光通信与光纤传输网

摘要：光通讯是人类最早应用的通讯方式之一。从烽火传递信号，到信号灯﹑旗语等通讯方式，都是光通讯的范畴。

关键词：光通讯、光纤传输、激光和激光器、光网络的结构、光复用技术、相干光通信、综合信息网

中图分类号：O43文献标识码： A

一、 光纤传输

1960年，美国科学家Maiman发明了世界上第一台激光器后，为光通讯提供了良好的光源。八十年代制成了低损耗光纤，从此，光通讯进入了飞速发展的阶段。

光纤传输具有频带宽、损耗低、抗干扰能力强、保真度高、工作性能可靠的优点。

二、激光和激光器

激光是光通讯的最理想光源。现在能生产可产生多种功率和波长的激光器。

由于激光是以受激辐射的光放大为基础的发光现象，同以自发辐射为基础的普通光源相比，具有单色性好、方向性好亮度高、相干性好的特点。

三、光网络的结构

光网络的基本结构类型有星形、总线形（含环形）和树形等3种，可组合成各种复杂的网络结构。光网络可横向分割为核心网、城域／本地网和接入网。

客户层：由各种不同格式的客户信号（如SDH、PDH、ATM、IP等）组成.

光通道层：为透明传送各种不同格式的客户层信号提供端到端的光通路联网功能，这一层也产生和插入有关光通道配置的开销，如波长标记、端口连接性、载荷标志（速率、格式、线路码）以及波长保护能力等，此层包含OXC和OADM相关功能。

光复用段层：为多波长光信号提供联网功能，包括插入确保信号完整性的各种段层开销，并提供复用段层的生存性，波长复用器和高效交叉连接器属于此层。

光传送段层：为光信号在各种不同的光媒体上提供传输功能，光放大器所提供的功能属于此层。

从应用领域来看，光网络将沿着"干线网本地网城域网接入网用户驻地网"的次序逐步渗透。

四、光复用技术

为了进一步提高光通信的传输效率可以采用光复用技术。所谓光复用，是在光域上进行时分复用、频分复用和波分复用，而不是在无线电波段进行复用。

1、光时分复用(OTDM)

光时分复用也是把信号的传输时间分成一个个时隙，不同路的光信号在不同的时隙中传输。

锁模激光器产生激光脉冲，其频率(不是光信号的频率，而是单位时间内的光脉冲数)为5GHz，即光脉冲串中相邻光脉冲之间的间隔为200ps，而每个光脉冲的3dB宽度为14ps，说明相邻两个光脉冲之间的间隔较大，还可以用来传输其它光脉冲，这就为时分复用创造了条件。该脉冲串经过光纤放大器放大以后，由分光器分成四条支路，分别进入四个马赫一曾德尔干涉仪式调制器(M—z调制器)，被四个电信号调制，得到四个比特率为5Gb／s的光数字信号流，后面三个光信号经过不同的时间延迟进入光合路器，正好镶嵌在第一列光脉冲之间，合成为比特率20Gb／s的光数据流，完成了光的时分复用。复用后的信号经过光纤放大器放大，送入光纤传输。在接收端，经过相反的过程进行解复用、解调，又可得到四条支路的电信号。该系统在5GHz的频率上得到了20Gb／s的数据流，具有较高的传输效率。这就是采用光时分复用的优点。

2、光波分复用(WDM)

所谓光波分复用，是将波长间隔为数十纳米的多个光源独立进行调制，让其在同一条光纤中传输。光的波分复用按传输方向可分为单向波分复用和双向波分复用。在单向波分复用系统中，发射端有N个发出不同波长光的激光器，把它们分别进行调制后，利用光的复用器合起来，耦合进一根光纤中传输。在接收端再利用解复用器把这N束波长不同的光载波分开，分别送至相应的光检测器得出各自的信息。

3、光的频分复用

同波分复用一样，频分复用也是将多个光源独立进行调制，让其在同一条光纤中传输。但频分复用时，光载波之间的波长(或频率)间隔更小些(例如波长间隔小于1nm)，可以容纳更多的光载波。我们知道，在光纤的1．31um窗口中低损耗区为1．26um～1．36um，带宽约100nm，在1．55um窗口中低损耗区为1．48um～1．58um，带宽也是100nm。在这200nm带宽范围内，如果采用后面介绍的相干光通信技术，可使频分复用光载波之间的波长间隔小到0．1nm，则在200nm范围内可以安排2000个光载波，若每一光载波传输100套电视节目，则在一根光纤中可以传输20万套电视节目。

五、相干光通信

在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。所谓相干调制，就是利用要传输

的信号来改变光载波的频率、相位和振幅(而不象强度检测那样只是改变光的强度)，这就需要光信号有确定的频率和相位(而不象自然光那样没有确定的频率和相位)，即应是相干光。激光就是一种相干光。所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输人的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。

