《光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課件第1章

第1章緒論1.1光纖通信的發(fā)展和應(yīng)用

1.2光纖通信網(wǎng)絡(luò)

本章主要介紹光纖通信及其網(wǎng)絡(luò)的基本概念、主要技術(shù)、發(fā)展歷程及未來(lái)發(fā)展的展望等，以期給讀者一個(gè)關(guān)于光纖通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(lái)攜帶信息，并利用光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?.1光纖通信的發(fā)展和應(yīng)用人們很早就提出了將需要傳輸?shù)男畔⒁阅撤N方式調(diào)制在光載波上進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)乃枷耄冀K未能實(shí)現(xiàn)。這主要有兩個(gè)原因:一是沒(méi)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(wú)線電波的方式進(jìn)行調(diào)制以實(shí)現(xiàn)通信；二是沒(méi)有合適的傳輸媒質(zhì)，光在大氣中傳播時(shí)受天氣因素的影響極為嚴(yán)重，另外光信號(hào)在一般的介質(zhì)材料中傳播時(shí)的損耗極大。在20世紀(jì)60年代以前，即便在最好的光學(xué)玻璃中傳播時(shí)，光信號(hào)的傳輸損耗也在1000dB/km以上，顯然在這樣的介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸是不現(xiàn)實(shí)的。

20世紀(jì)50年代末60年代初，激光的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)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(duì)其進(jìn)行類似于無(wú)線電波那樣的調(diào)制。在各種類型的激光器中，半導(dǎo)體激光器因其體積小、壽命長(zhǎng)且價(jià)格低廉等特點(diǎn)而成為實(shí)用的和商品化的通信光源。

20世紀(jì)70年代初，低損耗光導(dǎo)纖維的問(wèn)世為光通信提供了合適的傳輸媒質(zhì)。1966年，英籍華裔科學(xué)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(guò)適當(dāng)?shù)睦z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(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸。1970年，美國(guó)康寧玻璃公司率先根據(jù)這種思路制造了世界上第一根低損耗光導(dǎo)纖維，其傳輸損耗低于20dB/km。此后，低損耗光導(dǎo)纖維的研究及制造技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，到了20世紀(jì)70年代末，在1310nm波長(zhǎng)上，石英光纖的傳輸損耗已降至0.4dB/km；而在1550nm波長(zhǎng)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(yōu)點(diǎn)

由于光纖通信是利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的，因此與其他的通信方式相比有著明顯的優(yōu)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(zhì)所不具有的優(yōu)點(diǎn)。

(1)傳輸容量大。光是頻率極高的電磁波，以它作為信號(hào)的載運(yùn)體就可傳輸具有極寬頻譜的信號(hào)。例如，在光纖中傳輸?shù)募す鈱儆诮t外線范圍，其波長(zhǎng)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(gè)電話信號(hào)。因此光纖在其單位面積上具有極大的信號(hào)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(tǒng)的傳輸容量取決于光纖特性、光源特性和調(diào)制特性。目前，光纖通信系統(tǒng)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(zhǎng)段和1550nm波長(zhǎng)段，這兩個(gè)傳輸?shù)蛽p耗區(qū)之間約有200nm的寬度，在理論上可提供相當(dāng)于30THz的頻段寬度。光纖的色散特性是決定光纖通信系統(tǒng)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(fù)用技術(shù)或頻分復(fù)用技術(shù)，或減小光源的光譜線寬度，或采用外調(diào)制方式等都是增加光纖通信系統(tǒng)傳輸容量的有效辦法。

(2)傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)。目前單模光纖在1310nm波長(zhǎng)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(dāng)寬的頻帶內(nèi)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(dǎo)管達(dá)到的中繼距離要長(zhǎng)得多。例如，在波長(zhǎng)為1550nm的色散位移單模光纖通信系統(tǒng)中，若傳輸速率為2.5Gb/s，則中繼距離可達(dá)150km；若傳輸速率為10Gb/s，則中繼距離可達(dá)100km。若在該系統(tǒng)中采用了光纖放大器和色散補(bǔ)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(hào)在光纖中傳輸時(shí)，向外泄漏的光能量是很微弱的，難以被竊聽(tīng)，與無(wú)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(jié)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(jià)格便宜。

(5)抗電磁干擾性能好。光纖由SiO2

材料制成，它不會(huì)受到各種電磁場(chǎng)的干擾，強(qiáng)電、雷擊等也不會(huì)對(duì)光纖的傳輸性能產(chǎn)生影響，甚至在核輻射的環(huán)境中，光纖通信仍能正常進(jìn)行。因此，光纖通信在電力輸配、電氣化鐵路、雷擊多發(fā)地區(qū)、核試驗(yàn)等環(huán)境中的應(yīng)用就更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。

(6)重量輕，可撓性好，敷設(shè)方便。在傳輸同一信息量時(shí)，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(jìn)行敷設(shè)。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(huì)折斷，在施工時(shí)就可以采用與電纜相同的敷設(shè)技術(shù)進(jìn)行敷設(shè)。

總之，光纖通信不僅在技術(shù)上具有較大的優(yōu)越性，而且在經(jīng)濟(jì)上亦具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)能力，因此在通信領(lǐng)域中將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。1.1.3光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代以來(lái)，光纖通信已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展?；仡櫣饫w通信的發(fā)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(tǒng)已經(jīng)商用化，而40Gb/s的光纖通信系統(tǒng)也即將投入使用。采用波分復(fù)用技術(shù)，即在一根光纖上同時(shí)傳輸多個(gè)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(shù)主要是提高接收機(jī)的靈敏度和入纖光功率。提高接收機(jī)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(dǎo)體激光放大器或光纖放大器。展望未來(lái)，光纖通信系統(tǒng)仍將在超高速及超長(zhǎng)距離無(wú)中繼的傳輸上下功夫。

縱觀光纖通信的發(fā)展過(guò)程，可以看到光纖通信的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)由單波長(zhǎng)通道向多波長(zhǎng)通道過(guò)渡。下一代光纖通信系統(tǒng)將普遍地采用波分復(fù)用WDM技術(shù)，使得系統(tǒng)傳輸?shù)目側(cè)萘刻岣叩綆装偌忍孛棵爰耙陨?，而中繼距離也達(dá)數(shù)百千米乃至數(shù)千千米。

