最有效的方法是采用相干光通信方式，而提高入纖光功率最有效的方法是采用半導體激光放大器或光纖放大器。展望未來，光纖通信系統仍將在超高速及超長距離無中繼的傳輸上下功夫。

縱觀光纖通信的發展過程，可以看到光纖通信的發展主要表現在以下幾個方面：

(1)由單波長通道向多波長通道過渡。下一代光纖通信系統將普遍地采用波分復用WDM技術，使得系統傳輸的總容量提高到幾百吉比特每秒及以上，而中繼距離也達數百千米乃至數千千米。

(2)用戶網絡的光纖化。光纖通信的重要領域之一是實現電信網格的全光纖化，而實現通信網絡的全光纖化所面臨的困難是光纖用戶網絡，這使得光纖用戶網絡的研究成為近年來光纖通信領域中的研究熱點。目前，由于光纖用戶網絡的成本較高，在價格上難以與電纜網絡競爭，加之圖像壓縮技術的發展，電纜網絡較窄的傳輸帶寬還未成為其致命的弱點，因此在用戶網絡中電纜仍居于主要地位。隨著光纖及光器件成本的降低以及用戶對多種寬帶業務需求的增長，光纖用戶網絡會取得突破性的進展，電信網絡的全光纖化已為期不遠了。

(3)光交換節點將取代電交換節點。由于采用波分復用技術使得傳輸速率得到了極大的提高，因此電交換節點的速率成了影響整個網絡傳輸速率的瓶頸，電交換機將被光交換機所取代。所謂光交換是指對光纖傳送的光信號直接進行交換。光交換是在光域中完成光交換功能的，而無需將光信號轉換成電信號。由于輸入信號和輸出信號都是光信號，因而光交換有效地減少了信號的時延，增大了系統的吞吐量。

(4)相干光通信是未來的光纖通信方式。它與傳統的強度調制-直接檢測(IM-DD)系統相比，主要差別在于其接收機采用的是外差式接收或零差式接收，同時在接收機中增加了本振光源和光混頻器，具有了混頻增益的特性，從而使得系統的接收靈敏度極高，而且具有出色的波長選擇性。這些優點使得相干光通信必將在波分復用系統，尤其是密集波分復用系統中發揮巨大的作用。相干光通信對光源的光譜寬度、光源的頻率穩定性以及光的偏振(極化)特性，光纖的傳輸損耗、色散、偏振狀態都提出了十分苛刻的要求，因而其目前尚未實用化。隨著時間的推移，上述問題必將得到解決。在不久的將來，人們就可以像現在調節無線電接收機那樣，通過調節光接收機的本振光源波長，從眾多的信息通道中極為方便地調出所需要的任何信息。

(5)孤子通信與全光系統。光脈沖在光纖中傳輸時，光纖的色散效應會導致光脈沖展寬，從而限制了傳輸速率和中繼距離。而光纖的非線性作用恰好相反，它使脈沖在傳輸過程中變窄，并最終導致脈沖破裂，從而限制了入纖光功率。如果同時利用上述的兩種作用，那么在一定條件下可以使光纖的非線性效應與色散效應相互抵消，從而保持光脈沖在傳播過程中不變形而形成所謂的孤子。利用光孤子通信時，其傳輸速率可高達1Tb/s。將光孤子傳輸技術與光放大技術相結合即可拋棄傳統的光—電—光再生中繼方式，以實現超長距離、超高速的全光通信，而其實現的關鍵就在于光孤子的產生、光孤子的編碼調制技術以及光放大技術。目前，雖然光孤子通信的真正實用化還有待時日，但是光孤子通信的誘人前景必將吸引各國的科學家、工程師不遺余力地去解決在其實用化過程中遇到的難題。可以預見，以光孤子通信為標志的全光通信時代必將到來。1.1.4光纖通信系統的構成

目前實用的光纖通信系統較多采用的是數字編碼、強度調制-直接檢測的通信系統(IM-DD系統)，這種系統的框圖如圖1-1所示。

圖1-1光纖通信系統的框圖圖1-1所示的光纖通信系統是一個單方向傳輸的示意圖，其反方向傳輸的結構也是相同的。在圖1-1中，電端機即為復用設備(準同步復用或同步復用)，其作用是對來自信息源的信號進行處理，如模/數變換、多路復用等。光發送機、光纖線路和光接收機構成了可作為獨立的“光信道”單元的基本光路系統。如果給其配置適當的接口設備，那么就可以將其接入現有的數字通信系統(或模擬通信系統)或者有線通信系統(或無線通信系統)的發射端與接收端之間；此外，若配置適當的光器件，還可以組成傳輸能力更強、功能更完善的光纖通信系統。例如，在光纖線路中接入光纖放大器組成的光中繼長途系統；配置波分復用器和解復用器組成的大容量波分復用系統；使用耦合器或光開關組成的無源光網絡等。下面簡要介紹基本光路系統的三個組成部分。

