第四章光纖通信4.1光纖通信基本原理4.1.1一、光纖通信的定義光纖通信是以光波作為傳輸信息的載波、以光纖作為傳輸介質的一種通信。圖4.1給出了光纖通信的簡單示意圖。其中，用戶通過電纜或雙絞線與發送端和接收端相聯，發送端將用戶輸入的信息（語音、文字、圖形、圖像等）經過處理后調制在光波上，然后人射到光纖內傳送到接收端，接收端對收到的光波進行處理，還原出發送用戶的信息輸送給接收用戶。圖4.1光纖通信示意圖根據光纖通信的以上特點，光纖通信屬于光通信和有線通信的范疇。二、光纖通信特點光纖通信之所以受到人們的極大重視，這是因為和其它通信手段相比，具有無以倫比的優越性。1、傳輸頻帶寬，通信容量大可見光波長范圍大約在390nm至780nm之間，而用于光纖通信的近紅外區段的光波波長為800～2000nm之間，具有非常寬的傳輸頻帶。在光纖的三個可用傳輸窗口中，0.85um窗口只用于多模傳輸，1.31um和1.55um多用于單模傳輸。每個窗口的可用頻帶一般在幾十到幾百GHz之間。近些年來隨著技術進步和新材料的應用，又相繼開發出了第四窗口（L波段）、第五窗口（全波光纖）和S波段窗口，具備了寬帶大容量的特點。2、傳輸損耗小，中繼距離長由于光纖具有極低的衰耗系數（目前商用化石英光纖已達0.19dB/km以下），若配以適當的光發送與光接收設備，可使其中繼距離達幾十上百公里，這是傳統的電纜、微波等根本無法與之相比擬的。光纖的這種低損耗的特點支持長距離無中繼傳輸。中繼距離的延長可以大大減少系統的維護費用。3、保密性能好光波在光纖中傳輸時只在其芯區進行，基本上沒有光“泄露”出去，因此其保密性能極好。4、適應能力強光纖不怕外界強電磁場的干擾、耐腐蝕，可撓性強（彎曲半徑大于25厘米時其性能不受影響）。5、體積小、重量輕、便于施工維護一根光纖外徑不超過125um，經過表面涂敷后尺寸也不大于1mm。制成光纜后直徑一般為十幾毫米，比金屬制作的電纜線徑細、重量輕，光纜的敷設方式方便靈活。6、原材料來源豐富，潛在價格低廉制造石英光纖的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中幾乎是取之不盡、用之不竭的。因此其潛在價格是十分低廉的。4.1.2光纖通信的發展過程大體說來，光纖通信的發展經歷了以下三個階段：一、20世紀70年代的起步階段這個階段是光纖通信能否問世的決定性階段，這個階段的主要工作是：1、研制出低損耗光纖1970年，美國Corning公司率先制成20dB/km損耗的光纖。1972年，美國Corning公司制成4dB/km損耗的光纖。1973年，美國貝爾（Bell)實驗室制成1dB/km損耗的光纖。1976年，日本電報電話公司和富士通公司制成0.5dB/km低損耗的光纖。1979年，日本電報電話公司和富士通公司制成0.2dB/km低損耗的光纖。現在，光纖損耗已低于0.4dB/km(1.31um波長窗口）和0.2dB/km(1.55um波長窗口）。2、研制出小型高效的光源和低噪聲的光檢測器件這一時期，各種新型長壽命的半導體激光器件（LD）和光檢測器件（PD）陸續研制成功。3、研制出光纖通信實驗系統1976～1979年，美國、日本相繼進行了0.85um波長、速率為幾十Mb/s的多模光纖通信系統的現場試驗。二、20世紀80年代進入商用階段這一階段，發達國家已在長途通信網中廣泛采用光纖通信方式，并大力發展洲際海底光纜通信。如橫跨太平洋的海底光纜，橫跨大西洋的海底光纜等。在此階段，光纖從多模發展到單模，工作波長從0.85um發展到1.31um和1.55um，通信速率達到幾百Mb/s。我國于1987年前在市話中繼線路上應用光纖通信，1987年開始在長途干線上應用光纖通信。鋪設了多條省內二級光纜干線，連通省內一些城市。從1988年起，我國的光纖通信系統由多模向單模發展。三、20世紀90年代進入提高階段這一階段，許多國家為滿足迅速增長的帶寬需求，一方面繼續鋪設更多的光纜。如1994年10月世界最長的海底光纜（全長1.89萬公里，連接東南亞、中東和西歐的13個國家）在新加坡正式啟用。另一方面，一些國家還不斷努力研究開發新器件、新技術，用來提高光纖的信息運載量。1993年和1995年先后實現2.5Gb/s和10Gb/s的單波長光纖通信系統，隨后推出的密集波分復用技術可使光纖傳輸速率提高到幾百Gb/s。20世紀90年代也是我國光纖通信大發展的時期。1998年12月，貫穿全國的“八縱八橫”光纖干線骨干通信網建成，網絡覆蓋全國省會以上城市和70％的地市，全國長途光纜達到20萬公里。至此，我國初步形成以光纜為主、衛星和數字微波為輔的長途骨干網絡，我國電信網的技術裝備水平進入世界先進行列，綜合通信能力發生了質的飛躍，為國家的信息化建設提供了堅實的網絡基礎。從20世紀70年代至今，光纖通信給整個通信領域帶來了一場革命。通信系統的傳輸容量成萬倍的增加，傳輸速度成千倍的提高。目前，國際國內長途通信傳輸網的光纖化比例已經超過90%，國內各大城市之間都已經鋪通了20GB以上的大容量光纖通信網絡。用帶寬極寬的光波作為傳送信息的載體以實現通信，這一幾百年來人們夢寐以求的幻想在今天已成為活生生的現實。然而就目前的光纖通信而言，其實際應用僅是其潛在能力的2%左右，尚有巨大的潛力等待人們去開發利用。因此，光纖通信技術并未停滯不前，而是向更高水平、更高階段方向發展。4.2光纖通信系統的組成按照傳輸信號劃分，光纖通信系統可以分為光纖模擬通信系統和光纖數字通信系統，其中光纖數字通信系統是目前廣泛采用的光纖通信系統。光纖數字通信系統主要由光發射、光傳輸和光接收3部分組成。要使光波成為攜帶信息的載體，必須對它進行調制，在接收端再把信息從光波中檢測出來。然而，由于目前技術水平所限，對光波進行頻率調制和相位調制等仍局限在實驗室內，尚未達到實用化水平，因此大都采用強度調制與直接檢波方式（IM-DD）。所謂強度調制，是指用被傳輸的電信號去直接調制光源，使之隨信號電流成線性變化；直接檢波是指信號直接在接收機的光頻上用檢測器把調制的光波檢測變成電信號。