第6章光通信6.1波分復(fù)用技術(shù)6.2相干光通信技術(shù)6.3光孤子通信6.4無線光(FSO)通信6.5全光通信系統(tǒng)6.6紫外光通信技術(shù)6.1波分復(fù)用技術(shù)6.1.1波分復(fù)用的基本原理

目前，波分復(fù)用(WDM)技術(shù)發(fā)展十分迅速，已展現(xiàn)出巨大的生命力和光明的發(fā)展前景，我國(guó)的光纜干線和一些省內(nèi)干線已開始采用WDM系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)一些廠商也在開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。

在過去20年里，光纖通信的發(fā)展超乎了人們的想象，光通信網(wǎng)絡(luò)也成為現(xiàn)代通信網(wǎng)的基礎(chǔ)平臺(tái)。就我國(guó)長(zhǎng)途傳輸網(wǎng)而言，截止1998年底，省際干線光纜長(zhǎng)度已接近20萬公里。光纖通信系統(tǒng)經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段，從20世紀(jì)80年代末的PDH系統(tǒng)到90年代中期的SDH系統(tǒng)，再到近來風(fēng)起云涌的WDM系統(tǒng)，光纖通信系統(tǒng)自身在快速地更新?lián)Q代。

波分復(fù)用技術(shù)在光纖通信出現(xiàn)伊始就出現(xiàn)了，20世紀(jì)80年代兩波長(zhǎng)WDM(1310/1550nm)系統(tǒng)就在美國(guó)AT&T網(wǎng)中開始使用了，其傳輸速率為2?×?1.7Gb/s。但是直到20世紀(jì)90年代中期，WDM系統(tǒng)的發(fā)展速度并不快，主要原因有兩個(gè)：①TDM(時(shí)分復(fù)用)技術(shù)的發(fā)展，且155～622Mb/s～2.5Gb/sTDM技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2.5Gb/s系統(tǒng)以下(含2.5Gb/s系統(tǒng))，系統(tǒng)每升級(jí)一次，每比特傳輸成本就會(huì)下降30%左右。所以，在過去的系統(tǒng)升級(jí)中，人們首先想到并采用的是TDM技術(shù)。②波分復(fù)用器件還沒有完全成熟，波分復(fù)用器/解復(fù)用器和光放大器在20世紀(jì)90年代初才開始商用化。

從1995年開始，WDM技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了快車道，特別是基于摻鉺光纖放大器(EDFA)的1550nm窗口密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)的出現(xiàn)。WDM技術(shù)發(fā)展迅速的主要原因在于：①光電器件的迅速發(fā)展，特別是EDFA的成熟和商用化，使得在光放大器(1530nm～1565nm)區(qū)域采用WDM技術(shù)成為可能；②由于利用TDM方式已日益接近硅和鎵砷技術(shù)的極限，因此TDM已沒有太多的潛力可挖，并且傳輸設(shè)備的價(jià)格也很高；③已敷設(shè)的G.652光纖1550?nm窗口的高色散限制了TDM系統(tǒng)的傳輸，光纖色度色散和極化模色散的影響日益加重?，F(xiàn)在，越來越多的人把興趣從電復(fù)用轉(zhuǎn)移到光復(fù)用，即從光域上用各種復(fù)用方式來改進(jìn)傳輸效率、提高復(fù)用速率，而WDM技術(shù)是目前能夠商用化的最簡(jiǎn)單的光復(fù)用技術(shù)。

從光纖通信發(fā)展的幾個(gè)階段來看，所應(yīng)用的技術(shù)都與光纖密切相關(guān)。20世紀(jì)80年代初期的多模光纖通信所應(yīng)用的是多模光纖的850nm窗口；80年代末、90年代初的PDH系統(tǒng)所應(yīng)用的是單模光纖1310nm窗口；1993年出現(xiàn)的SDH系統(tǒng)開始轉(zhuǎn)向1550nm窗口；WDM是在光纖上實(shí)行的頻分復(fù)用技術(shù)，更是與光纖有著不可分割的聯(lián)系。目前的WDM系統(tǒng)是在1550nm窗口實(shí)施的多波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)，因而在深入討論WDM技術(shù)以前，有必要討論一下光纖的特性，特別是光纖的帶寬和損耗特性。1．光纖的基本特性單模光纖由于具有內(nèi)部損耗低、帶寬大、易于升級(jí)擴(kuò)容和成本低的優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用。從20世紀(jì)80年代末起，我國(guó)在國(guó)家干線網(wǎng)上鋪設(shè)的都是常規(guī)單模光纖。常規(guī)石英單模光纖同時(shí)具有1550nm和1310nm兩個(gè)窗口，最小衰減窗口位于1550nm窗口。多數(shù)國(guó)際商用光纖在這兩個(gè)窗口的典型數(shù)值為：1310nm窗口的衰減為0.3～0.4dB/km；1550nm窗口的衰減為0.19～0.25dB/km。光纖頻譜的損耗如圖6-1所示。