(1)光發送機。光發送機的作用是把輸入的電信號轉換成光信號，并將光信號最大限度地注入光纖線路。光發送機由光源、驅動器和調制器組成。光發送機的核心是光源，對光源的要求是其輸出功率要足夠大，調制速率要高，光譜線寬度和光束發散角要小，輸出光功率和光波長要穩定，器件的壽命要長。目前，廣泛使用的光源有半導體激光器(或稱激光二極管，LD)和半導體發光二極管(LED)。普通的激光器光譜線寬度較寬，是多縱模激光器，在高速率調制下激光器的輸出頻譜較寬，從而限制了傳輸的碼速和中繼距離。因此，一種光譜線寬度很窄的單縱模分布反饋(DFB)激光器已經逐漸被廣泛應用。

光發送機把電信號轉換成光信號的過程是通過電信號對光源進行調制而實現的。光調制有直接調制和間接調制(也稱外調制)兩種。直接調制是利用電信號注入半導體激光器或發光二極管從而獲得相應的光信號的，其輸出功率的大小隨信號電流的大小而變化，這種方式較簡單且容易實現，但其調制速率會受到激光器特性的限制。外調制是把激光的產生和調制分開來進行的，在激光形成后再加載調制信號，是用獨立的調制器對激光器輸出的激光進行調制的。外調制方法在相干光通信中得到了應用。

(2)光纖線路。光纖線路是光信號的傳輸媒質，可把來自發送機的光信號以盡可能小的衰減和脈沖展寬傳送到接收機。對光纖的要求是其基本傳輸參數衰減和色散要盡可能地小，并要有一定的機械特性和環境特性，如工程中使用的光纜是由許多根光纖絞合在一起組成的。整個光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器等組成。目前光纖線路中使用的光纖均為石英光纖，在石英光纖的損耗-波長特性中有三個低損耗的波長區，即波長分別為850nm、1310nm和1550nm的三個低損耗區,因此光纖通信系統的工作波長只能選擇在這三個波長區，而激光器的發射波長、光檢測器的響應波長都應與其一致。這三個低損耗區相對應的損耗分別小于2dB/km、0.4dB/km和0.2dB/km。

石英光纖有多模光纖和單模光纖兩種，單模光纖的傳輸性能比多模光纖的好，因此在大容量、長距離的光纖傳輸系統中都采用單模光纖作為傳輸線路。針對不同要求的光纖通信系統，所使用的光纖類型有G.651光纖(多模光纖)、G.652光纖(常規單模光纖)、G.653光纖(色散位移光纖)、G.654光纖(低損耗光纖)和G.655光纖(非零色散位移光纖)等。

(3)光接收機。光接收機的功能是把由發送機發送的、經光纖線路傳輸后輸出的已產生畸變和衰減的微弱光信號轉換為電信號，并經放大、再生恢復為原來的電信號。光接收機由光檢測器、放大器和相關電路組成。對光檢測器的要求是其響應度要高、噪聲要低、響應速度要快。目前廣泛使用的光檢測器有光電二極管(PIN)和雪崩光電二極管(APD)。 光接收機把光信號轉換為電信號的過程是通過光檢測器實現的。光檢測器檢測的方式有直接檢測和外差檢測兩種。直接檢測是由光檢測器直接把光信號轉換為電信號。外差檢測是在接收機中設置一個本地振蕩器和一個混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的光進行混頻產生差拍而輸出中頻信號，再由光檢測器把中頻信號轉換成電信號。在外差檢測方式中，對本地激光器的要求很高，要求光源是頻率非常穩定、光譜線寬度很窄、相位和偏振方向可控制的單模激光器，其優點是接收靈敏度高。目前光纖通信系統中普遍采用強度調制-直接檢測方式，而外差檢測方式用在相干光纖通信中，雖然外調制-外差檢測方式的技術較復雜，但其具有傳輸速率高、接收靈敏度高等優點，是一種有應用前途的通信方式。