又由于目前的光源器件與光接收器件的非線性比較嚴重，所以對光器件的線性度要求比較低的數字光纖通信在光纖通信中占據主要位置。典型的數字光纖通信系統框圖如圖4.2所示。圖4.2數字光纖通信系統框圖數字光纖通信系統基本上由光發送機、光纖與光接收機組成。在發送端，電發送端機把信息（如話音）進行A/D轉換，用轉換后的數字信號去調制發送機中的光源器件（如LD），則光源器件就會發出攜帶信息的光波。即當數字信號為“1”時，光源器件發送一個“傳號”光脈沖；當數字信號為“0”時，光源器件發送一個“空號”（不發光）。光波經低損耗光纖傳輸后到達接收端。在接收端，光接收機中的光檢測器件（如APD）把數字信號從光波中檢測出來，由電端機將數字信號轉換為模擬信號，恢復成原來的信息。這樣就完成了一次通信的全過程。圖中的中繼器起到放大信號、增大傳輸距離的作用。4.2.1光纖的結構與分類一、光纖的結構光纖呈圓柱形，由纖芯、包層與涂敷層三大部分組成，如圖4.3所示。圖4.3光纖的結構1、纖芯纖芯位于光纖的中心部位，其成份是高純度的二氧化硅，此外還摻有極少量的摻雜劑如二氧化鍺，五氧化二磷等，摻有少量摻雜劑的目的是適當提高纖芯的光折射率。2、包層包層位于纖芯的周圍，其成份也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。而摻雜劑（如三氧化二硼）的作用則是適當降低包層的光折射率n2，使之略低于纖芯的折射率n1。3、涂敷層光纖的最外層是由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成的涂敷層，其作用是增加光纖的機械強度與可彎曲性。一般涂敷后的光纖外徑約1.5厘米。普通光纖的典型尺寸，對于單模光纖，其纖芯直徑大約為5～10um，多模光纖的纖芯直徑大約為50～70um，包層直徑一般均為125um左右。二、光纖的分類目前光纖的種類繁多，就其分類方法而言大致有四種，即按光纖剖面折射率分布分類，按傳播模式分類、按工作波長分類和按套塑類型分類等。1、按折射率分布分類（1）階躍光纖：在纖芯與包層區域，折射率的分布分別是均勻的，但在纖芯與包層的分界處，其折射率的變化是階躍的，其值分別為n1與n2，如圖4.4所示。圖4.4階躍光纖的折射率分布（2）漸變光纖：光纖軸心處的折射率最大，沿剖面徑向逐漸變小，其變化規律一般符合拋物線規律，到了纖芯與包層的分界處，正好降到與包層區域的折射率n2相等的數值；在包層區域中其折射率的分布是均勻的，如圖4.5所示。圖4.5漸變光纖的折射率分布2、按傳播模式分類從幾何光學的角度來理解光纖的傳輸模式，可以認為每一根以不同角度入射到光纖中的光射線都有其不同于其它光射線的模式。能夠在光纖中傳輸的光射線，稱為可傳輸模式，沿著光纖軸向傳輸的模式稱為基模，其它模式稱為高次模。按照光纖傳輸模式的不同分為多模光纖和單模光纖兩種。（1）多模光纖：當光纖的幾何尺寸（主要是纖芯直徑）遠遠大于光波波長時，光纖中會存在著幾十種乃至幾百種傳播模式，這種光纖叫做多模光纖。不同的傳播模式會具有不同的傳播速度與相位，因此經過長距離的傳輸之后會產生時延，導致光脈沖變寬。這種現象叫做光纖的模式色散。模式色散會使多模光纖的帶寬變窄，降低了其傳輸容量，因此多模光纖僅適用于較小容量的光纖通信。多模光纖的折射率分布大都為拋物線分布即漸變折射率分布，其纖芯直徑大約在50微米左右。（2）單模光纖：根據電磁場理論與求解麥氏方程組發現，當光纖的幾何尺寸可以與光波長相比擬時，如芯徑在5～10微米范圍，光纖只允許一種模式（基模)在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖叫做單模光纖。由于它只允許一種模式在其中傳播，從而避免了模式色散的問題，故單模光纖具有極寬的帶寬，特別適用于大容量的光纖通信。3、按工作波長分類（1）短波長光纖：在光纖通信發展的初期，人們使用的光波的波長在0.6～0.9微米范圍內（典型值為0.85微米），習慣上把在此波長范圍內呈現低衰耗的光纖稱作短波長光纖。短波長光纖屬早期產品，目前很少采用。（2）長波長光纖：隨著研究工作的不斷深入，人們發現在波長1.31微米和1.55微米附近，石英光纖的衰耗急劇下降，如圖4.6所示。不僅如此，而且在此波長范圍內石英光纖的材料色散也大大減小。因此人們的研究工作又迅速轉移，并研制出在此波長范圍衰耗更低，帶寬更寬的光纖，習慣上把工作在1.0～2.0微米波長范圍的光纖稱之為長波長光纖。長波長光纖因具有衰耗低、帶寬寬等優點，特別適用于長距離、大容量的光纖通信。圖4.6石英光纖的衰耗譜線4、按套塑類型分類（1）緊套光纖：二次、三次涂敷層與預涂敷層及光纖的纖芯、包層等緊密地結合在一起的光纖。目前此類光纖居多。（2）松套光纖：經過預涂敷后的光纖松散地放置在塑料管內，不再進行二次、三次涂敷。松套光纖的制造工藝簡單，其衰耗--溫度特性與機械性能也比緊套光纖好，因此越來越受到人們的重視。三、光纜光纖在經過涂覆和套塑等表面層處理后已具有一定的抗拉強度，但一般還經不起實用場合的彎曲、扭曲和側壓力的作用。為構成實用的傳輸線路，同時，便于工程上的施工安裝，常常將多根光纖借用傳統的絞合、套塑、金屬帶愷裝等成纜工藝組合成像通信用的各種銅線電纜那樣的光纜。這樣既保持了光纖原有的傳輸特性，又具備了滿足實際工程使用要求的力學性能。為工程應用打下了基礎。具體的光纖光纜的最主要的技術要求是保證在制造成纜、敷設以及在各種使用環境下光纖的傳輸性能不受影響并具有長期的穩定性。其主要性能有：1、力學性能：包括抗拉強度、抗壓、抗沖擊和抗彎曲性能。2、溫度特性：包括高溫和低溫溫度特性。3、質量和尺寸：每千米質量(kg/km)及外徑尺寸。其中最重要的是力學性能，它是保持光纜在各種敷設條件下都能為纖芯提供足夠的抗拉、抗壓、抗沖擊、抗彎曲等機械強度的關鍵指標。必須采用加強纖芯和光纜的防護層(簡稱護層)，根據敷設方式的不同，護層要求也有所不同。4.2.2光纖的導光原理光是一種頻率極高的電磁波，而光纖本身是一種介質波導，因此光在光纖中的傳輸理論是十分復雜的。