(2)用戶網(wǎng)絡(luò)的光纖化。光纖通信的重要領(lǐng)域之一是實(shí)現(xiàn)電信網(wǎng)格的全光纖化，而實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的全光纖化所面臨的困難是光纖用戶網(wǎng)絡(luò)，這使得光纖用戶網(wǎng)絡(luò)的研究成為近年來(lái)光纖通信領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。目前，由于光纖用戶網(wǎng)絡(luò)的成本較高，在價(jià)格上難以與電纜網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)，加之圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展，電纜網(wǎng)絡(luò)較窄的傳輸帶寬還未成為其致命的弱點(diǎn)，因此在用戶網(wǎng)絡(luò)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(duì)多種寬帶業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，光纖用戶網(wǎng)絡(luò)會(huì)取得突破性的進(jìn)展，電信網(wǎng)絡(luò)的全光纖化已為期不遠(yuǎn)了。

(3)光交換節(jié)點(diǎn)將取代電交換節(jié)點(diǎn)。由于采用波分復(fù)用技術(shù)使得傳輸速率得到了極大的提高，因此電交換節(jié)點(diǎn)的速率成了影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的瓶頸，電交換機(jī)將被光交換機(jī)所取代。所謂光交換是指對(duì)光纖傳送的光信號(hào)直接進(jìn)行交換。光交換是在光域中完成光交換功能的，而無(wú)需將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是光信號(hào)，因而光交換有效地減少了信號(hào)的時(shí)延，增大了系統(tǒng)的吞吐量。

(4)相干光通信是未來(lái)的光纖通信方式。它與傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)(IM-DD)系統(tǒng)相比，主要差別在于其接收機(jī)采用的是外差式接收或零差式接收，同時(shí)在接收機(jī)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(tǒng)的接收靈敏度極高，而且具有出色的波長(zhǎng)選擇性。這些優(yōu)點(diǎn)使得相干光通信必將在波分復(fù)用系統(tǒng)，尤其是密集波分復(fù)用系統(tǒng)中發(fā)揮巨大的作用。相干光通信對(duì)光源的光譜寬度、光源的頻率穩(wěn)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(tài)都提出了十分苛刻的要求，因而其目前尚未實(shí)用化。隨著時(shí)間的推移，上述問(wèn)題必將得到解決。在不久的將來(lái)，人們就可以像現(xiàn)在調(diào)節(jié)無(wú)線電接收機(jī)那樣，通過(guò)調(diào)節(jié)光接收機(jī)的本振光源波長(zhǎng)，從眾多的信息通道中極為方便地調(diào)出所需要的任何信息。

(5)孤子通信與全光系統(tǒng)。光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，光纖的色散效應(yīng)會(huì)導(dǎo)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(guò)程中變窄，并最終導(dǎo)致脈沖破裂，從而限制了入纖光功率。如果同時(shí)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(yīng)與色散效應(yīng)相互抵消，從而保持光脈沖在傳播過(guò)程中不變形而形成所謂的孤子。利用光孤子通信時(shí)，其傳輸速率可高達(dá)1Tb/s。將光孤子傳輸技術(shù)與光放大技術(shù)相結(jié)合即可拋棄傳統(tǒng)的光—電—光再生中繼方式，以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離、超高速的全光通信，而其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就在于光孤子的產(chǎn)生、光孤子的編碼調(diào)制技術(shù)以及光放大技術(shù)。目前，雖然光孤子通信的真正實(shí)用化還有待時(shí)日，但是光孤子通信的誘人前景必將吸引各國(guó)的科學(xué)家、工程師不遺余力地去解決在其實(shí)用化過(guò)程中遇到的難題?？梢灶A(yù)見(jiàn)，以光孤子通信為標(biāo)志的全光通信時(shí)代必將到來(lái)。1.1.4光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成

目前實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)較多采用的是數(shù)字編碼、強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)的通信系統(tǒng)(IM-DD系統(tǒng))，這種系統(tǒng)的框圖如圖1-1所示。

圖1-1光纖通信系統(tǒng)的框圖圖1-1所示的光纖通信系統(tǒng)是一個(gè)單方向傳輸?shù)氖疽鈭D，其反方向傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)也是相同的。在圖1-1中，電端機(jī)即為復(fù)用設(shè)備(準(zhǔn)同步復(fù)用或同步復(fù)用)，其作用是對(duì)來(lái)自信息源的信號(hào)進(jìn)行處理，如模/數(shù)變換、多路復(fù)用等。光發(fā)送機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)構(gòu)成了可作為獨(dú)立的“光信道”單元的基本光路系統(tǒng)。如果給其配置適當(dāng)?shù)慕涌谠O(shè)備，那么就可以將其接入現(xiàn)有的數(shù)字通信系統(tǒng)(或模擬通信系統(tǒng))或者有線通信系統(tǒng)(或無(wú)線通信系統(tǒng))的發(fā)射端與接收端之間；此外，若配置適當(dāng)?shù)墓馄骷?，還可以組成傳輸能力更強(qiáng)、功能更完善的光纖通信系統(tǒng)。例如，在光纖線路中接入光纖放大器組成的光中繼長(zhǎng)途系統(tǒng)；配置波分復(fù)用器和解復(fù)用器組成的大容量波分復(fù)用系統(tǒng)；使用耦合器或光開(kāi)關(guān)組成的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)等。下面簡(jiǎn)要介紹基本光路系統(tǒng)的三個(gè)組成部分。

(1)光發(fā)送機(jī)。光發(fā)送機(jī)的作用是把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并將光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。光發(fā)送機(jī)由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。光發(fā)送機(jī)的核心是光源，對(duì)光源的要求是其輸出功率要足夠大，調(diào)制速率要高，光譜線寬度和光束發(fā)散角要小，輸出光功率和光波長(zhǎng)要穩(wěn)定，器件的壽命要長(zhǎng)。目前，廣泛使用的光源有半導(dǎo)體激光器(或稱激光二極管，LD)和半導(dǎo)體發(fā)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(diào)制下激光器的輸出頻譜較寬，從而限制了傳輸?shù)拇a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(jīng)逐漸被廣泛應(yīng)用。

光發(fā)送機(jī)把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的過(guò)程是通過(guò)電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制而實(shí)現(xiàn)的。光調(diào)制有直接調(diào)制和間接調(diào)制(也稱外調(diào)制)兩種。直接調(diào)制是利用電信號(hào)注入半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管從而獲得相應(yīng)的光信號(hào)的，其輸出功率的大小隨信號(hào)電流的大小而變化，這種方式較簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，但其調(diào)制速率會(huì)受到激光器特性的限制。外調(diào)制是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi)來(lái)進(jìn)行的，在激光形成后再加載調(diào)制信號(hào)，是用獨(dú)立的調(diào)制器對(duì)激光器輸出的激光進(jìn)行調(diào)制的。外調(diào)制方法在相干光通信中得到了應(yīng)用。