衡量接收機質量的主要指標是接收靈敏度，它表示在一定誤碼率的條件下，接收機調整到最佳狀態時接收微弱信號的能力。接收機的噪聲是影響接收靈敏度的主要因素。 對于長距離傳輸的光纖傳輸系統，在傳輸途中還需要接入光中繼器，其作用是將經過光纖長距離衰減和畸變后的微弱光信號放大和整形，并再生成具有一定強度的光信號繼續送向前方，以保證良好的通信質量。以往光纖通信系統中的光中繼器都是采用光—電—光信號的形式，即將接收到的光信號用光電檢測器變換成電信號，經放大、整形、再生后再對光源進行調制才能將電信號變換成光信號重新發出，而不是直接把光信號放大。但隨著光放大器(如摻鉺光纖放大器)的開發以及技術日趨成熟，將光信號直接放大傳輸已成為可能，也就是說采用光放大器的全光中繼和全光網絡已為期不遠了。1.1.5光纖通信系統的應用

光纖可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號,在通信網絡、廣播電視網絡、計算機網絡以及其他的數據傳輸系統中都得到了廣泛的應用。

光纖通信系統的各種應用概括如下：

(1)通信網絡。通信網絡主要用于遍及全球的電信網中語音和數據的通信，包括全球通信網(國家和國家間的光纜干線)、各國的公共電信網(如我國的國家一級干線、省級干線及縣以下的支線和市話中繼通信系統)、專用網(如電力、鐵道、國防通信等的光纜系統)和特殊的通信網絡(如石油、化工、煤礦等易燃易爆環境下使用的光纜通信系統)。

(2)計算機網絡中的局域網和廣域網，如光纖以太網、路由器之間的高速傳輸鏈路等。

(3)有線電視網絡，如有線電視的干線和分配網；工業電視系統，如工廠、銀行、商場、交通和公安部門的監控系統；自動控制系統的數據傳輸等。

(4)綜合業務的光纖接入網絡。它分為有源接入網和無源接入網，可實現電話、數據、視頻及多媒體業務的接入，還可提供各種各樣的社區服務等。

1.2.1光纖通信網絡的基本概念

兩個用戶之間需要通信時，須利用通信系統來完成。也就是說，若讓A、B兩地的用戶互相通信，則必須在他們之間建立一個通信系統。對于離散分布的n個用戶，若要讓其中任意兩個用戶能互相通信，最簡單的方法是用通信系統把各用戶分別一一連接起來，這就需要建立n(n－1)/2個通信系統，從而形成了一個連接多個用戶的網狀結構，即通信網絡，簡稱通信網,如圖1-2所示。1.2光纖通信網絡

圖1-2n個用戶相互通信無集中交換的網狀結構對于光纖通信網絡，若從其所承載的通信業務來分，則有電話網、電報網、傳真通信網、計算機數據網、圖像通信網及有線電視網等；若按其所服務區域的范圍來分，可分為長途骨干網、本地網以及用戶接入網。

光纖通信網絡實質上是由用戶終端設備、傳輸設備、交換設備等硬件系統以及相應的信令系統、協議、標準、資費制度與質量標準等軟件系統構成的,其主要組成部分介紹如下：

(1)用戶終端設備是以用戶線路為傳輸信道的終端設備，也稱為終端節點。

(2)傳輸設備是為用戶終端和業務網提供傳輸服務的電信終端，主要包括光收信機和發信機設備，PDH準同步數字系列中的PCM復接設備，SDH同步數字系列中的終端復用器等各種復用設備。

(3)交換設備用于對用戶群內各用戶終端按需求提供相應的臨時傳輸信道的連接，并控制傳輸信號的流量和流向，以達到共用電信設備、提高設備利用率的目的。例如，電話通信系統中的程控交換機,數據通信中的分組交換機,寬帶通信系統中的ATM(異步傳輸模式)交換機及全光通信系統中即將問世的光交換機等。

(4)信令系統是光纖通信網絡的神經系統。比如，電話要接通，就必須傳遞和交換必要的信令以完成各種呼叫處理、接續、控制與維護管理等功能。信令系統可使網絡作為一個整體而正常運行，有效地完成任何用戶之間的通信。

(5)協議是光纖通信網中用戶與用戶及用戶與網絡資源之間完成通信或服務所必須遵循的原則和約定的共同“語言”。這種語言使通信網絡能夠合理地運行，可正確地控制。

(6)標準是由權威機構所制定的規范。1.2.2光纖通信網絡的發展歷程

在20世紀70年代，隨著低損耗石英光纖的研制，光纖的傳輸帶寬不斷地增加、光源和光/電檢測的性能不斷地改善，光纖通信系統已由起步逐漸地走向成熟。到了1976年，第一個傳輸速率為44.7Mb/s的光纖通信系統在美國亞特蘭大市進入了商業化運作。