為了便于理解，我們從幾何光學的角度來討論光纖的導光原理，這樣會更加直觀、形象、易懂。更何況對于多模光纖而言，由于其幾何尺寸遠遠大于光波波長，所以可把光波看作成為一條光線來處理。一、全反射原理當光線在均勻介質中傳播時是以直線方向進行的，但在到達兩種不同介質的分界面時，會發生反射與折射現象，如圖4.7所示。圖4.7光的反射與折射根據光的反射定律，反射角等于入射角。（4.1）根據光的折射定律：（4.2）其中n1為纖芯的折射率，n2為包層的折射率。顯然，若nl>n2，則會有。如果n1與n2的比值增大到一定程度，則會使折射角≥90O，此時的折射光線不再進入包層，而會在纖芯與包層的分界面上掠過(折射角=90O時），或者重返回到纖芯中進行傳播(折射角>90O時）。這種現象叫做光的全反射現象。人們把對應于折射角等于90O的入射角叫做臨界角。很容易可以得到臨界角（4.3）不難理解，當光在光纖中發生全反射現象時，由于光線基本上全部在纖芯區進行傳播，沒有光跑到包層中去，所以可以大大降低光纖的衰耗。早期的階躍光纖就是按這種思路進行設計的。二、光在階躍光纖中的傳播了解了光的全反射原理之后，不難畫出光在階躍光纖中的傳播軌跡，如圖4.8所示。圖4.8光在階躍光纖中的傳播示意圖通常人們希望用入射光與光纖頂端面的夾角來衡量光纖接收光的能力，于是產生了光纖數值孔徑NA的概念。當入射光源與光纖纖芯的橫截面進行入射光耦合時，入射光線的角度θ不能太大，只有當θ小于某個角度時才可以獲得全反射傳輸的條件，我們稱這個角度的正弦值為光纖的數值孔徑NA。這里首先定義光纖的相對折射率差（4.4）因為光在空氣中的折射率n0=1，若想實現全反射，連續應用折射定律，光在纖芯端面的最大入射角應滿足：（4.5）在光纖通信中所用光纖的Δ一般小于1%，所以Δ可近似表示為：（4.6）因此，階躍光纖數值孔徑NA的物理意義是：能使光在光纖內以全反射形式進行傳播的接收角的正弦值。需要注意的是，光纖的NA并非越大越好。NA越大，雖然光纖接收光的能力越強，但光纖的模式色散也越厲害。因為NA越大，則其相對折射率差△也就越大，△值較大的光纖的模式色散也越大，從而使光纖的傳輸容量變小。因此NA取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和模式色散。CCITT建議光纖的NA=0.18～0.23。三、光在漸變光纖中的傳播1、定性解釋由圖4.5知道，漸變光纖的折射率分布是在光纖的軸心處最大，而沿剖面徑向的增加而折射率逐漸變小。采用這種分布規律是有其理論根據的。假設光纖是由許多同軸的均勻層組成，且其折射率由軸心向外逐漸變小，這樣光在鄰層的分界面都會產生折射現象。由于外層總比內層的折射率要小一些，所以每經過一個分界面，光線向軸心方向的彎曲就厲害一些，就這樣一直到了纖芯與包層的分界面。而在分界面又產生全反射現象，全反射的光線沿纖芯與包層的分界面向前傳播，而反射光則又逐層地折射回光纖纖芯。就這樣完成了一個傳輸全過程，使光線基本上局限在纖芯內進行傳播，其傳播軌跡類似于正弦波，如圖4.9所示。圖4.9漸變光纖中光的傳播軌跡2、光在單模光纖中的傳播光在單模光纖中的傳播軌跡，簡單地講是以平行于光纖軸線的形式以直線方式傳播，如圖4.10所示。圖4.10光在單模光纖中的傳播軌跡這是因為在單模光纖中僅以一種模式（基模）進行傳播，而高次模全部截止，不存在模式色散。平行于光軸直線傳播的光線代表傳播中的基模。四、光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性主要包括光纖的損耗特性、色散特性和非線性特性。1、光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，光功率會不斷下降。光纖對光波產生的衰減作用稱為光纖的損耗。衡量光纖損耗特性的參數為衰減系數（損耗系數）α，定義為：每公里光纖對光功率信號的衰減值。其表達式為：（4.7）式中：λ為光波的波長，Pi為輸入光功率，PO為輸出光功率。如某光纖的衰減系數為3dB/km，則經過一公里的光纖傳輸之后，其光功率信號減少了一半。長度為L公里的光纖的衰耗值為：（4.8）衰減系數是多模光纖最重要的特性參數之一，在很大程度上決定了光纖通信的中繼距離，衰減系數越小，光纖質量越好，可無中繼傳輸距離越大。目前，在波長1.31um和1.55um處，普通光纖的損耗系數分別在0.5dB/km和0.2dB/km以下。不同波長及不同類型的光纖其損耗系數不一樣。光纖產生損耗的機理很復雜，降低損耗主要依靠于制造工藝的提高和相關材料的研究等措施。2、光纖的色散特性光源信號作為載波，理想情況下應是頻率單一的單色光，但現實中難以做到純粹的單色光，光源信號含有不同的波長成分，這些不同波長成分在折射率為n1的光纖介質中傳輸速度不同，從而導致光信號分量產生不同延遲，這種現象稱為光纖的色散。具體表現為當光脈沖沿著光纖傳輸一定距離后脈沖寬度展寬，甚至有了明顯的失真，嚴重時前后脈沖相互重疊，難以分辨。光纖的色散不僅影響傳輸質量，也限制了光纖通信系統的中繼距離，它是限制傳輸速率的主要因素。光纖的色散可以分為三部分即模式色散、材料色散與波導色散。（1）模式色散因為光在多模光纖中傳輸時會存在著許多種傳播模式，而每種傳播模式具有不同的傳播速度與相位，因此雖然在輸入端同時輸入光脈沖信號，但到達到接收端的時間卻不同，于是產生了脈沖展寬，這種現象稱為模式色散。（2）材料色散由于光纖材料的折射率是波長的非線性函數，從而使光的傳輸速度隨波長的變化而變化，由此而引起的色散叫材料色散。（3）波導色散同一模式的相位常數隨波長而變化，即群速度隨波長而變化，從而引起色散，稱為波導色散。描述光纖色散的參數有一下三種：（1）色散系數：定義為單位線寬光源在單位長度光纖上所引起的時延差，即：（4.9）式中，是光源的線寬，即輸出激光的波長范圍，單位是nm；是單位長度光纖上引起的時延差，單位是ps/km。色散系數越小越好。