(2)光纖線路。光纖線路是光信號(hào)的傳輸媒質(zhì)，可把來(lái)自發(fā)送機(jī)的光信號(hào)以盡可能小的衰減和脈沖展寬傳送到接收機(jī)。對(duì)光纖的要求是其基本傳輸參數(shù)衰減和色散要盡可能地小，并要有一定的機(jī)械特性和環(huán)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(gè)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(zhǎng)特性中有三個(gè)低損耗的波長(zhǎng)區(qū)，即波長(zhǎng)分別為850nm、1310nm和1550nm的三個(gè)低損耗區(qū),因此光纖通信系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)只能選擇在這三個(gè)波長(zhǎng)區(qū)，而激光器的發(fā)射波長(zhǎng)、光檢測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)都應(yīng)與其一致。這三個(gè)低損耗區(qū)相對(duì)應(yīng)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(zhǎng)距離的光纖傳輸系統(tǒng)中都采用單模光纖作為傳輸線路。針對(duì)不同要求的光纖通信系統(tǒng)，所使用的光纖類型有G.651光纖(多模光纖)、G.652光纖(常規(guī)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(jī)。光接收機(jī)的功能是把由發(fā)送機(jī)發(fā)送的、經(jīng)光纖線路傳輸后輸出的已產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大、再生恢復(fù)為原來(lái)的電信號(hào)。光接收機(jī)由光檢測(cè)器、放大器和相關(guān)電路組成。對(duì)光檢測(cè)器的要求是其響應(yīng)度要高、噪聲要低、響應(yīng)速度要快。目前廣泛使用的光檢測(cè)器有光電二極管(PIN)和雪崩光電二極管(APD)。 光接收機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程是通過(guò)光檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)的。光檢測(cè)器檢測(cè)的方式有直接檢測(cè)和外差檢測(cè)兩種。直接檢測(cè)是由光檢測(cè)器直接把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。外差檢測(cè)是在接收機(jī)中設(shè)置一個(gè)本地振蕩器和一個(gè)混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的光進(jìn)行混頻產(chǎn)生差拍而輸出中頻信號(hào)，再由光檢測(cè)器把中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在外差檢測(cè)方式中，對(duì)本地激光器的要求很高，要求光源是頻率非常穩(wěn)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(yōu)點(diǎn)是接收靈敏度高。目前光纖通信系統(tǒng)中普遍采用強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)方式，而外差檢測(cè)方式用在相干光纖通信中，雖然外調(diào)制-外差檢測(cè)方式的技術(shù)較復(fù)雜，但其具有傳輸速率高、接收靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種有應(yīng)用前途的通信方式。

衡量接收機(jī)質(zhì)量的主要指標(biāo)是接收靈敏度，它表示在一定誤碼率的條件下，接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)接收微弱信號(hào)的能力。接收機(jī)的噪聲是影響接收靈敏度的主要因素。 對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸?shù)墓饫w傳輸系統(tǒng)，在傳輸途中還需要接入光中繼器，其作用是將經(jīng)過(guò)光纖長(zhǎng)距離衰減和畸變后的微弱光信號(hào)放大和整形，并再生成具有一定強(qiáng)度的光信號(hào)繼續(xù)送向前方，以保證良好的通信質(zhì)量。以往光纖通信系統(tǒng)中的光中繼器都是采用光—電—光信號(hào)的形式，即將接收到的光信號(hào)用光電檢測(cè)器變換成電信號(hào)，經(jīng)放大、整形、再生后再對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制才能將電信號(hào)變換成光信號(hào)重新發(fā)出，而不是直接把光信號(hào)放大。但隨著光放大器(如摻鉺光纖放大器)的開(kāi)發(fā)以及技術(shù)日趨成熟，將光信號(hào)直接放大傳輸已成為可能，也就是說(shuō)采用光放大器的全光中繼和全光網(wǎng)絡(luò)已為期不遠(yuǎn)了。1.1.5光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用

光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào),在通信網(wǎng)絡(luò)、廣播電視網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及其他的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用。

光纖通信系統(tǒng)的各種應(yīng)用概括如下：

(1)通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)主要用于遍及全球的電信網(wǎng)中語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的通信，包括全球通信網(wǎng)(國(guó)家和國(guó)家間的光纜干線)、各國(guó)的公共電信網(wǎng)(如我國(guó)的國(guó)家一級(jí)干線、省級(jí)干線及縣以下的支線和市話中繼通信系統(tǒng))、專用網(wǎng)(如電力、鐵道、國(guó)防通信等的光纜系統(tǒng))和特殊的通信網(wǎng)絡(luò)(如石油、化工、煤礦等易燃易爆環(huán)境下使用的光纜通信系統(tǒng))。

(2)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，如光纖以太網(wǎng)、路由器之間的高速傳輸鏈路等。

(3)有線電視網(wǎng)絡(luò)，如有線電視的干線和分配網(wǎng)；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、銀行、商場(chǎng)、交通和公安部門的監(jiān)控系統(tǒng)；自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

(4)綜合業(yè)務(wù)的光纖接入網(wǎng)絡(luò)。它分為有源接入網(wǎng)和無(wú)源接入網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻及多媒體業(yè)務(wù)的接入，還可提供各種各樣的社區(qū)服務(wù)等。

1.2.1光纖通信網(wǎng)絡(luò)的基本概念

兩個(gè)用戶之間需要通信時(shí)，須利用通信系統(tǒng)來(lái)完成。也就是說(shuō)，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(gè)通信系統(tǒng)。對(duì)于離散分布的n個(gè)用戶，若要讓其中任意兩個(gè)用戶能互相通信，最簡(jiǎn)單的方法是用通信系統(tǒng)把各用戶分別一一連接起來(lái)，這就需要建立n(n－1)/2個(gè)通信系統(tǒng)，從而形成了一個(gè)連接多個(gè)用戶的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即通信網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱通信網(wǎng),如圖1-2所示。1.2光纖通信網(wǎng)絡(luò)

圖1-2n個(gè)用戶相互通信無(wú)集中交換的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)于光纖通信網(wǎng)絡(luò)，若從其所承載的通信業(yè)務(wù)來(lái)分，則有電話網(wǎng)、電報(bào)網(wǎng)、傳真通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)、圖像通信網(wǎng)及有線電視網(wǎng)等；若按其所服務(wù)區(qū)域的范圍來(lái)分，可分為長(zhǎng)途骨干網(wǎng)、本地網(wǎng)以及用戶接入網(wǎng)。