20世紀80年代是光纖通信迅速發展的時代。隨著光纖通信從0.85μm波段轉向1.3μm波段，由多模光纖轉向單模光纖，各種傳輸速率的光纖通信系統在世界各地建立起來，光纜很快取代了電纜而成為電信網中重要的組成部分。在20世紀90年代，隨著人類信息化時代的到來，人們對通信的需求量迅猛增長。然而，由于受到電子信息處理的瓶頸限制，單信道速率要達到數10Gb/s已經非常困難，因此光纖通信系統出現了負載能力接近飽和的情況。隨著摻鉺光纖放大器(EDFA)的發明，波分復用(WDM，WavelengthDivisionMultiplexing)技術在90年代中期以后逐漸成熟并進入商業化運作，并且采用多通道復用傳輸技術，使WDM為大容量光纖通信的發展奠定了基礎。光網絡的發展不僅僅是簡單的光纖傳輸鏈路，它是在光纖提供的大容量、長距離、高可靠性的傳輸媒質的基礎上，利用光和電子控制技術實現多節點網絡的互聯和靈活調度。從光網絡的發展歷史來看，光網絡可以分為三代:

第一代光網絡以SDH/SONET為代表，它在歷史上第一次實現了全球統一的光網絡互聯技術，規范了光接口，而且定義了對光信號質量的監控、故障定位和配置等重要網絡管理功能。SDH/SONET采用光傳輸系統和電子節點的組合，光技術用于實現大容量的信息傳輸，光信號在電子節點中轉換為電信號，在電層上實現交換、選路和其他智能。由于該網絡受到光/電/光信號轉化效率的影響，因此為了提高光纖的傳輸帶寬和網絡的傳輸性能，使WDM光網絡得到了發展。但是它在互聯技術上并沒有實現統一，網絡的性能依然沒有改善。

第二代光網絡被認為是以ITU-T提出的光傳送網(OTN，OPticalTransportNetwork)。OTN是以波分復用技術為基礎在光層組織網絡的傳送網，它是通過增加交換、選路和其他智能等功能而在光層上實現的，解決了傳統的WDM光網絡無波長/子波業務調度能力，以及組網能力弱和保護能力弱等問題。第三代光網絡被認為是全光網，它是指網絡端到端用戶節點之間數據傳輸交換的整個過程都是在光域內進行的，其間并沒有光/電信號的轉換。對于光信號網絡是完全透明的，從而可充分利用光纖的潛力，進而提高網絡的傳輸性能。然而全光交換技術和全光交叉技術的不成熟，以及全光組網技術未標準化，使得全光網的研究成為目前的一個研究熱點。1.2.3光纖通信網絡的技術特點

光纖通信技術已經滲透電信網絡的接入網、本地網(接入中繼網)和長途干線網(骨干網)，由于其價格和用戶所需帶寬等原因，在短時間內要完全實現光纖接入到戶還不現實。在這些典型的網絡應用中，光纖只用來代替各類電纜，主要用作傳輸媒質連接業務的節點，即實現了節點之間鏈路傳輸的光信號格式化，而節點對信號的處理、隊列和交換等還是采用電子技術。這類網絡稱為第一代光網絡，即光電混合網。典型的第一代光網絡有SONET(同步光網絡)和SDH(同步數字體系)，另外還有各類企業網如光纖分布數據接口(FDDI)等。 當網絡中傳輸的數據速率越來越高時，采用電子技術處理交換節點的數據是相當困難的。考慮到節點處理的數據不僅有到達自身的，還有通過該節點到達其他節點的，如果到達其他節點的數據能在光域選路，那么采用電子技術處理的數據速率就下降了，其負擔就小得多了，于是催生了第二代光網絡的誕生。第二代光網絡以在光域完成節點數據的選路與交換為標志，實現了節點處理數據的部分光化。第二代光網絡中的代表技術包括波分復用(WDM)、光時分復用(OTDM)和光碼分復用(OCDMA)等。下面簡單介紹第二代光網絡的主要特點。

1.新型業務提供

為了更好地理解第二代光網絡，了解它為用戶提供的服務類型是很重要的。任一網絡均可看成是由許多層構成的，且每一層應完成其相應的功能。第二代光網絡可看成是一個光層，借助于低層(如物理層)為其高層(如SDH層、ATM層、IP層等)提供服務，服務類型包括：

(1)光通道服務。光通道是網絡中任意兩節點之間的連接，通過給其通道上的一個鏈路分配一個特定的波長來建立。

(2)虛電路服務。光層提供網絡中兩節點之間的電路連接，但其連接的帶寬可以小于鏈路或波長上的總帶寬。如用戶需要傳輸速率為1Mb/s的帶寬連接，而網絡鏈路可工作于10Gb/s，這時在網絡中必須采用復用技術(如時分復用)來復用許多虛電路到單個波長上去。