（2）最大時延差：定義為光纖中傳播速度最快和最慢的兩種光波頻率成分的時延之差，時延差越大說明色散越嚴重。單位是ns/km。（3）光纖的帶寬系數：定義為一公里長的光纖，其輸出光功率信號下降到其最大值的一半時，此時光功率信號的調制頻率就叫做光纖的帶寬系數。需要注意的是，由于光信號是以光功率來度量的，所以其帶寬又稱為3dB光帶寬。即光功率信號衰減3dB時意味著輸出光功率信號減少一半。而一般的電纜帶寬稱為6dB電帶寬，因為輸出電信號是以電壓或電流來度量的。3、數值孔徑NA數值孔徑是多模光纖的重要參數，它表征了光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對模式色散的影響。CCITT建議多模光纖的數值孔徑取值范圍為0.18～0.23。此外，式（4.5）的表達式是在階躍光纖的條件下推導出來的，但多模光纖目前大多數是漸變光纖。所以對應于式（4.5）的數值孔徑叫做最大理論數值孔徑NAt，而在實際中最常使用強度有效值數值孔徑NAe，它們二者的關系為：（4.10）4、歸一化頻率歸一化頻率是光纖的最重要的結構參數，它能表征光纖中傳輸模式的數量，其表達式為：（4.11）式中，為光波的波長；n1為纖芯區域中最大折射率，對階躍光纖而言為常數，對漸變光纖為軸心處的折射率；a1為纖芯的半徑（um）；為光纖的相對折射率差。V是一個無量綱的參數，它的大小能決定光纖中傳播模式的數量。理論上可以證明，對于階躍光纖而言其傳播模式的數量為N=0.5V2，對于漸變光纖而言則為N=0.25V2。4.2.3光發送端機和光接收端一、光端機的基本概念光端機是位于電端機和光纖之間不可缺少的設備。如前所述，光端機包含發送和接收兩大單元。光端機的功能是：其發送單元將電端機發出的電信號轉換成符合一定要求的光信號后，送至光纖傳輸；其接收單元將光纖傳送過來的光信號轉換成電信號后，送至電端機處理。可見，光端機的發送單元是完成電/光轉換，光端機的接收單元是完成光／電轉換。通常，一套光纖通信設備含有2個光端機、2個電端機。二、光發送端機的組成框圖光發送機原理框圖如圖4.11所示，其各部分的功能如下。圖4.11光發送機原理圖1、均衡放大ITU-T規定了不同速率的光發送機接口速率和接口碼型。由PCM端機送來的HDB3或CMI碼流，經過電纜的傳輸產生了衰減和畸變，首先要進行均衡放大，用以補償由電纜傳輸所產生的衰減或畸變，以便正確譯碼。2、碼型變換在數字電路中，為了處理方便，由均衡器輸出的HDB3碼或CMI碼，需通過碼型變換電路，將其變換為二進制單極性碼。3、擾碼若信碼流中出現長連“0”或長連“1”的情況，將會給時鐘信號的提取帶來困難，為了避免出現這種情況，需加一擾碼電路。它可有規律地破壞長連“0”或長連“1”的碼流，從而達到“0”、“1”等概率出現。相應的接收機需要加一個解擾電路，以恢復原來的信號流。4、時鐘提取由于碼型變換和擾碼過程都需要以時鐘信號作為依據，因此，在均衡放大電路之后，由時鐘提取出時鐘信號，供給均衡放大、碼型變換、擾碼電路和編碼電路使用。5、編碼如上所述，經過擾碼后的碼流，盡量使得“1”和“0”的個數均等，這樣便于接收端提取時鐘信號。而且在實用上，為了便于不間斷業務的誤碼監測，區間通信聯絡、監控及克服直流分量的波動，在實際的光纖通信系統中，都要對經過擾碼以后的信碼流進行編碼，以滿足上述要求。經過編碼以后，線路碼型已適合在光纖線路中傳送。6、驅動（調制）光源驅動電路用經過編碼以后的數字信號來調制發光器件的發光強度，完成電/光轉換。光源發出的光強隨經過編碼后的信號源變化，形成相應的光脈沖送入光導纖維。7、自動光功率控制光源經一段使用時間將出現老化，如果光源采用LD管，必須設有自動光功率控制APC（AutomaticPowerControl）和自動溫度控制ATC（AutomaticTemperatureControl）電路，達到穩定輸出光功率的目的。采用LED管時，可不設置。8、自動溫度控制由于半導體光源的調制特性曲線對環境溫度變化的反應很靈敏，使輸出光功率出現變化，一般在發送機盤上裝有ATC電路。在發送盤，除上述主要功能以外，還有一些輔助功能，如光源過流保護功能、無光告警功能等。三、光接收端機的基本組成光接收機是光通信系統中的一個主要組成部分，目前廣泛使用的強度調制—直接檢波系統中接收機的示意圖，如圖4.12所示。圖4.12光接收機結構框圖1、光電檢測器由光纖傳輸過來的光信號，送到光接收機，光信號進入光電檢測器，將光信號轉變為電信號。光電檢測器是利用材料的光電效應來實現光電轉換的。在光纖通信中，由于光纖的芯徑很細，因此要求器件的體積小，重量輕，故多采用半導體光電檢測器。它是利用半導體材料的光電效應來實現光電轉換的。在光纖通信中常用的半導體光電檢測器是光電二極管PIN和雪崩光電二極管APD。這兩種光電管的主要區別是APD管需外加高反偏電壓，使得其內部產生雪崩增益效應，因此，它不但具有光電轉換作用，而且具有內部放大作用。PIN管比較簡單，只需10V～20V的電壓即可工作，且不需要偏壓控制，但沒有增益。2、前置放大器在一般的光纖通信系統中光信號經光電檢測器的光電變換后，輸出的電流是十分微弱的，為了使光接收機判決電路正常工作，必須將這種微弱的電信號進行若干級放大。大家知道，放大器在將信號放大的過程中，放大器本身的電阻將引入熱噪聲；放大器中的晶體管將引入散彈噪聲。不僅如此，在一個多級放大器中，后一級放大器還會把前一級放大器輸出的信號和噪聲同時放大。因此，對多級放大器的前級就有特別要求，前主放大器的性能對接收機的性能有十分重要的影響，要求它是低噪聲、高增益的放大器。這樣才能得到較大的信噪比SNR。前置放大器一般采用APD，它的輸出為毫伏數量級。3、主放大器主放大器的作用是將前置放大器輸出的信號，放大到幾伏數量級，使后面判決電路能正常工作。主放大器一般是一個多級增益可調節放大器。當光電檢測器輸出的信號出現起伏時，通過光接收機的自動增益控制電路AGC用反饋環路來控制放大器，對主放大器的增益進行調整，以使主放大器的輸出信號幅度在一定范圍內保持恒定，主放大器和AGC決定著光接收機的動態范圍，使判決器的信號穩定。