光纖通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是由用戶終端設(shè)備、傳輸設(shè)備、交換設(shè)備等硬件系統(tǒng)以及相應(yīng)的信令系統(tǒng)、協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)、資費(fèi)制度與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等軟件系統(tǒng)構(gòu)成的,其主要組成部分介紹如下：

(1)用戶終端設(shè)備是以用戶線路為傳輸信道的終端設(shè)備，也稱為終端節(jié)點(diǎn)。

(2)傳輸設(shè)備是為用戶終端和業(yè)務(wù)網(wǎng)提供傳輸服務(wù)的電信終端，主要包括光收信機(jī)和發(fā)信機(jī)設(shè)備，PDH準(zhǔn)同步數(shù)字系列中的PCM復(fù)接設(shè)備，SDH同步數(shù)字系列中的終端復(fù)用器等各種復(fù)用設(shè)備。

(3)交換設(shè)備用于對(duì)用戶群內(nèi)各用戶終端按需求提供相應(yīng)的臨時(shí)傳輸信道的連接，并控制傳輸信號(hào)的流量和流向，以達(dá)到共用電信設(shè)備、提高設(shè)備利用率的目的。例如，電話通信系統(tǒng)中的程控交換機(jī),數(shù)據(jù)通信中的分組交換機(jī),寬帶通信系統(tǒng)中的ATM(異步傳輸模式)交換機(jī)及全光通信系統(tǒng)中即將問(wèn)世的光交換機(jī)等。

(4)信令系統(tǒng)是光纖通信網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)系統(tǒng)。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(xù)、控制與維護(hù)管理等功能。信令系統(tǒng)可使網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)整體而正常運(yùn)行，有效地完成任何用戶之間的通信。

(5)協(xié)議是光纖通信網(wǎng)中用戶與用戶及用戶與網(wǎng)絡(luò)資源之間完成通信或服務(wù)所必須遵循的原則和約定的共同“語(yǔ)言”。這種語(yǔ)言使通信網(wǎng)絡(luò)能夠合理地運(yùn)行，可正確地控制。

(6)標(biāo)準(zhǔn)是由權(quán)威機(jī)構(gòu)所制定的規(guī)范。1.2.2光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程

在20世紀(jì)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(cè)的性能不斷地改善，光纖通信系統(tǒng)已由起步逐漸地走向成熟。到了1976年，第一個(gè)傳輸速率為44.7Mb/s的光纖通信系統(tǒng)在美國(guó)亞特蘭大市進(jìn)入了商業(yè)化運(yùn)作。

20世紀(jì)80年代是光纖通信迅速發(fā)展的時(shí)代。隨著光纖通信從0.85μm波段轉(zhuǎn)向1.3μm波段，由多模光纖轉(zhuǎn)向單模光纖，各種傳輸速率的光纖通信系統(tǒng)在世界各地建立起來(lái)，光纜很快取代了電纜而成為電信網(wǎng)中重要的組成部分。在20世紀(jì)90年代，隨著人類信息化時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)通信的需求量迅猛增長(zhǎng)。然而，由于受到電子信息處理的瓶頸限制，單信道速率要達(dá)到數(shù)10Gb/s已經(jīng)非常困難，因此光纖通信系統(tǒng)出現(xiàn)了負(fù)載能力接近飽和的情況。隨著摻鉺光纖放大器(EDFA)的發(fā)明，波分復(fù)用(WDM，WavelengthDivisionMultiplexing)技術(shù)在90年代中期以后逐漸成熟并進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)作，并且采用多通道復(fù)用傳輸技術(shù)，使WDM為大容量光纖通信的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展不僅僅是簡(jiǎn)單的光纖傳輸鏈路，它是在光纖提供的大容量、長(zhǎng)距離、高可靠性的傳輸媒質(zhì)的基礎(chǔ)上，利用光和電子控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和靈活調(diào)度。從光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史來(lái)看，光網(wǎng)絡(luò)可以分為三代:

第一代光網(wǎng)絡(luò)以SDH/SONET為代表，它在歷史上第一次實(shí)現(xiàn)了全球統(tǒng)一的光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，規(guī)范了光接口，而且定義了對(duì)光信號(hào)質(zhì)量的監(jiān)控、故障定位和配置等重要網(wǎng)絡(luò)管理功能。SDH/SONET采用光傳輸系統(tǒng)和電子節(jié)點(diǎn)的組合，光技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)大容量的信息傳輸，光信號(hào)在電子節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在電層上實(shí)現(xiàn)交換、選路和其他智能。由于該網(wǎng)絡(luò)受到光/電/光信號(hào)轉(zhuǎn)化效率的影響，因此為了提高光纖的傳輸帶寬和網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，使WDM光網(wǎng)絡(luò)得到了發(fā)展。但是它在互聯(lián)技術(shù)上并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，網(wǎng)絡(luò)的性能依然沒(méi)有改善。

第二代光網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是以ITU-T提出的光傳送網(wǎng)(OTN，OPticalTransportNetwork)。OTN是以波分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)在光層組織網(wǎng)絡(luò)的傳送網(wǎng)，它是通過(guò)增加交換、選路和其他智能等功能而在光層上實(shí)現(xiàn)的，解決了傳統(tǒng)的WDM光網(wǎng)絡(luò)無(wú)波長(zhǎng)/子波業(yè)務(wù)調(diào)度能力，以及組網(wǎng)能力弱和保護(hù)能力弱等問(wèn)題。第三代光網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是全光網(wǎng)，它是指網(wǎng)絡(luò)端到端用戶節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸交換的整個(gè)過(guò)程都是在光域內(nèi)進(jìn)行的，其間并沒(méi)有光/電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)于光信號(hào)網(wǎng)絡(luò)是完全透明的，從而可充分利用光纖的潛力，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。然而全光交換技術(shù)和全光交叉技術(shù)的不成熟，以及全光組網(wǎng)技術(shù)未標(biāo)準(zhǔn)化，使得全光網(wǎng)的研究成為目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。1.2.3光纖通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)