(3)數據報業務。在網絡中允許兩個節點之間傳送短的分組或消息，而無須建立希望連接的額外開銷(如占用信息帶寬)。

2.信息的透明性

第二代光網絡的主要特點之一是一旦光通道建立起來，其所提供的電路交換業務對傳輸數據是透明的，除了數據速率或帶寬的最大值是規定的外，它對數據采用的格式是沒有要求的，甚至可以是模擬信號。

第二代光網絡的透明程度取決于其物理層的參數，如帶寬和信噪比等。如果網絡中信號從源節點到達其目的節點的通信過程全在光域，那么其透明程度最高，在這種情況下，模擬信號需要更高的光信噪比。然而在某些情況下，網絡中兩節點之間的信號不能一直在光域傳輸，其間需要中繼，這意味著信號在傳輸中需由光域變換到電域，再反過來由電域變換到光域。在光通道上使用中繼器降低了網絡的透明程度。

3.電分組與光分組交換

由于第一代光網絡在實際通信網絡中的保有量非常大，因此在快速發展第二代光網絡的同時第一代光網絡仍然處在繼續開發之中，這意味著要進一步增加光纖中信息傳輸的容量以及提高電子交換開關的信息處理能力和端口的數目。盡管電子交換技術是最成熟且易于集成的，但是當傳輸速率增加到數十吉比特每秒乃至更高時，采用電子技術完成所有的信息交換和處理功能是相當困難的。另外，由于光交換和選路技術還不是非常成熟，在網絡中光開關只能實現電路交換或交叉連接功能，還不能提供像電分組交換那樣實現完全意義上的分組交換，因此第二代光網絡從一開始就只能提供電路交換型的光通道業務。隨著技術的不斷改進，可以預見未來的分組交換網絡提供越來越多的虛電路業務和數據報業務將會變成現實。

4.光層

現在光層這一術語被普遍用來表示第二代WDM光網絡層的功能，它能夠為其光層的用戶提供光通道，光層位于網絡層，如SDH的下層；光通道代替了SDH網絡節點之間的光纖。現存的SDH網絡有許多功能，這些功能包括點到點的連接以及分插功能等。其中的分插功能意味著節點不但可以分出業務，而且可以讓業務直接通過該節點，由于每個節點只能終結經過它們的業務總量的一小部分，因而這個功能是很重要的。另外，SDH網絡還包括交叉連接功能，它可以完成多業務流之間的交換，而且SDH網絡還能在不中斷業務的情況下處理設備和鏈路中出現的故障。 光層可以執行與SDH層相同的功能，它可以支持點到點WDM鏈路以及分插功能，即節點既可以分出某些波長的信號，也可以讓某些波長的信號直接通過。1.2.4光纖通信網絡的關鍵技術

基于下一代信息網絡的現代服務體系(即e-Service)的基本框架如圖1-3所示，其中陰影所示部分就是以光網絡為基礎構建的，也就是說，信息技術必須依托于光網絡。

這里所說的光網絡，是指以光纖為傳輸媒介的通信網絡。目前，信息傳輸系統有兩大核心技術，即光纖通信和無線通信，特點是：光纖通信——極大帶寬；無線通信——無處不在。光纖通信具有頻帶寬、容量大的特點。圖1-3信息網絡現代服務體系的基本框架例如，單模光纖在1200nm~1600nm波長范圍內的衰耗很低，一般在0.3dB/km左右，頻帶超過了50THz,這一頻帶寬度甚至超出了目前世界上所有通信技術所使用的頻帶的好幾個數量級。在技術上，若最高頻譜效率為0.8b/s·Hz－1，則可安排500路傳輸速率為40Gb/s的信息傳輸，光纖容量可達20Tb/s。因此，一根光纜(多纖)的總容量可達Pb/s數量級(1P＝1000T＝1015)。所以說光纖是保證通信大容量擴展的最佳媒介。 光網絡技術通常可分為光傳輸技術、光節點技術和光接入技術，它們之間既有交叉又有融合。下面我們闡述未來5~10年間光網絡的發展趨勢，以及影響光網絡發展所涉及的各方面的相互間的關系。

1.光傳輸技術

光傳輸技術解決了干線網所需容量的問題，而超大容量將成為下一代網絡的基本特征。目前，主要、成熟的大容量的光傳輸技術是DWDM(密集波分復用)。

1)DWDM的技術趨勢

目前,商用的DWDM系統已經實現1600Gb/s容量(即160波且每波道速率10Gb/s)、3000km超長距離傳輸。DWDM主要的技術發展趨勢是：

(1)擴展傳輸光纖的可用帶寬。隨著光纖制造技術的進步和激光源制造技術的發展，可用于光通信的波長帶已經由最常用的C波帶發展到L波帶、S波帶乃至全波段。

(2)壓縮相鄰光波長之間的間隔。大容量密集波分復用系統中相鄰波長間的間隔在短短的幾年時間內經歷了從200GHz、100GHz、50GHz至25GHz的演變，并且每前進一步系統可容納的波長數就會增加一倍。