從圖6-1可以看出，除了在1380nm有一個(gè)OH-根離子吸收峰導(dǎo)致?lián)p耗比較大外，其他區(qū)域光纖損耗都小于0.5dB/km?，F(xiàn)在人們所利用的只是光纖低損耗頻譜(1310～1550nm)極少的一部分，以常規(guī)SDH2.5Gb/s系統(tǒng)為例，它在光纖的帶寬中只占很小一部分，大約只有0.02nm；全部利用摻鉺光纖放大器EDFA的放大區(qū)域帶寬1530～1565nm的35nm帶寬，也只是占用光纖全部帶寬1310～1570nm的1/6左右。

理論上，WDM技術(shù)可以利用的單模光纖帶寬可達(dá)到200nm，即25THz帶寬。所以即使按照波長(zhǎng)間隔為0.8nm(100GHz)計(jì)算，理論上也可以開通200多個(gè)波長(zhǎng)的WDM系統(tǒng)，但是目前光纖的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被充分利用。WDM技術(shù)的出現(xiàn)正是為了充分利用這一帶寬，而光纖本身的寬帶寬、低損耗特性也為WDM系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展提供了可能。2．WDM的基本原理

在模擬載波通信系統(tǒng)中，為了充分利用電纜的帶寬資源、提高系統(tǒng)的傳輸容量，通常使用頻分復(fù)用的方法，即在同一根電纜中同時(shí)傳輸若干個(gè)信道的信號(hào)。由于接收端各載波頻率的不同，因此利用帶通濾波器就可濾出每一個(gè)信道的信號(hào)。同樣，在光纖通信系統(tǒng)中也可以采用光頻分復(fù)用的方法來提高系統(tǒng)的傳輸容量，并在接收端采用解復(fù)用器(等效于光帶通濾波器)將各信號(hào)光載波分開。由于在光的頻域上信號(hào)頻率差別比較大，且人們更喜歡采用波長(zhǎng)來定義頻率上的差別，因而這樣的復(fù)用方法稱為波分復(fù)用。WDM技術(shù)就是為了充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大帶寬資源，并根據(jù)每一信道光波的頻率(或波長(zhǎng))不同將光纖的低損耗窗口劃分成若干個(gè)信道，然后把光波作為信號(hào)的載波，在發(fā)送端采用波分復(fù)用器(合波器)將不同規(guī)定波長(zhǎng)的信號(hào)光載波合并起來送入一根光纖進(jìn)行傳輸，最后在接收端再由一個(gè)波分復(fù)用器(分波器)將這些不同波長(zhǎng)承載不同信號(hào)的光載波分開的復(fù)用方式。由于不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)可以看做是互相獨(dú)立(不考慮光纖非線性時(shí))的，從而在一根光纖中可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的復(fù)用傳輸；而且雙向傳輸?shù)膯栴}也很容易解決，只需將兩個(gè)方向的信號(hào)分別在不同波長(zhǎng)傳輸即可。波分復(fù)用器不同，可以復(fù)用的波長(zhǎng)數(shù)也不同，從兩個(gè)至幾十個(gè)不等，現(xiàn)在商用化的一般是8波長(zhǎng)和16波長(zhǎng)系統(tǒng)，這取決于所允許的光載波波長(zhǎng)的間隔大小。圖6-2給出了波分復(fù)用系統(tǒng)的原理圖。WDM本質(zhì)上是光域上的頻分復(fù)用(FDM)技術(shù)，每個(gè)波長(zhǎng)通路通過頻域的分割來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)波長(zhǎng)通路占用一段光纖帶寬。WDM技術(shù)與過去同軸電纜FDM技術(shù)不同的是：①傳輸媒質(zhì)不同，WDM系統(tǒng)是光信號(hào)上的頻率分割，同軸電纜系統(tǒng)是電信號(hào)上的頻率分割利用；②在每個(gè)通路上，同軸電纜系統(tǒng)傳輸?shù)氖?kHz的模擬語音信號(hào)，而WDM系統(tǒng)目前每個(gè)波長(zhǎng)通路上是數(shù)字信號(hào)SDH2.5Gb/s或更高速率的數(shù)字信號(hào)。3．WDM的主要特點(diǎn)WDM技術(shù)可以充分利用光纖的巨大帶寬資源來使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸容量增加幾倍至幾十倍。在大容量長(zhǎng)途傳輸時(shí)，N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用起來在單模光纖中傳輸可以大量節(jié)約光纖。另外，對(duì)于早期安裝的芯數(shù)不多的電纜，利用波分復(fù)用之后，不必對(duì)原有系統(tǒng)做較大的改動(dòng)即可方便地進(jìn)行擴(kuò)容。