光纖通信技術(shù)已經(jīng)滲透電信網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)、本地網(wǎng)(接入中繼網(wǎng))和長(zhǎng)途干線網(wǎng)(骨干網(wǎng))，由于其價(jià)格和用戶所需帶寬等原因，在短時(shí)間內(nèi)要完全實(shí)現(xiàn)光纖接入到戶還不現(xiàn)實(shí)。在這些典型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，光纖只用來(lái)代替各類電纜，主要用作傳輸媒質(zhì)連接業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)之間鏈路傳輸?shù)墓庑盘?hào)格式化，而節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)的處理、隊(duì)列和交換等還是采用電子技術(shù)。這類網(wǎng)絡(luò)稱為第一代光網(wǎng)絡(luò)，即光電混合網(wǎng)。典型的第一代光網(wǎng)絡(luò)有SONET(同步光網(wǎng)絡(luò))和SDH(同步數(shù)字體系)，另外還有各類企業(yè)網(wǎng)如光纖分布數(shù)據(jù)接口(FDDI)等。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率越來(lái)越高時(shí)，采用電子技術(shù)處理交換節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是相當(dāng)困難的?？紤]到節(jié)點(diǎn)處理的數(shù)據(jù)不僅有到達(dá)自身的，還有通過(guò)該節(jié)點(diǎn)到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的，如果到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能在光域選路，那么采用電子技術(shù)處理的數(shù)據(jù)速率就下降了，其負(fù)擔(dān)就小得多了，于是催生了第二代光網(wǎng)絡(luò)的誕生。第二代光網(wǎng)絡(luò)以在光域完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的選路與交換為標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的部分光化。第二代光網(wǎng)絡(luò)中的代表技術(shù)包括波分復(fù)用(WDM)、光時(shí)分復(fù)用(OTDM)和光碼分復(fù)用(OCDMA)等。下面簡(jiǎn)單介紹第二代光網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)。

1.新型業(yè)務(wù)提供

為了更好地理解第二代光網(wǎng)絡(luò)，了解它為用戶提供的服務(wù)類型是很重要的。任一網(wǎng)絡(luò)均可看成是由許多層構(gòu)成的，且每一層應(yīng)完成其相應(yīng)的功能。第二代光網(wǎng)絡(luò)可看成是一個(gè)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(wù)，服務(wù)類型包括：

(1)光通道服務(wù)。光通道是網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點(diǎn)之間的連接，通過(guò)給其通道上的一個(gè)鏈路分配一個(gè)特定的波長(zhǎng)來(lái)建立。

(2)虛電路服務(wù)。光層提供網(wǎng)絡(luò)中兩節(jié)點(diǎn)之間的電路連接，但其連接的帶寬可以小于鏈路或波長(zhǎng)上的總帶寬。如用戶需要傳輸速率為1Mb/s的帶寬連接，而網(wǎng)絡(luò)鏈路可工作于10Gb/s，這時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中必須采用復(fù)用技術(shù)(如時(shí)分復(fù)用)來(lái)復(fù)用許多虛電路到單個(gè)波長(zhǎng)上去。

(3)數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)中允許兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳送短的分組或消息，而無(wú)須建立希望連接的額外開(kāi)銷(如占用信息帶寬)。

2.信息的透明性

第二代光網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)之一是一旦光通道建立起來(lái)，其所提供的電路交換業(yè)務(wù)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)是透明的，除了數(shù)據(jù)速率或帶寬的最大值是規(guī)定的外，它對(duì)數(shù)據(jù)采用的格式是沒(méi)有要求的，甚至可以是模擬信號(hào)。

第二代光網(wǎng)絡(luò)的透明程度取決于其物理層的參數(shù)，如帶寬和信噪比等。如果網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)其目的節(jié)點(diǎn)的通信過(guò)程全在光域，那么其透明程度最高，在這種情況下，模擬信號(hào)需要更高的光信噪比。然而在某些情況下，網(wǎng)絡(luò)中兩節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)不能一直在光域傳輸，其間需要中繼，這意味著信號(hào)在傳輸中需由光域變換到電域，再反過(guò)來(lái)由電域變換到光域。在光通道上使用中繼器降低了網(wǎng)絡(luò)的透明程度。

3.電分組與光分組交換

由于第一代光網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)中的保有量非常大，因此在快速發(fā)展第二代光網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)第一代光網(wǎng)絡(luò)仍然處在繼續(xù)開(kāi)發(fā)之中，這意味著要進(jìn)一步增加光纖中信息傳輸?shù)娜萘恳约疤岣唠娮咏粨Q開(kāi)關(guān)的信息處理能力和端口的數(shù)目。盡管電子交換技術(shù)是最成熟且易于集成的，但是當(dāng)傳輸速率增加到數(shù)十吉比特每秒乃至更高時(shí)，采用電子技術(shù)完成所有的信息交換和處理功能是相當(dāng)困難的。另外，由于光交換和選路技術(shù)還不是非常成熟，在網(wǎng)絡(luò)中光開(kāi)關(guān)只能實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)完全意義上的分組交換，因此第二代光網(wǎng)絡(luò)從一開(kāi)始就只能提供電路交換型的光通道業(yè)務(wù)。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)的分組交換網(wǎng)絡(luò)提供越來(lái)越多的虛電路業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù)將會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。

4.光層

現(xiàn)在光層這一術(shù)語(yǔ)被普遍用來(lái)表示第二代WDM光網(wǎng)絡(luò)層的功能，它能夠?yàn)槠涔鈱拥挠脩籼峁┕馔ǖ溃鈱游挥诰W(wǎng)絡(luò)層，如SDH的下層；光通道代替了SDH網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的光纖。現(xiàn)存的SDH網(wǎng)絡(luò)有許多功能，這些功能包括點(diǎn)到點(diǎn)的連接以及分插功能等。其中的分插功能意味著節(jié)點(diǎn)不但可以分出業(yè)務(wù)，而且可以讓業(yè)務(wù)直接通過(guò)該節(jié)點(diǎn)，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能終結(jié)經(jīng)過(guò)它們的業(yè)務(wù)總量的一小部分，因而這個(gè)功能是很重要的。另外，SDH網(wǎng)絡(luò)還包括交叉連接功能，它可以完成多業(yè)務(wù)流之間的交換，而且SDH網(wǎng)絡(luò)還能在不中斷業(yè)務(wù)的情況下處理設(shè)備和鏈路中出現(xiàn)的故障。 光層可以執(zhí)行與SDH層相同的功能，它可以支持點(diǎn)到點(diǎn)WDM鏈路以及分插功能，即節(jié)點(diǎn)既可以分出某些波長(zhǎng)的信號(hào)，也可以讓某些波長(zhǎng)的信號(hào)直接通過(guò)。1.2.4光纖通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

基于下一代信息網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代服務(wù)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(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)建的，也就是說(shuō)，信息技術(shù)必須依托于光網(wǎng)絡(luò)。