(3)單波長傳輸速率不斷地提高。電時分復用的速率在不到10年的時間內從155Mb/s發展到10Gb/s乃至40Gb/s。

(4)采用ULH(超長距離)技術，延長無再生中繼的距離。

2)光城域網技術

城域網(MAN，MetroAccessNetworks)起源于計算機網，是作為計算機的局域傳輸互連的。隨著數據業務的興起，各類不同背景的運營公司將其發展為區域性多業務通信網，而其關鍵特征是公用多業務網。

城域網就是多業務傳輸平臺(MSTP)，以信息傳輸為主，但含有交換的成分，即含有節點技術，是傳輸技術與節點技術相融合的平臺。MSTP主要有三大類：第一類是以SDH為核心的SDH-MSTP；第二類是以分組交換為核心的Package-MSTP，主要指以太網；第三類是以WDM為基礎的城域WDM-MSTP。

(1)SDH-MSTP。SDH技術是目前國家通信基礎設施的核心技術，現網上運行的SDH設備占傳輸系統設備總量的80%以上,因此SDH-MSTP仍將在相當長的一段時間內占據著城域網建設主體的位置。其發展趨勢是提供更豐富和更經濟的多業務承載能力，已經實現的技術包括VC(虛容器)級聯和虛級聯、鏈路容量調整方案(LCAS)和GFP/LAPS/PPP等標準封裝協議。通過引入VC級聯與虛級聯以提高信息傳輸帶寬分配的靈活性和使用效率；通過對LCAS的支持以實現虛級聯承載業務時多徑傳輸的保護能力和潛在的傳輸帶寬動態調整的可能性；通過支持GFP/LAPS/PPP等標準封裝協議以保證由不同廠家設備承載的以太網業務之間實現互聯互通。同時具有更高級別的智能化SDH技術也是基于SDH-MSTP的一個重要的發展方向，從而實現帶寬按需分配，進一步將客戶層網絡對帶寬需求的變化和節點的帶寬調整動作關聯起來，逐步向ASON(自動交換光網絡)演進。

(2)Package-MSTP。基于分組的多業務傳送技術是城域網從計算機網發展而來的本來方式，技術比較成熟(如簡捷、高效)，但受到的局限也比較明顯(如安全、服務質量)。這種基于分組的多業務傳送技術現發展為三種方式：改進的以太網技術、彈性分組環(RPR)技術和工作于RPR的MAC層之上的MSR(多業務環)技術。改進的以太網技術的主要手段就是在以太網幀之外再加幀進行包裝，新加的幀提供服務質量(QoS)保證。RPR技術借鑒SDH的環路保護技術，適用于以數據業務為主、TDM(時分復用)業務為輔的網絡，隨著數據業務日益成為網絡業務的主體，其應用范圍也會逐漸擴大。MSR(城域網多業務環)技術不僅和RPR技術融合，而且通過支路(即業務，如以太網、FR(幀中繼)、G.702等)以及賦予支路不同的特性，提供了諸多電信級的功能。

(3)WDM-MSTP。WDM系統在具有大容量特點的同時，還具有組網靈活、易擴展和易管理等優點。城域WDM系統包括城域DWDM和CWDM(粗波分復用)。城域網WDM逐步演進為OADM(光分插復用)光自愈環，最終引入OXC(光交叉連接)互連大量的光自愈環形成光網狀網結構，從而帶來網狀網結構的大量好處，引入ASON功能為實現動態分配和部署波長提供了端到端波長業務。CWDM與DWDM在原理上完全相同，CWDM是以擴大波長頻率間隔和減少波長數量作為代價來降低成本的。

2.光節點技術

1)光交叉技術

現在WDM技術的研究方向主要有兩個：一個是朝著更多波長以及單波長更高速率的方向發展；另一個是朝著WDM聯網方向發展。點到點的DWDM系統只提供了原始的帶寬，而在競爭激烈的市場中，按需分配容量、個性化業務和成本低等是競爭的優勢，因此業務提供者需要制定與此相適應的方案，并且提供靈活的交叉節點才能更好地滿足對傳輸容量和帶寬的巨大需求。具有全光交換能力的光交換節點，主要研究集中在OXC器件和OADM器件以及由這些器件構成的系統上，它可以在此基礎上形成具有全光交換能力的產品。