由于同一光纖中傳輸?shù)男盘?hào)波長(zhǎng)彼此獨(dú)立，因而可以傳輸特性完全不同的信號(hào)，以完成各種電信業(yè)務(wù)信號(hào)的綜合和分離，包括數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，以及PDH信號(hào)和SDH信號(hào)。

波分復(fù)用通道對(duì)數(shù)據(jù)格式是透明的，即與信號(hào)速率及電調(diào)制方式無關(guān)。一個(gè)WDM系統(tǒng)可以承載多種格式的“業(yè)務(wù)”信號(hào)—ATM、IP或者將來有可能出現(xiàn)的信號(hào)。WDM系統(tǒng)完成的是透明傳輸，對(duì)于“業(yè)務(wù)”層信號(hào)來說，WDM的每個(gè)波長(zhǎng)就像“虛擬”的光纖一樣。

在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充和發(fā)展中，WDM是理想的擴(kuò)容手段，也是引入寬帶新業(yè)務(wù)(如CATV、HDTV和B-ISDN等)的便捷手段，只需增加一個(gè)附加波長(zhǎng)即可引入任意想要的新業(yè)務(wù)或新容量。利用WDM技術(shù)選路可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和恢復(fù)，未來還可能實(shí)現(xiàn)透明的、具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。

在國(guó)家骨干網(wǎng)的傳輸中，EDFA的應(yīng)用可以大大減少長(zhǎng)途干線系統(tǒng)SDH中繼器的數(shù)目，從而減少成本，而且距離越長(zhǎng)，節(jié)省成本就越多。6.1.2WDM通信系統(tǒng)1．集成式系統(tǒng)和開放式系統(tǒng)WDM系統(tǒng)可以分為集成式WDM系統(tǒng)和開放式WDM系統(tǒng)。

集成式系統(tǒng)中的SDH終端設(shè)備都具有滿足G.692的光接口：標(biāo)準(zhǔn)的光波長(zhǎng)、滿足長(zhǎng)距離傳輸?shù)墓庠?又稱彩色接口)。這兩項(xiàng)指標(biāo)都是當(dāng)前SDH系統(tǒng)不要求的。集成式系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，沒有增加多余設(shè)備。開放式系統(tǒng)就是在波分復(fù)用器前加入OTU(波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器)，將SDH非規(guī)范的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的系統(tǒng)。開放是指在同一WDM系統(tǒng)中可以接入多家的SDH系統(tǒng)；OTU對(duì)輸入端的信號(hào)沒有要求，可以兼容任意廠家的SDH信號(hào)；OTU輸出端滿足G.692的光接口：標(biāo)準(zhǔn)的光波長(zhǎng)、滿足長(zhǎng)距離傳輸?shù)墓庠?。具有OTU的WDM系統(tǒng)，不再要求SDH系統(tǒng)具有G.692接口，而是可繼續(xù)使用符合G.957接口的SDH設(shè)備，從而可以接納過去的SDH系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同廠家的SDH系統(tǒng)工作在一個(gè)WDM系統(tǒng)內(nèi)。但是OTU的引入可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能帶來一定的負(fù)面影響。開放的WDM系統(tǒng)適用于多廠家環(huán)境，徹底實(shí)現(xiàn)了SDH與WDM分開。四路光信號(hào)開放式WDM系統(tǒng)如圖6-5所示。