4、均衡器在數字光纖通信系統中，送到光發送機進行調制的數字信號是一系列矩形脈沖。由信號分析知道，理想的矩形脈沖具有無窮的帶寬。這種矩形脈沖從發送光端機輸出后，要經過光纖、光電檢測器、放大器等部件，而這些部件的帶寬卻是有限的。這樣，矩形脈沖頻譜中只有有限的頻率分量可以通過，使從接收機主放大器輸出的脈沖形狀不再是矩形的了，可能出現很長的拖尾。這種拖尾現象將會使前、后碼元的波形重疊，產生碼間干擾，嚴重時造成判決電路誤判，產生誤碼。因此，均衡器的主要作用是使經過均衡器以后的波形成為有利于判決的波形，即對已產生畸變的波形進行補償，并使鄰碼判決時使本碼的拖尾接近0值，消除碼間干擾，減小誤碼率。5、判決器和時鐘恢復電路判決器由判決電路和碼形成電路構成。判決器和時鐘恢復電路合起來構成脈沖再生電路。脈沖再生電路的作用，是將均衡器輸出的信號，恢復為“0”或“1”的數字信號。判決器中需用的時鐘信號也是從均衡器輸出的信號中取得，時鐘恢復電路是由箝位、整形、非線形處理調諧放大、限幅、整形、移相電路組合而成。6、解碼、解擾、編碼電路為了使信碼流能夠高質量地在光纖中傳輸，光發射機送入光纖的信號是經過擾碼、編碼處理的。這種信號經過光纖傳到接收機后，還需要將上述經過擾碼、編碼處理過的信號進行一系列的“復原”工作。這些將由接收機中的解碼、解擾及碼型反變換來完成。首先要通過解碼電路，將在光纖中傳輸的光線路碼型恢復為發端編碼之前的碼型。然后再經解擾電路，將發送端“擾亂”的碼恢復為被擾之前的狀況。最后再進行碼型反變換，將解擾后的碼變換為原來適于在PCM系統中傳輸的HDB3或CMI碼，它是發端碼型變換部分的逆過程，最后送至電端機中。4.光脈沖信號從光發射機輸出，經光纖傳輸若干距離以后，由于光纖損耗和色散的影響，將使光脈沖信號的幅度受到衰減，波形出現失真。這樣，就限制了光脈沖信號在光纖中作長距離的傳輸。為此，就需在光波信號經過一定距離傳輸以后，要加一個光中繼器，以放大衰減的信號，恢復失真的波形，使光脈沖得到再生，從而克服光信號在光纖傳輸中產生的衰減和色散失真，實現光纖通信系統的長途傳輸。光中繼器一般可分為光-光中繼器和光-電-光中繼器兩種，前者就是光放大器，后者是由能夠完成光-電變換的光接收端機、電放大器和能夠完成電-光變換的光發送端機組成。光放大器省去了光-電轉換過程，可以對光信號直接進行放大。因此結構比較簡單，有較高的效率，在DWDM系統中廣泛應用。當前實用的PDH光纖通信系統，一般采用光-電-光中繼器。顯然，一個幅度受到衰減、波形發生畸變的信號，經過中繼器的均衡放大、再生之后，即可補償了光纖的衰減，消除了失真和噪聲的影響，恢復為原發送端的光脈沖信號繼續向前傳輸。4.3自動交換光網絡4.一、ASON的提出上個世紀90年代以來，全球互聯網數據業務一直以超摩爾定律(每6～12個月翻一番)的速度發展，導致網絡對于帶寬的需求愈發無止境。這就使語音業務和專線業務與指數增長的數據業務相比不再占據主導地位。同時，隨著互聯網正在構成全球性的網絡，傳統的常識性概念，如業務的增長是緩慢、可預測的業務模式不再適用。以中國電信為例，如今其干線業務量95%以上是數據業務，現有業務承載傳送模式受到前所未有的壓力和挑戰。為了解決未來業務和現有光網絡之間的矛盾，智能控制被引入到下一代光網絡中來。在2000年3月日本召開的國際電信聯盟-電信標準局一次會議上，Q19/Q13研究組提出了自動交換光網絡，并將它形成了G.astn和G.ason的建議。ASON網絡在ITU-T中的定義為：“通過能提供自動發現和動態連接建立功能的分布式（或部分分布式）控制平面，在OTN或SDH網絡之上，實現動態的、基于信令和策略驅動控制的一種網絡。”ASON的提出，使原來復雜的多層網絡結構可以變得簡單化和扁平化，從光網絡層開始直接承載業務，避免了在傳統網絡中業務升級時受到的多重限制。在這種網絡結構中核心的特點就是支持電子交換設備（如IP路由器等）動態地向光網絡申請帶寬資源。電子交換設備可以根據網絡中業務分布模式動態變化的需求，通過信令系統或者管理平面自主地去建立或者拆除光通道，不需要人工干預。ASON直接在光纖網絡之上引入了以IP為核心的智能控制技術，可以有效地支持連接的動態建立與拆除，可基于流量工程按需合理分配網絡資源，并能提供良好的網絡保護／恢復功能。因此，可以說ASON代表了光通信網絡技術新的發展階段和未來的前進方向。二、ASON的特點與傳統的光傳輸網絡相比，ASON具有以下特點：1、控制為主的工作方式ASON最大的特點就是從傳統的傳輸節點設備和管理系統中抽象分離出了控制平面。自動控制取代管理成為ASON最主要的工作方式。2、分布式智能ASON的重要標志是實現了網絡的分布式智能，即網元的智能化，具體體現為依靠網元實現網絡拓撲發現、路由計算、鏈路自動配置、路徑的管理和控制、業務的保護和恢復等。3、多層統一與協調在ASON中，網絡層次細化，體現了多種粒度，但多層的控制卻是統一的，通過公共的控制平面來協調各層的工作。多層控制時涉及層間信令、層間路由和層發現，還有多層生存機制。4、面向業務ASON業務提供能力強大，業務種類豐富，能在光層直接實現動態業務分配，提高了網絡資源的利用率。4.3.2一、ASON的基本原理自動交換光網絡指的是直接由控制系統下達信令來完成光網絡連接自動交換的新型網絡，其賦予原本單純傳送業務的底層光網以自動交換的智能，主要體現了兩個思路：一是將復雜的多層網絡結構簡單和扁平化，從光網絡層開始直接承載業務，避免了傳統網絡中業務升級時受到的多重限制；二是利用電子交換設備直接向光網絡申請帶寬資源，可以根據網絡中業務分布模式動態變化的需求，通過信令系統或者管理系統自主地建立或者拆除光通道，不經人工干預，高效而可靠。ASON網絡結構的核心特點就是支持電子交換設備動態地向光網絡申請帶寬資源，可以根據網絡中業務分布模式動態變化的需求，通過信令系統或者管理平面自主地去建立或者拆除光通道，而不需要人工干預。