2)光交換技術

光交換技術是指不經過任何光／電轉換，在光域直接將輸入光信號交換到不同的輸出端。光交換技術可分成光路光交換類型和分組光交換類型，前者可利用OADM和OXC等設備來實現，而后者對光部件的性能要求更高。目前由于光邏輯器件的功能較簡單，還不能完成控制部分復雜的邏輯處理功能，因此國際上現有的分組光交換單元還是由電信號來控制的，即所謂的電控光交換。隨著光器件技術的發展，光交換技術的最終發展趨勢將是光控光交換。

3)智能光網絡技術

智能光網絡是光網絡的技術發展方向，通過研究智能化的光聯網技術，可以解決面向未來互聯網在光層上動態、靈活、高效的組網問題。其具體采用的就是ASON技術。現在所要研究的問題主要集中在多粒度光交換、動態波長選路與連接類型、接口單元(NNI、UNI)、業務適配與接入、自動資源發現、控制協議、接口與信令、鏈路監控與管理、組網與生存性、核心功能軟件與網絡管理系統等關鍵技術上。

3.光纖接入技術

1)接受光接入網的充分條件

光接入技術的發展，與其成本(經濟性)的關聯非常密切。骨干網和城域網的傳輸設備和節點設備，其價格對用戶是隱性的，而光接入技術的成本對用戶是顯性的、直接的。因此與干線網絡技術相比，接入網技術的發展相對較慢。接入網的帶寬基本停留在窄帶水平，其根本原因是缺少兩個充分條件，一個是能夠吸引家庭用戶且能夠承受費用的實時寬帶業務，另一個是對家庭用戶來說,光纖接入的成本應與銅線接入的成本相當，甚至更低。現在采用的接入技術手段，如xDSL(數字用戶環路，DigitalSubscriberLoop)系統、HFC(混合光纖同軸電纜，HybridFiberCoaxial)系統、以太網接入系統和寬帶無線接入系統，都是基于銅纜或微波頻段的接入，受到傳輸媒質、無線頻譜和技術體制的先天限制，這些接入方式不能從根本上解決用戶對寬帶接入的需求。一旦上述的兩個充分條件中有一個滿足了，則唯一能夠從根本上徹底解決帶寬需求的長遠技術就是光纖接入網。

2)光纖通信的大同世界——FTTH

光纖接入技術已廣泛應用到網絡匯聚層，而應用到接入終端，即光纖到戶(FTTH)是發展的目標。光纖接入技術可以分為有源光纖接入和無源光纖接入兩類。有源光纖接入類似于銅線以太網的接入技術。無源光纖接入主要有采用ATM技術的APON、采用以太網技術的EPON和采用GFP封裝的GPON，將它們統稱為xPON。FTTH的發展是一個國家信息化程度和競爭力的體現，對光通信市場的帶動有著不可低估的巨大的作用，也可以說FTTH的發展不僅是信息領域的進步，而且是國民經濟領域和社會生活領域變革的前奏。

4.光纖器件技術的發展

光纖網絡體系是未來光通信的主流發展方向，光網絡技術的發展在很大程度上取決于光纖器件技術的發展,而光纖器件技術本身的發展又取決于其成本(經濟性)。光纖器件主要有：支持智能化的光可變換器件，包括可調諧光源、可調諧光濾波器、全光波長轉換器、光可變衰減器等；支持全光網實現的平面光波技術；新一代的光電子材料——光子晶體及光子晶體光纖(PCF)。

1)光可變換器件

波長可調諧光源可任意控制信道的波長，能夠方便和準確地控制頻道的間隔，其特性要求是可快速地調諧傳輸速率，且有較寬的調諧范圍。它可實現傳輸速率的快速配置和波長的轉換，可重構的OADM以及光開關、保護和恢復的功能，是智能光網絡的催化劑。可調諧光濾波器主要有兩個應用：一是作為光性能監測(OPM)的基礎，只需要通過可調諧光濾波器將要處理的波長篩選出來即可監測;二是在可調OADM和OXC方面的應用，用可調諧光濾波器來取代波分復用器將要下載的波長篩選出來。全光波長轉換器的波長轉換將成為光網絡節點中的一個基本功能，可進行透明的互操作,解決波長的爭用，波長路由選定，以及在動態業務模式下較好地利用網絡資源。尤其是對大容量、多節點的網狀網，采用全光波長變換器可大大降低網絡的阻塞率。光可變衰減器(VOA)陣列及可調光功率分配器還是下一代智能化光通信網絡發展的關鍵器件，目前有基于各種新技術的光可變衰減器，這些新技術包括MEMS(微型機電系統，MicroElectroMechanicalSystem)技術、液晶技術、波導技術和聚合物材料光柵等。光可變衰減器陣列可以構成DCE(DynamicChannelEqualizer)、VMUX(VOA＋MUX(多路復用器))、OADM等光器件的核心部件。