波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器OTU器件的主要作用在于把非標(biāo)準(zhǔn)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為ITU-T所規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)，以滿足系統(tǒng)的波長(zhǎng)兼容性。對(duì)于集成系統(tǒng)和開放系統(tǒng)的選取，運(yùn)營(yíng)者可以根據(jù)需要來進(jìn)行抉擇。在有多廠商SDH系統(tǒng)的地區(qū)選擇開放系統(tǒng)，而在新建干線和SDH制式較少的地區(qū)選擇集成系統(tǒng)?，F(xiàn)在采用開放系統(tǒng)的WDM系統(tǒng)越來越多。2．工作波長(zhǎng)區(qū)的選擇

對(duì)于常規(guī)G.652光纖，ITU-TG.692給出了以193.1?THz為標(biāo)準(zhǔn)頻率、間隔為100?GHz的41個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)(192.1～196.1THz)，即1530～1561nm。但在實(shí)際系統(tǒng)中，由于當(dāng)前干線系統(tǒng)中應(yīng)用WDM系統(tǒng)的主要目的是為了擴(kuò)容，所以全部應(yīng)用所有標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的可能性幾乎為零。因?yàn)樵谡麄€(gè)EDFA放大頻譜1530～1565nm內(nèi)，級(jí)聯(lián)后的EDFA增益曲線極不平坦，可選用的增益區(qū)很小，各波長(zhǎng)信號(hào)的增益不平衡，必須采取復(fù)雜的均衡措施，并且當(dāng)前業(yè)務(wù)的需求并沒有那么大的容量。綜合各大公司的材料，1548～1560nm波長(zhǎng)區(qū)的16個(gè)波長(zhǎng)更受青睞，西門子和朗訊都采用了這一波長(zhǎng)區(qū)。在1549～1560?nm波長(zhǎng)區(qū)間，EDFA的增益相對(duì)平坦，其增益差在1.5dB以內(nèi)，而且增益較高，可充分利用EDFA的高增益區(qū)，如圖6-6所示。

在多級(jí)級(jí)聯(lián)的WDM系統(tǒng)中，容易實(shí)現(xiàn)各通路的增益均衡。另外，由于該區(qū)域位于長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)一側(cè)，因此很容易在EDFA的另一側(cè)1530～1545nm開通另外16個(gè)波長(zhǎng)，然后將其擴(kuò)容為32通路的WDM系統(tǒng)。16通路WDM系統(tǒng)的16個(gè)光通路的中心頻率應(yīng)滿足表6-1的要求；8通路WDM系統(tǒng)的8個(gè)光通路的中心波長(zhǎng)則應(yīng)選擇表6-1中加?*?的波長(zhǎng)。WDM系統(tǒng)除了對(duì)各通路的信號(hào)波長(zhǎng)有明確的規(guī)定外，對(duì)中心頻率偏移也有嚴(yán)格規(guī)定。通路中心頻率偏移定義為通路實(shí)際的中心頻率與通路中心頻率標(biāo)稱值的差。通路間隔為100GHz的16?×?2.5Gb/sWDM系統(tǒng)，壽命終了時(shí)的波長(zhǎng)偏移應(yīng)不大于?±20GHz。3．光接口分類

由于現(xiàn)在應(yīng)用的WDM系統(tǒng)都是用于干線長(zhǎng)途傳輸?shù)?，因而我?guó)只選用有線路光放大器的系統(tǒng)，而不考慮兩點(diǎn)之間無線路光放大器的WDM系統(tǒng)?，F(xiàn)階段我們只考慮8波長(zhǎng)和16波長(zhǎng)WDM系統(tǒng)的應(yīng)用。

對(duì)于長(zhǎng)途W(wǎng)DM系統(tǒng)的應(yīng)用，我們規(guī)定了三種光接口，即8

×

22dB、3

×?