采用自動交換光網絡技術之后，原來復雜的多層網絡結構可以變得簡單和扁平化，光網絡層可以直接承載業務，避免了傳統網絡中業務升級時受到的多重限制。ASON的優勢集中表現在其組網應用的動態、靈活、高效和智能方面。支持多粒度、多層次的智能，提供多樣化、個性化的服務是ASON的核心特征。ASON網絡之所以是自動交換光網絡，就在于它本身具備的智能性，即ASON網絡在不需要人為管理和控制的作用下，可以依據控制面的功能，按用戶的請求來建立一條符合用戶需求的光信道。這一前所未有的革命性進步為光網絡帶來了質的飛躍。而ASON網絡之所以具備這種智能，是因為它首次引入了光網絡中的控制面。在引入了控制平面以后，光網絡從邏輯上可分為３個平面：控制平面、傳送平面、管理平面。ASON力圖將三者有機結合，傳送平面負責信息流的傳送；控制平面關注于實時動態的連接控制；管理平面面向網絡操作者實現全面的管理，并對控制平面的功能進行補充。ASON參考結構體系如圖4.13所示。圖4.13ASON網絡參考結構體系在ASON網絡的整體結構中，層次模型關系是一個非常重要的方面。因為從實現目的講，ASON網絡設計的目的是實現大范圍全局性整體網絡，因此ASON網絡在結構上采用了層次性的可劃分為多個域的概念性結構。這種結構可以允許設計者根據多種具體條件限制和策略要求來構建一個ASON網絡。在不同域之間的互作用是通過標準抽象接口來完成的，而把一個抽象接口映射到具體協議中就可以實現物理接口，并且多個抽象接口可以同時復用在一個物理接口上。二、ASON的體系結構傳統的光傳送網絡只是由網管層面和傳輸層面組成的，而自動交換光網絡與傳統的光傳送網絡相比，突破性地引入了更加智能化的控制平面，從而使得光網絡能夠在信令的控制下完成網絡連接的自動建立、資源的自動發現等過程。也就是說，ASON由控制平面、管理平面和傳送平面組成，其體系結構如圖4.14所示。圖4.14ASON的體系結構ASON的體系結構主要表現在具有ASON特色的3個平面、3個接口以及所支持的3種連接類型上。控制平面用于實現對傳送平面的靈活控制，完成信令轉發、資源管理、呼叫控制、連接控制和傳送控制等功能。控制平面提供網絡節點接口(I-NNI和E-NNI)以及用戶網絡接口(UNI)。傳送平面由一系列的傳送實體組成,它是業務傳送的通道，提供用戶信息的單向或雙向傳輸。ASON傳輸網絡基于網狀網結構，也支持環網保護，具有如SDH(STM-N)接口、以太網接口、ATM接口以及一些特殊的接口，同時也具有與控制平面交互連接的控制接口(CCI)。節點可使用智能化的光交叉連接(OXC)或光分插復用(OADM)等光交換設備。管理平面可分別通過NMI-T和NMI-A網絡管理接口，同時對傳送平面和控制平面進行管理。3個平面之間通過3個接口實現信息的交互。控制平面和傳送平面之間通過CCI相連，交互的信息主要為從控制節點到傳送平面網元的交換控制命令和從網元到控制節點資源狀態信息。管理平面通過NMI-T和NMI-A分別與控制平面和傳送平面相連，實現管理，接口中的信息主要是網絡管理信息。控制平面上還有用戶與網絡間的接口(UNI)、內部網絡之間的接口(I-NNI)和外部網絡之間的接口(E-NNI)。UNI是客戶網絡和光層設備之間的信令接口,客戶設備通過這個接口動態地請求獲取、撤銷、修改具有一定特性的光帶寬連接資源。I-NNI是一個自治域內部或有信任關系的多個自治域中的控制實體間的雙向信令接口。E-NNI是不同自治域中控制實體之間的雙向信令接口。ASON支持3種連接類型，以適應當前復雜結構網絡條件下端到端連接管理的需要。這3種連接類型分別為永久連接、交換連接和軟永久連接。永久連接是在沒有控制平臺參與的前提下由管理平面支配的連接類型，它沿襲了傳統光網絡的連接建立形式。管理平面根據連接要求以及網絡資源利用情況預先計算和確定連接路徑，然后沿著連接路徑通過網絡管理向網元發送交叉連接命令，進行統一支配，完成PC的創建、調整、釋放等操作過程。永久連接如圖4.15所示。圖4.15ASON中的永久連接交換連接的創立過程由控制平面獨立完成，先由端點用戶發起呼叫請求，通過控制平面內信令實體間的信令交互建立連接，是一種全新的動態連接類型。管理平面需要對SC的發起者進行身份認證，完成對SC的資源管理。交換連接實現了連接的自動化，滿足快速性、動態性要求，并符合流量工程的要求，也體現了ASON的最終實現目標，如圖4.16所示。圖4.16ASON中的交換連接軟永久連接由管理平面和控制平面共同完成，是一種分段的混合連接方式。軟永久連接中用戶到網絡的部分由管理平面直接配置，而網絡到網絡部分的連接由控制平面完成。其過程為：先由管理平面配置用戶到網絡的連接，然后向控制平面發送請求（該請求信息中包含管理平面中已配置完成的用戶到網絡連接的有關信息等），控制平面根據該請求信息建立網絡到網絡之間的連接，并將連接建立的結果報告給管理平面。SPC可以看成是從永久連接到交換連接的過渡類型的連接方式，如圖4.17所示。圖4.17ASON中的軟永久連接正是由于ASON這3種各具特色的連接類型的存在，使它具有連接建立的靈活性，能滿足用戶連接的各種需求。4.4光纖弧子通信技術4.4.1光孤子通信系統概述一、光孤子概念光纖的損耗和色散是限制系統傳輸距離的兩個主要因素，尤其是在Gb/s以上的高速光纖通信系統中，由于光纖固有色散的影響，使得所接收的光信號中存在脈沖展寬現象，嚴重限制了系統的傳輸距離。由此可見，在高速光纖數字通信系統中，色散是影響傳輸距離的主要問題。那么能否采取某種新技術，使得光信號在傳輸過程中設法保持脈沖形狀，不使其展寬，從而提高傳輸距離呢？這就需要通過光孤子通信技術來實現。光孤子的概念可以概括為：某一相干光脈沖在通過光纖時，脈沖前沿部分作用于光纖，使之激活，而脈沖后沿部分則受到光纖的作用得到增益。這樣，波前沿失去的能量和后沿得到的能量相抵，光脈沖就好像在完全透明的介質中傳播一樣，沒有任何損耗，形成一個傳播中穩定、不變形的光脈沖。光孤子的這種能在光纖傳播中長時間保持形態、幅度和速度不變的特性使得實現超長距離、超大容量的光通信成為可能。1973年，光孤子的觀點開始引入到光纖傳輸中。