這里所說(shuō)的光網(wǎng)絡(luò)，是指以光纖為傳輸媒介的通信網(wǎng)絡(luò)。目前，信息傳輸系統(tǒng)有兩大核心技術(shù)，即光纖通信和無(wú)線通信，特點(diǎn)是：光纖通信——極大帶寬；無(wú)線通信——無(wú)處不在。光纖通信具有頻帶寬、容量大的特點(diǎn)。圖1-3信息網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)代服務(wù)體系的基本框架例如，單模光纖在1200nm~1600nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的衰耗很低，一般在0.3dB/km左右，頻帶超過(guò)了50THz,這一頻帶寬度甚至超出了目前世界上所有通信技術(shù)所使用的頻帶的好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在技術(shù)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(dá)20Tb/s。因此，一根光纜(多纖)的總?cè)萘靠蛇_(dá)Pb/s數(shù)量級(jí)(1P＝1000T＝1015)。所以說(shuō)光纖是保證通信大容量擴(kuò)展的最佳媒介。 光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通常可分為光傳輸技術(shù)、光節(jié)點(diǎn)技術(shù)和光接入技術(shù)，它們之間既有交叉又有融合。下面我們闡述未來(lái)5~10年間光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，以及影響光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所涉及的各方面的相互間的關(guān)系。

1.光傳輸技術(shù)

光傳輸技術(shù)解決了干線網(wǎng)所需容量的問(wèn)題，而超大容量將成為下一代網(wǎng)絡(luò)的基本特征。目前，主要、成熟的大容量的光傳輸技術(shù)是DWDM(密集波分復(fù)用)。

1)DWDM的技術(shù)趨勢(shì)

目前,商用的DWDM系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)1600Gb/s容量(即160波且每波道速率10Gb/s)、3000km超長(zhǎng)距離傳輸。DWDM主要的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是：

(1)擴(kuò)展傳輸光纖的可用帶寬。隨著光纖制造技術(shù)的進(jìn)步和激光源制造技術(shù)的發(fā)展，可用于光通信的波長(zhǎng)帶已經(jīng)由最常用的C波帶發(fā)展到L波帶、S波帶乃至全波段。

(2)壓縮相鄰光波長(zhǎng)之間的間隔。大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)中相鄰波長(zhǎng)間的間隔在短短的幾年時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷了從200GHz、100GHz、50GHz至25GHz的演變，并且每前進(jìn)一步系統(tǒng)可容納的波長(zhǎng)數(shù)就會(huì)增加一倍。

(3)單波長(zhǎng)傳輸速率不斷地提高。電時(shí)分復(fù)用的速率在不到10年的時(shí)間內(nèi)從155Mb/s發(fā)展到10Gb/s乃至40Gb/s。

(4)采用ULH(超長(zhǎng)距離)技術(shù)，延長(zhǎng)無(wú)再生中繼的距離。

2)光城域網(wǎng)技術(shù)

城域網(wǎng)(MAN，MetroAccessNetworks)起源于計(jì)算機(jī)網(wǎng)，是作為計(jì)算機(jī)的局域傳輸互連的。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的興起，各類不同背景的運(yùn)營(yíng)公司將其發(fā)展為區(qū)域性多業(yè)務(wù)通信網(wǎng)，而其關(guān)鍵特征是公用多業(yè)務(wù)網(wǎng)。

城域網(wǎng)就是多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)(MSTP)，以信息傳輸為主，但含有交換的成分，即含有節(jié)點(diǎn)技術(shù)，是傳輸技術(shù)與節(jié)點(diǎn)技術(shù)相融合的平臺(tái)。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(wǎng)；第三類是以WDM為基礎(chǔ)的城域WDM-MSTP。

(1)SDH-MSTP。SDH技術(shù)是目前國(guó)家通信基礎(chǔ)設(shè)施的核心技術(shù)，現(xiàn)網(wǎng)上運(yùn)行的SDH設(shè)備占傳輸系統(tǒng)設(shè)備總量的80%以上,因此SDH-MSTP仍將在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)著城域網(wǎng)建設(shè)主體的位置。其發(fā)展趨勢(shì)是提供更豐富和更經(jīng)濟(jì)的多業(yè)務(wù)承載能力，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)包括VC(虛容器)級(jí)聯(lián)和虛級(jí)聯(lián)、鏈路容量調(diào)整方案(LCAS)和GFP/LAPS/PPP等標(biāo)準(zhǔn)封裝協(xié)議。通過(guò)引入VC級(jí)聯(lián)與虛級(jí)聯(lián)以提高信息傳輸帶寬分配的靈活性和使用效率；通過(guò)對(duì)LCAS的支持以實(shí)現(xiàn)虛級(jí)聯(lián)承載業(yè)務(wù)時(shí)多徑傳輸?shù)谋Ｗo(hù)能力和潛在的傳輸帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整的可能性；通過(guò)支持GFP/LAPS/PPP等標(biāo)準(zhǔn)封裝協(xié)議以保證由不同廠家設(shè)備承載的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。同時(shí)具有更高級(jí)別的智能化SDH技術(shù)也是基于SDH-MSTP的一個(gè)重要的發(fā)展方向，從而實(shí)現(xiàn)帶寬按需分配，進(jìn)一步將客戶層網(wǎng)絡(luò)對(duì)帶寬需求的變化和節(jié)點(diǎn)的帶寬調(diào)整動(dòng)作關(guān)聯(lián)起來(lái)，逐步向ASON(自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò))演進(jìn)。

(2)Package-MSTP?；诜纸M的多業(yè)務(wù)傳送技術(shù)是城域網(wǎng)從計(jì)算機(jī)網(wǎng)發(fā)展而來(lái)的本來(lái)方式，技術(shù)比較成熟(如簡(jiǎn)捷、高效)，但受到的局限也比較明顯(如安全、服務(wù)質(zhì)量)。這種基于分組的多業(yè)務(wù)傳送技術(shù)現(xiàn)發(fā)展為三種方式：改進(jìn)的以太網(wǎng)技術(shù)、彈性分組環(huán)(RPR)技術(shù)和工作于RPR的MAC層之上的MSR(多業(yè)務(wù)環(huán))技術(shù)。改進(jìn)的以太網(wǎng)技術(shù)的主要手段就是在以太網(wǎng)幀之外再加幀進(jìn)行包裝，新加的幀提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證。RPR技術(shù)借鑒SDH的環(huán)路保護(hù)技術(shù)，適用于以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主、TDM(時(shí)分復(fù)用)業(yè)務(wù)為輔的網(wǎng)絡(luò)，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)日益成為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的主體，其應(yīng)用范圍也會(huì)逐漸擴(kuò)大。MSR(城域網(wǎng)多業(yè)務(wù)環(huán))技術(shù)不僅和RPR技術(shù)融合，而且通過(guò)支路(即業(yè)務(wù)，如以太網(wǎng)、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(jí)的功能。