图2

图2是相干光数字通信系统的原理框图。在发射端，频率稳定、具有确定相位的光载波在调制器中被数字信号调制成已调光，进入光匹配器，使已调光的空间分布与光纤基模相匹配，已调光的偏振状态与光纤本征偏振态相匹配。从光匹配器输出的已调光经过光纤传输到接收端，先要经过接收端的光匹配器，使信号光的空间分布和极化方向与本振光信号相匹配以便进人混频器与本振光信号混频时能获得尽可能大的混频增益。从混频器输出的中频信号一般属于微波频段，进人工作频率为数吉赫兹的中频放大器进行中频放大和滤波。然后进人解调器进行解调，得到基带信号，经过基带放大器放大、滤波，再进行判决再生，输至终端设备。

若接收端选择本振光频率正好等于发射端调制时的光载波频率，混频后所得的差频载波的频率为零，直接得到基带信号。这种方式称为零差检测，它的灵敏度很高，但技术上困难较大。

六、综合信息网技术

我国光纤网最早应用与电信系统的干线传输网和有线电视干线网。随着经济的发展，信息浪潮风起云涌，全球范围内对通信基础设施的需求空前高涨。新数据业务、商务用户、住宅用户、互联网应用及家用电脑和internet的普及，迫切要求宽带网的发展。并在其上整和话音、数据和视频业务，包括VOD、交互式远程教学、远程医疗、网上购物、E－mail、Internet 浏览等多种功能。

在电信网和广电网的改造建设中骨干层主要采用下面几种技术:

异步转移模式(ATM)

IP over ATM的基本原理和工作方式为：将IP数据包在ATM层全部封装为ATM信元，

以ATM信元形式在信道中传输。当网络中的交换机接收到一个IP数据包时，它首先根据IP数据包的IP地址通过某种机制进行路由地址处理，按路由转发。随后，按已计算的路由在ATM网上建立虚电路（VC）。以后的TP数据包将在此虚电路VC上以直通（Cut一Through）方式传输而下再经过路由器，从而有效地解决了IP的路由器的瓶颈问题，并将IP包的转发速度提高到交换速度。

2、POS技术（IP over SDH技术）

IP Over SDH以SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络。它使用链路及PPP协议对

IP数据包进行封装，把IP分组根据RFC1662规范简单地插入到PPP帧中的信息段。然后再由SDH通道层的业务适配器把封装后的IP数据包映射到SDH的同步净荷中，然后向下，经过SDH传输层和段层，加上相应的开销，把净荷装入一个SDH帧中，最后到达光层，在光纤中传输。

3、 IP over WDM IP over WDM，也称光因特网。

其基本原理和工作方式是：在发送端，将不同波长的光信号组合（复用）送入一根光纤中传输，在接收端，又将组合光信号分开（解复用）并送入不同终端。IP over WDM是一个真正的链路层数据网。在其中，高性能路由器通过光ADM或WDM耦合器直接连至WDM光纤，由它控制波长接入、交换、选路和保护。

我们可以发现，在高性能、宽带的IP业务方面，IP over SDH技术由于去掉了ATM设备，投资少、见效快而且线路利用率高。因而就目前而言，发展高性能IP业务，IP over SDH是较好选择。而IP over ATM技术则充分利用已经存在的ATM网络和技术，发挥ATM网络的技术优势，适合于提供高性能的综合通信服务，因为它能够避免不必要的重复投资，提供Vcrice、Video、Data多项业务。对于IP over WDM技术，它能够极大地拓展现有的网络带宽，最大限度地提高线路利用率，并且在网络以千兆以太网成为主流的情况下，这种技术能真正地实现无缝接入。应该说，IP over WDM将代表着宽带IP主干网的明天。

七、宽带网接入技术

1﹑光纤接入方式（FTTX）

光纤接入网可以有光纤到户（FTTH）、光纤到大楼（FTTB）、光纤到路边（FTTC）、光

纤到小区（FTTZ）等多种形式。

2﹑高速数字环路（XDSL）技术

基于XDSL技术的铜线接入技术适应于已有的电话基础网络，通过2B1Q、CAP、DMT等频带编码技术，挖掘双绞线高频段带宽的资源，通过带宽倍增技术实现宽带接入，满足高数据通信需求，主要技术有ADSL、HDSL、VDSL﹑ SDSL﹑DDN等。

3﹑HFC（混合光纤同轴网络）Cable Modem 接入

基于同轴电缆接入的HFC方式是在传统同轴CATV 技术基础上发展起来的，利用频分复用技术实现模拟电视、数字电视、电话和数据同时传送。系统成本比光纤用户环路低，并有铜线及双绞线无法比拟的传输带宽，适合当前模拟制式的高质量视象业务市场和CATV网使用。

电缆调制解调器又名线缆调制解调器，英文名称CableModem，它是近几年随着网络应用的扩大而发展起来的，主要用于有线电视网进行数据传输。

CableModem是组建城域网的关键设备，混合光纤同轴网(HFC)主干线用光纤，光结点小区内用树枝型总线同轴电缆网连接用户，其传输频率可高达550/750MHz。在HFC网中传输数据就需要使用CableModem。

八、结语

如今，光纤通信已经成为有线传输的主要方式，在城市中光纤到户已经普及，随着光纤通信技术的进步和城市化进程的加快，光纤通信将会进一步普及、发展。