在頻移時，由于折射率的非線性變化與群色散效應相平衡，光脈沖會形成一種基本孤子，在反常色散區穩定傳輸。由此，逐漸產生了新的電磁理論—光孤子理論，從而把通信引向非線性光纖孤子傳輸系統這一新領域。光孤子就是這種能在光纖中傳播的長時間保持形態、幅度和速度不變的光脈沖。利用光孤子特性可以實現超長距離、超大容量的光通信。二、基本工作原理光纖通信中，限制傳輸距離和傳輸容量的主要原因是損耗和色散。損耗使信號在傳輸時能量不斷減弱；而色散會使光脈沖在傳輸中逐漸展寬。所謂光脈沖，其實是一系列不同頻率的光波振蕩組成的電磁波的集合。光纖的色散使得不同頻率的光波以不同的速度傳播，這樣，同時出發的光脈沖，由于頻率不同，傳輸速度就不同，到達終點的時間也就不同，這便形成脈沖展寬，使得信號畸變失真。隨著光纖制造技術的發展，光纖的損耗已經降低到接近理論極限值的程度，色散問題就成為實現超長距離和超大容量光纖通信的主要問題。光纖的色散會使光脈沖展寬，而光纖還有一種非線性的特性，這種特性會使光信號的脈沖產生壓縮效應。如果能夠將光脈沖變寬和變窄這兩種效應互相抵消，光脈沖就會像一個一個孤立的粒子那樣形成光孤子，能在光纖傳輸中保持不變，實現超長距離、超大容量的通信。光孤子通信是一種全光非線性通信方案，其基本原理是光纖折射率的非線性效應導致對光脈沖的壓縮，可以與群速色散引起的光脈沖展寬相平衡，在一定條件下，光孤子能夠長距離不變形地在光纖中傳輸。它完全擺脫了光纖色散對傳輸速率和通信容量的限制，其傳輸容量比當今最好的通信系統高出一兩個數量級，中繼距離可達幾百千米。它被認為是下一代最有發展前途的傳輸方式之一。從光孤子傳輸理論分析，光孤子是理想的光脈沖，因為它很窄，其脈沖寬度在皮秒級。這樣，就可使鄰近光脈沖間隔很小而不至于發生脈沖重疊，產生干擾。利用光孤子進行通信，其傳輸容量極大，在理論上幾乎沒有限制，傳輸速率將可能高達Mb/s級。三、光孤子通信系統的基本組成光孤子通信系統的基本組成結構如圖4.18所示。圖4.18光孤子通信系統的基本組成光孤子通信系統的主要組成部分包括：發射光孤子的光孤子激光器，即光孤子源；對光孤子進行編碼，使之承載信息的編碼器或調制器；孤子傳輸光纖與孤子能量補償放大器；對光孤子進行探測的光孤子檢測接收裝置以及各種相關的輔助設置等。為抑制各種噪聲和擾動因素對孤子傳輸距離和通信容量的限制，系統中尚需接入某種控制元件或裝置。由光孤子源產生一個孤子序列，即超短光脈沖系列，作為信息的載體進入光調制器。光調制器由信號驅動，使孤子承載。承載的光孤子流經放大耦合進入傳輸光纖進行傳輸。為克服光纖損耗引起的光孤子減弱，沿途需按規定要求周期地插入光放大器，向光孤子注入能量，以補償其能量耗損，確保光孤子穩定的傳輸。同時需平衡非線性效應與色散效應，最終保證脈沖的幅度與形狀穩定不變。在接收端通過光探測器和解調裝置使孤子承載的信號得以重現。4.4.2對于光纖通信來說，使用基態光孤子作為信息的載體，顯然是一個理想的選擇，它的波形穩定，原則上不隨傳輸距離而改變，而且易于控制。近年來，光孤子通信取得了突破性進展。光纖放大器的應用對孤子放大和傳輸非常有利，它使孤子通信的夢想推進到實際開發階段。光孤子在光纖中的傳輸過程需要解決如下問題：光纖損耗對光孤子傳輸的影響，光孤子通信涉及到的關鍵技術主要有：一、適合光孤子傳輸的光纖技術研究光孤子通信系統的一項重要任務就是評價光孤子沿光纖傳輸的演化情況。研究特定光纖參數條件下光孤子傳輸的有效距離，由此確定能量補充的中繼距離，這樣的研究不但為光孤子通信系統的設計提供數據，而且通常導致新型光纖的產生。二、光孤子源技術光孤子源是實現超高速光孤子通信的關鍵。根據理論分析，只有當輸出的光脈沖為嚴格的雙曲正割形，且振幅滿足一定條件時，光孤子才能在光纖中穩定地傳輸，目前，研究和開發的光孤子源種類繁多，有拉曼孤子激光器、參量孤子激光器、摻餌光纖孤子激光器、增益開關半導體孤子激光器等。現在的光孤子通信試驗系統大多采用體積小、重復頻率高的增益開關DFB半導體激光器作光孤子源。理論和實驗均已證明光孤子傳輸對波形要求并不嚴格，高斯光脈沖在色散光纖中傳輸時，由于非線性自相位調制與色散效應共同作用，光脈沖中心部分可逐漸演化為雙曲正割形。三、光纖損耗與光孤子能量補償放大利用提高輸入光脈沖功率產生的非線性壓縮效應，補償光纖色散導致的脈沖展寬，維持光脈沖的幅度和形狀不變是光纖孤子通信的基礎。然而，只有當光纖損耗可以忽略時，這種特性才能保持。當存在光纖耗損時，孤子能量被不斷吸收，峰值功率減小，減弱了補償光纖色散的非線性效應，導致孤子脈沖展寬。實際上，光孤子在光纖的傳播過程中，不可避免地存在著損耗，不過光纖的損耗只降低孤子的脈沖幅度，并不改變孤子的形狀。因此，補償這些損耗成為光孤子傳輸的關鍵技術之一。全光孤子放大器對光信號可以直接放大，避免了目前光通信系統中光/電、電/光的轉換模式。它既可作為光端機的前置放大器，又可作為全光中繼器，是光孤子通信系統極為重要的器件。實際上，光孤子在光纖的傳播過程中，不可避免地存在著損耗。不過光纖的損耗只降低孤子的脈沖幅度，并不改變孤子的形狀，因此，補償這些損耗成為光孤子傳輸的關鍵技術之一。目前有兩種補償孤子能量的方法，一種是采用分布式的光放大器的方法，另一種是集總的光放大器法。1、分布式放大分布式放大是指光孤子在沿整個光纖的傳輸過程中得以放大的技術，如圖4.19所示。通過向普通傳輸光纖中注入泵浦光，產生喇曼效應，利用受激喇曼增益機制使孤子脈沖得到放大以補償光纖損耗，當增益系數正好等于光纖損耗系數時，就能實現光孤子脈沖無畸變“透明”傳輸。圖4.19分布式放大示意圖在分布式補償放大孤子系統中，通過設計泵浦功率、摻鉺濃度，使喇曼增益系數或鉺光纖放大增益系數與光纖損耗系數處處相等，在理論上，光孤子能夠穩定地維持在任意長的距離上。然而在實際系統中，不可能處處實現這種精確補償，因而只能沿光纖每隔一定距離周期性地注入泵浦光，以對喇曼放大提供能量。泵浦距離的大小決定于光纖對光孤子和泵浦光的損耗以及孤子能量被允許偏離初始值的程度，通常典型泵浦距離為40km～50km。