(3)WDM-MSTP。WDM系統(tǒng)在具有大容量特點(diǎn)的同時(shí)，還具有組網(wǎng)靈活、易擴(kuò)展和易管理等優(yōu)點(diǎn)。城域WDM系統(tǒng)包括城域DWDM和CWDM(粗波分復(fù)用)。城域網(wǎng)WDM逐步演進(jìn)為OADM(光分插復(fù)用)光自愈環(huán)，最終引入OXC(光交叉連接)互連大量的光自愈環(huán)形成光網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，從而帶來(lái)網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的大量好處，引入ASON功能為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分配和部署波長(zhǎng)提供了端到端波長(zhǎng)業(yè)務(wù)。CWDM與DWDM在原理上完全相同，CWDM是以擴(kuò)大波長(zhǎng)頻率間隔和減少波長(zhǎng)數(shù)量作為代價(jià)來(lái)降低成本的。

2.光節(jié)點(diǎn)技術(shù)

1)光交叉技術(shù)

現(xiàn)在WDM技術(shù)的研究方向主要有兩個(gè)：一個(gè)是朝著更多波長(zhǎng)以及單波長(zhǎng)更高速率的方向發(fā)展；另一個(gè)是朝著WDM聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展。點(diǎn)到點(diǎn)的DWDM系統(tǒng)只提供了原始的帶寬，而在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中，按需分配容量、個(gè)性化業(yè)務(wù)和成本低等是競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，因此業(yè)務(wù)提供者需要制定與此相適應(yīng)的方案，并且提供靈活的交叉節(jié)點(diǎn)才能更好地滿足對(duì)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(jié)點(diǎn)，主要研究集中在OXC器件和OADM器件以及由這些器件構(gòu)成的系統(tǒng)上，它可以在此基礎(chǔ)上形成具有全光交換能力的產(chǎn)品。

2)光交換技術(shù)

光交換技術(shù)是指不經(jīng)過(guò)任何光／電轉(zhuǎn)換，在光域直接將輸入光信號(hào)交換到不同的輸出端。光交換技術(shù)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(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，而后者對(duì)光部件的性能要求更高。目前由于光邏輯器件的功能較簡(jiǎn)單，還不能完成控制部分復(fù)雜的邏輯處理功能，因此國(guó)際上現(xiàn)有的分組光交換單元還是由電信號(hào)來(lái)控制的，即所謂的電控光交換。隨著光器件技術(shù)的發(fā)展，光交換技術(shù)的最終發(fā)展趨勢(shì)將是光控光交換。

3)智能光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

智能光網(wǎng)絡(luò)是光網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展方向，通過(guò)研究智能化的光聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以解決面向未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)在光層上動(dòng)態(tài)、靈活、高效的組網(wǎng)問(wèn)題。其具體采用的就是ASON技術(shù)?，F(xiàn)在所要研究的問(wèn)題主要集中在多粒度光交換、動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)選路與連接類型、接口單元(NNI、UNI)、業(yè)務(wù)適配與接入、自動(dòng)資源發(fā)現(xiàn)、控制協(xié)議、接口與信令、鏈路監(jiān)控與管理、組網(wǎng)與生存性、核心功能軟件與網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)上。

3.光纖接入技術(shù)

1)接受光接入網(wǎng)的充分條件

光接入技術(shù)的發(fā)展，與其成本(經(jīng)濟(jì)性)的關(guān)聯(lián)非常密切。骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)的傳輸設(shè)備和節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其價(jià)格對(duì)用戶是隱性的，而光接入技術(shù)的成本對(duì)用戶是顯性的、直接的。因此與干線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，接入網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展相對(duì)較慢。接入網(wǎng)的帶寬基本停留在窄帶水平，其根本原因是缺少兩個(gè)充分條件，一個(gè)是能夠吸引家庭用戶且能夠承受費(fèi)用的實(shí)時(shí)寬帶業(yè)務(wù)，另一個(gè)是對(duì)家庭用戶來(lái)說(shuō),光纖接入的成本應(yīng)與銅線接入的成本相當(dāng)，甚至更低?，F(xiàn)在采用的接入技術(shù)手段，如xDSL(數(shù)字用戶環(huán)路，DigitalSubscriberLoop)系統(tǒng)、HFC(混合光纖同軸電纜，HybridFiberCoaxial)系統(tǒng)、以太網(wǎng)接入系統(tǒng)和寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)，都是基于銅纜或微波頻段的接入，受到傳輸媒質(zhì)、無(wú)線頻譜和技術(shù)體制的先天限制，這些接入方式不能從根本上解決用戶對(duì)寬帶接入的需求。一旦上述的兩個(gè)充分條件中有一個(gè)滿足了，則唯一能夠從根本上徹底解決帶寬需求的長(zhǎng)遠(yuǎn)技術(shù)就是光纖接入網(wǎng)。

2)光纖通信的大同世界——FTTH

光纖接入技術(shù)已廣泛應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)匯聚層，而應(yīng)用到接入終端，即光纖到戶(FTTH)是發(fā)展的目標(biāo)。光纖接入技術(shù)可以分為有源光纖接入和無(wú)源光纖接入兩類。有源光纖接入類似于銅線以太網(wǎng)的接入技術(shù)。無(wú)源光纖接入主要有采用ATM技術(shù)的APON、采用以太網(wǎng)技術(shù)的EPON和采用GFP封裝的GPON，將它們統(tǒng)稱為xPON。FTTH的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家信息化程度和競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)，對(duì)光通信市場(chǎng)的帶動(dòng)有著不可低估的巨大的作用，也可以說(shuō)FTTH的發(fā)展不僅是信息領(lǐng)域的進(jìn)步，而且是國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和社會(huì)生活領(lǐng)域變革的前奏。