2)平面光波導技術

平面光波導(PLC，PlanarLightwaveCircuit)技術以其成本低、便于批量生產、穩定性好、易于集成等諸多特點，被認為是光通信產業的明日之星。PLC技術可以為光網絡提供光功率分配、光開關、光濾波等各種功能，為組建更為復雜的光網絡提供了必要的條件。另外，PLC技術為混合集成技術提供了可靠的平臺，可以將諸如激光器、探測器、OEIC(光電集成)與各類無源PLC器件集成到一起，極大地降低了器件的成本，促進了FTTH的發展。同時混合集成技術的研究也必將為更高度的光電集成提供技術基礎，從而在下一代的通信系統中扮演重要的角色。

3)光子晶體

光子晶體可以制作全新原理的或以前所不能制作的高性能光學器件，在光纖通信中也有重要的用途，被認為是新一代的光電子材料。綜合利用光子晶體的各種性能，可以制作光子晶體全反射鏡、光子晶體無閾值激光器、光子晶體光波導、光偏振器、光開關、光放大器、光聚焦器等。目前就光子晶體的研究而言，更多的還是處在實驗室制作階段以及理論分析階段，離實用還有一定的距離，其面臨的最大問題就是制作難度太大。相對而言，一維光子晶體的制作工藝較簡單，如偏振分離器/合成器(PBS/PBC)。在結合了液晶技術或磁光旋光器以后，納米光學晶體可用來構成光開關、VOA、光循環器、Interleaver、光路由器等各種各樣的光纖通信中的基本器件。

光子晶體光纖(PCF，PhotonicCrystalFiber)是在石英光纖上規則地排列空氣孔，而光纖的纖芯由一個破壞包層周期性的缺陷態構成。從光纖的端面上看，存在周期性的二維光子晶體結構，并且在光纖的中心有缺陷態，光便可以沿著缺陷態在光纖中傳輸。光子晶體光纖作為下一代的傳輸光纖應具有：超低的損耗，計劃目標為0.05dB/km，而現在的損耗為1.72dB/km；②在很寬的頻率范圍內支持單模傳輸，并通過合理的設計可以支持任何波長光波的單模傳輸；③光子晶體光纖的纖芯面積大于傳統光纖纖芯面積的10倍左右，這樣就允許較高的入射光功率；④可靈活地設計色散和色散斜率，提供寬帶色散補償，可以把零色散波長的位置移到1000nm以下。1.2.5光纖通信網絡的發展趨勢

光纖通信從一開始就是為傳輸基于電路交換的信息的，客戶信號一般是TDM(時分復用)的連續碼流，如PDH和SDH等。隨著計算機網絡特別是互聯網的發展，數據信息的傳輸量越來越大，客戶信號中基于分組交換的具有隨機性、突發性的分組信號碼流的比例逐步增加，使得光纖通信網絡所承載的數據信號的種類和數量也越來越多。 從現有的光同步數字體系(SDH)網邁向新一代全光網，這將是一個分階段演化的過程，網絡的構成和技術功能也在不斷地變化，光網絡的發展進程如圖1-4所示。可以看出，光網絡的發展進程是：采用WDM技術和光放大技術，進行點到點的通信擴容，實現光域上信息的全光傳輸；在光傳輸路徑上設置光分插復用器(OADM)，可實現本地光信號在光路上的上路和下路功能；傳輸鏈路采用波分復用技術，采用光分插復用器作為光節點進行組網，實現網絡信息的光域傳輸；進而利用光交叉連接(OXC)，使網絡節點具有光交換功能，構成光傳送網到自動交換光網絡，最終形成基于全光傳輸和光分組交換的全光網絡或光子網絡，實現光域上的信息傳輸和交換。全光網絡采用光層保護，并具有較好的存活性，可進行靈活的帶寬分配、波長轉換、波長路由和交換，實現光域上端到端的多粒度波長服務。

基于上面對光纖通信關鍵技術的分析，我們認為光纖通信網絡將在下面幾個方面進一步發展：圖1-4光網絡的發展進程

1)增加傳輸容量

目前，實用化的單通道信息傳輸速率已由155Mb/s增加到10Gb/s乃至40Gb/s，而160×10Gb/s的密集波分復用DWDM系統也已投入商用。在實驗室中，NEC實現了274×40Gb/s系統，阿爾卡特實現了256×40Gb/s系統，西門子實現了176×40Gb/s系統，而朗訊則將系統的總容量提升至約20Tb/