利用受激喇曼散射效應的光放大器是一種典型的分布式光放大器。其優點是光纖自身成為放大介質，然而石英光纖中的受激喇曼散射增益系數相當小，這意味著需要高功率的激光器作為光纖中產生受激喇曼散射的泵浦源，此外，這種放大器還存在著一定的噪聲。2、集總式放大集總式放大如圖4.20所示，與非孤子通信系統的放大方法相同，沿光纖線路周期性地接入集總式光纖放大器（EDFA），通過調整其增益來補償兩個光放大器之間的光纖耗損，從而達到使光纖非線性效應所產生的脈沖壓縮恰恰能夠補償光纖群色散所帶來的影響，以保持光孤子的寬度不變。集總放大方法是通過摻鉺光纖放大器實現的，是當前孤子通信的主要放大方法。圖4.20集總式放大示意圖在光孤子通信系統中，中繼距離在10km～30km，與普通光纖通信系統情況下的中繼距離50km～100km相比要小得多。原因在于集總式EDFA長度很短，孤子脈沖幾乎是受到突變式放大，而不是逐漸地、動態地調節，恢復基態孤子。由于光放大器只能在很短的距離上對光孤子進行放大，使其能量達到初始值，而被放大的光孤子仍將會在接下去的傳輸光纖上動態地調整其寬度，加之整個調整過程中還存在色散因素的影響，因此如果放大器的級數過多，便會造成色散的積累，這樣只能通過減小放大器之間的距離來減小在這段距離上孤子脈沖所受到的干擾。然而，使用色散位移光纖，可以增大放大器之間的間距，一般為30km～50km，所以在光孤子通信系統中使用色散位移光纖是必要的。4.4.3發展前景全光式光孤子通信，是新一代超長距離、超高碼速的光纖通信系統，更被公認為是光纖通信中最有發展前途、最具開拓性的前沿課題。光孤子通信和線性光纖通信比較有一系列顯著的優點：一是傳輸容量比最好的線性通信系統大一兩個數量級；二是可以進行全光中繼。由于孤子脈沖的特殊性質使中繼過程簡化為一個絕熱放大過程，大大簡化了中繼設備，高效、簡便、經濟。光孤子通信和線性光纖通信比，無論在技術上還是在經濟上都具有明顯的優勢，光孤子通信在高保真度、長距離傳輸方面，優于光強度調制/直接檢測方式和相干光通信。正因為光孤子通信技術的這些優點和潛在發展前景，國際國內這幾年都在大力研究、開發這一技術。迄今為止的研究已為實現超高速、超長距離無中繼光孤子通信系統奠定了理論的、技術的和物質的基礎：1、孤子脈沖的不變性決定了無需中繼。2、光纖放大器，特別是用激光二極管泵浦的摻鉺光纖放大器補償了損耗。3、光孤子碰撞分離后的穩定性為設計波分復用提供了方便。目前，光孤子研究不斷取得了突破。英國BT公司演示將2.54Mb/s信號在光纖上傳輸了10000km，美國AT&T公司將同等量信號在光纖上成功傳輸了12000km，而日本NTT公司在光纖上，成功演示了將10Mb/s信號傳輸了10000km。光孤子已不再是深奧莫測的領地，而是接近實用化的活動階段。特別是近年來光纖放大器的研制成功，并成功運用于光孤子通信實驗，使光孤子通信的面貌煥然一新，為其實用化走出了關鍵一步。光孤子通信的這一系列進展使目前的孤子通信系統實驗已達到傳輸速率10Gb/s～20Gb/s，傳輸距離13000km～20000km的水平。在傳輸速度方面采用超長距離的高速通信，時域和頻域的超短脈沖控制技術以及超短脈沖的產生和應用技術使現行速率10Gb/s～20Gb/s提高到100Gb/s以上；在增大傳輸距離方面采用重定時、整形、再生技術和減少ASE，光學濾波使傳輸距離提高到100000km以上；在高性能EDFA方面，獲得低噪聲高輸出EDFA。當然光孤子通信仍然存在許多技術的難題，但目前已取得的突破性進展使我們相信，光孤子通信在超長距離、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系統中，有著光明的發展前景。4.5光網絡的發展趨勢4.5.1從技術驅動向業務驅動轉型光網絡發展乃至電信網發展，其驅動力主要來自三個方面：技術、業務和政策。三者相互依賴、相互影響，共同作用于光網絡的發展。政策的導向對電信業發展的巨大影響毋庸置疑，這里重點討論技術和業務對光網絡發展的驅動作用。雖然技術和業務都是光網絡發展的驅動力，二者的作用方式是不同的，技術對光網絡起支撐作用，而光網絡又是業務的支撐者，業務對光網絡的驅動力最終還要通過技術起作用。當技術發展適應光網絡發展需求的時候，就促進光網絡的發展，反之則阻礙光網絡的發展。而光網絡發展的需求來源于業務發展的需求，業務通過與光網絡的矛盾促進技術革新，從而帶動光網絡的發展。所以如果排除政策對光網絡發展的影響，技術、業務和光網絡發展形成了一個傳動作用的閉環，如圖4.21所示。圖4.21技術、業務和光網絡發展關系圖所以，業務對光網絡發展的驅動力是一種“拉動”作用，而技術對光網絡發展的驅動則是一種“推動”作用。回顧上世紀光通信的發展史會讓我們對這一點體會的更加明顯。1966年，英籍華人高餛發表論文預見利用玻璃可以制成衰減為20dB/km的通信光導纖維，即光纖，并指出玻璃的不純凈是降低光纖衰減的主要因素，而不是玻璃本身。這篇論文引發了世界范圍內制造更好的玻璃纖維的競爭，1974年，每公里光纖的衰減就已經降到了2dB。進而在1976年，美國亞特蘭大出現了第一個光纖通信系統，速率為44Mb/s。正是在技術發展的驅動下，80年代，光纖通信真正進入商用過程。在整個上世紀90年代之前，技術對光通信發展的作用無疑是最主要的，技術的創新，使光通信和光網絡真正進入了人們的生活，相應的業務在技術的推動下，一步步開始展開。在上世紀末，技術的快速發展繼續推動光通信和光網絡進入了發展最為繁榮的一個十年，光通信經歷了從低速到高速，從準同步數字序列PDH到同步數字序列SDH/SONET再到光傳送網OTN的發展歷程。就單波長傳輸速率而言，已從科Mb/s增加到40Gb/s，不少實驗室正在開發160Gb/s的系統。光波分復用WDM技術的應用更是將傳輸容量上的潛力開發到了極致。然而，2001年因特網泡沫的破滅以及隨之而來的全球經濟的不景氣，直接導致了光纖通信泡沫的破滅，也使人們對光纖通信發展的認識回歸了冷靜，2001年成為了光網絡發展從主要由技術