4.光纖器件技術(shù)的發(fā)展

光纖網(wǎng)絡(luò)體系是未來(lái)光通信的主流發(fā)展方向，光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在很大程度上取決于光纖器件技術(shù)的發(fā)展,而光纖器件技術(shù)本身的發(fā)展又取決于其成本(經(jīng)濟(jì)性)。光纖器件主要有：支持智能化的光可變換器件，包括可調(diào)諧光源、可調(diào)諧光濾波器、全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、光可變衰減器等；支持全光網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的平面光波技術(shù)；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(zhǎng)可調(diào)諧光源可任意控制信道的波長(zhǎng)，能夠方便和準(zhǔn)確地控制頻道的間隔，其特性要求是可快速地調(diào)諧傳輸速率，且有較寬的調(diào)諧范圍。它可實(shí)現(xiàn)傳輸速率的快速配置和波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換，可重構(gòu)的OADM以及光開(kāi)關(guān)、保護(hù)和恢復(fù)的功能，是智能光網(wǎng)絡(luò)的催化劑。可調(diào)諧光濾波器主要有兩個(gè)應(yīng)用：一是作為光性能監(jiān)測(cè)(OPM)的基礎(chǔ)，只需要通過(guò)可調(diào)諧光濾波器將要處理的波長(zhǎng)篩選出來(lái)即可監(jiān)測(cè);二是在可調(diào)OADM和OXC方面的應(yīng)用，用可調(diào)諧光濾波器來(lái)取代波分復(fù)用器將要下載的波長(zhǎng)篩選出來(lái)。全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換將成為光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)基本功能，可進(jìn)行透明的互操作,解決波長(zhǎng)的爭(zhēng)用，波長(zhǎng)路由選定，以及在動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)模式下較好地利用網(wǎng)絡(luò)資源。尤其是對(duì)大容量、多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)，采用全光波長(zhǎng)變換器可大大降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率。光可變衰減器(VOA)陣列及可調(diào)光功率分配器還是下一代智能化光通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵器件，目前有基于各種新技術(shù)的光可變衰減器，這些新技術(shù)包括MEMS(微型機(jī)電系統(tǒng)，MicroElectroMechanicalSystem)技術(shù)、液晶技術(shù)、波導(dǎo)技術(shù)和聚合物材料光柵等。光可變衰減器陣列可以構(gòu)成DCE(DynamicChannelEqualizer)、VMUX(VOA＋MUX(多路復(fù)用器))、OADM等光器件的核心部件。

2)平面光波導(dǎo)技術(shù)

平面光波導(dǎo)(PLC，PlanarLightwaveCircuit)技術(shù)以其成本低、便于批量生產(chǎn)、穩(wěn)定性好、易于集成等諸多特點(diǎn)，被認(rèn)為是光通信產(chǎn)業(yè)的明日之星。PLC技術(shù)可以為光網(wǎng)絡(luò)提供光功率分配、光開(kāi)關(guān)、光濾波等各種功能，為組建更為復(fù)雜的光網(wǎng)絡(luò)提供了必要的條件。另外，PLC技術(shù)為混合集成技術(shù)提供了可靠的平臺(tái)，可以將諸如激光器、探測(cè)器、OEIC(光電集成)與各類無(wú)源PLC器件集成到一起，極大地降低了器件的成本，促進(jìn)了FTTH的發(fā)展。同時(shí)混合集成技術(shù)的研究也必將為更高度的光電集成提供技術(shù)基礎(chǔ)，從而在下一代的通信系統(tǒng)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(xué)器件，在光纖通信中也有重要的用途，被認(rèn)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(wú)閾值激光器、光子晶體光波導(dǎo)、光偏振器、光開(kāi)關(guān)、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(shí)驗(yàn)室制作階段以及理論分析階段，離實(shí)用還有一定的距離，其面臨的最大問(wèn)題就是制作難度太大。相對(duì)而言，一維光子晶體的制作工藝較簡(jiǎn)單，如偏振分離器/合成器(PBS/PBC)。在結(jié)合了液晶技術(shù)或磁光旋光器以后，納米光學(xué)晶體可用來(lái)構(gòu)成光開(kāi)關(guān)、VOA、光循環(huán)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(guī)則地排列空氣孔，而光纖的纖芯由一個(gè)破壞包層周期性的缺陷態(tài)構(gòu)成。從光纖的端面上看，存在周期性的二維光子晶體結(jié)構(gòu)，并且在光纖的中心有缺陷態(tài)，光便可以沿著缺陷態(tài)在光纖中傳輸。光子晶體光纖作為下一代的傳輸光纖應(yīng)具有：超低的損耗，計(jì)劃目標(biāo)為0.05dB/km，而現(xiàn)在的損耗為1.72dB/km；②在很寬的頻率范圍內(nèi)支持單模傳輸，并通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可以支持任何波長(zhǎng)光波的單模傳輸；③光子晶體光纖的纖芯面積大于傳統(tǒng)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(shè)計(jì)色散和色散斜率，提供寬帶色散補(bǔ)償，可以把零色散波長(zhǎng)的位置移到1000nm以下。1.2.5光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)

光纖通信從一開(kāi)始就是為傳輸基于電路交換的信息的，客戶信號(hào)一般是TDM(時(shí)分復(fù)用)的連續(xù)碼流，如PDH和SDH等。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)特別是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)信息的傳輸量越來(lái)越大，客戶信號(hào)中基于分組交換的具有隨機(jī)性、突發(fā)性的分組信號(hào)碼流的比例逐步增加，使得光纖通信網(wǎng)絡(luò)所承載的數(shù)據(jù)信號(hào)的種類和數(shù)量也越來(lái)越多。 從現(xiàn)有的光同步數(shù)字體系(SDH)網(wǎng)邁向新一代全光網(wǎng)，這將是一個(gè)分階段演化的過(guò)程，網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成和技術(shù)功能也在不斷地變化，光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)程如圖1-4所示。可以看出，光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)程是：采用WDM技術(shù)和光放大技術(shù)，進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的通信擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)光域上信息的全光傳輸；在光傳輸路徑上設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)，可實(shí)現(xiàn)本地光信號(hào)在光路上的上路和下路功能；傳輸鏈路采用波分復(fù)用技術(shù)，采用光分插復(fù)用器作為光節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的光域傳輸；進(jìn)而利用光交叉連接(OXC)，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有光交換功能，構(gòu)成光傳送網(wǎng)到自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)，最終形成基于全光傳輸和光分組交換的全光網(wǎng)絡(luò)或光子網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)光域上的信息傳輸和交換。全光網(wǎng)絡(luò)采用光層保護(hù)，并具有較好的存活性，可進(jìn)行靈活的帶寬分配、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、波長(zhǎng)路由和交換，實(shí)現(xiàn)光域上端到端的多粒度波長(zhǎng)服務(wù)。

基于上面對(duì)光纖通信關(guān)鍵技術(shù)的分析，我們認(rèn)為光纖通信網(wǎng)絡(luò)將在下面幾個(gè)方面進(jìn)一步發(fā)展：圖1-4光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)程

1)增加傳輸容量

目前，實(shí)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(fù)用DWDM系統(tǒng)也已投入商用。在實(shí)驗(yàn)室中，NEC實(shí)現(xiàn)了274×40Gb/s系統(tǒng)，阿爾卡特實(shí)現(xiàn)了256×40Gb/s系統(tǒng)，西門子實(shí)現(xiàn)了176×40Gb/s系統(tǒng)，而朗訊則將系統(tǒng)的總?cè)萘刻嵘良s20Tb/