33dB和5

×

30dB系統(tǒng)。其中，22dB、30dB和33dB是每一個(gè)區(qū)段(Span)允許的損耗，而前一個(gè)數(shù)字(8，3，5)則代表區(qū)段的數(shù)目。

圖6-7為8

×

22dB系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)由8段組成，每?jī)蓚€(gè)LA之間的允許損耗為22dB。BA和PA分別是功率放大器和預(yù)放大器，LA是線路放大器。假設(shè)光纖損耗以0.275dB/km為基礎(chǔ)(包括接頭和光纜富裕度)，22dB對(duì)應(yīng)于80km的光纖損耗，則8

×

22dB的WDM系統(tǒng)可以傳輸8

×

80km=640km的距離，中間無電再生中繼。80km比較符合我國(guó)中繼段的情況，可以滿足大部分地區(qū)中繼距離的要求。目前干線的中繼段距離大多在50～60km。另外，8

×

22dB系統(tǒng)在技術(shù)上相對(duì)成熟，可靠性高、性能好，光信噪比(OSNR)比3

×

33dB和5

×

30dB系統(tǒng)要好4dB～5dB，因此可作為干線傳輸和省內(nèi)二級(jí)干線傳輸?shù)膬?yōu)選系統(tǒng)。

在WDM系統(tǒng)中，目前的8通路系統(tǒng)不能升級(jí)為16通路系統(tǒng)，除非該8通路系統(tǒng)是配置不完全的16通路系統(tǒng)的子集，否則都不能直接升級(jí)，即沒有前向兼容性。這就要求運(yùn)營(yíng)者在建設(shè)WDM系統(tǒng)時(shí)，對(duì)本地業(yè)務(wù)量的發(fā)展要有正確的估計(jì)，以選擇合適的通路數(shù)。4．光接口參數(shù)

在進(jìn)行WDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)光接口的參數(shù)要規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，特別是考慮到高功率條件下非線性效應(yīng)和光信噪比的要求，應(yīng)合理地選擇入纖功率，并對(duì)開放系統(tǒng)和集成系統(tǒng)提出相應(yīng)要求。WDM系統(tǒng)接收端的光信噪比(OSNR)數(shù)值要求是，對(duì)于8

×

22

dB的系統(tǒng)，其光信噪比為22

dB；對(duì)于5

×

30dB和3

×

33dB的系統(tǒng)，則要求光信噪比分別為21

dB和20

dB。系統(tǒng)的OSNR很大程度上取決于區(qū)段的損耗，區(qū)段的損耗越大，則最后系統(tǒng)的性能越差。5．性能要求

目前，WDM系統(tǒng)還缺少一套衡量其傳輸質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。雖然光信噪比可以用來衡量系統(tǒng)傳輸質(zhì)量，但還存在一定缺陷。當(dāng)光信噪比很高時(shí)(?>

22dB)，系統(tǒng)的質(zhì)量還可以保證(一般BER

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10-15)；但當(dāng)OSNR工作在臨界狀態(tài)，如15～17dB時(shí)，OSNR就很難定量地評(píng)估信號(hào)傳輸質(zhì)量了；再考慮到信號(hào)脈沖傳輸中出現(xiàn)的波形失真，有時(shí)OSNR較高時(shí)相應(yīng)的誤碼率也較差。

實(shí)際上，國(guó)家骨干網(wǎng)的WDM系統(tǒng)是基于SDH系統(tǒng)的多波長(zhǎng)系統(tǒng)，因而其網(wǎng)絡(luò)性能應(yīng)該全部滿足我國(guó)SDH標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)，包括誤碼、抖動(dòng)和漂移。WDM系統(tǒng)在一個(gè)光復(fù)用段內(nèi)只有一個(gè)電再生段，沒有任何轉(zhuǎn)接，因而不能用通道指標(biāo)來衡量，而是暫時(shí)采用復(fù)用段指標(biāo)來衡量，該指標(biāo)與具體WDM系統(tǒng)的光復(fù)用段長(zhǎng)度無關(guān)。

開放式WDM系統(tǒng)引入了波長(zhǎng)變換器(OTU)，OTU應(yīng)具有和SDH再生中繼器一樣的抖動(dòng)傳遞特性和輸入抖動(dòng)容限。

在DWM之后，又發(fā)展了密集波分復(fù)用(DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing)技術(shù)，DWDM指的是一種光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，這一技術(shù)利用激光的波長(zhǎng)按照比特位并行傳輸或者字符串行傳輸方式在光纖內(nèi)傳送數(shù)據(jù)。

過去的WDM系統(tǒng)是幾十納米的波長(zhǎng)間隔，現(xiàn)在的波長(zhǎng)間隔則小多了，只有0.8～2nm，甚至小于0.8nm。密集波分復(fù)用技術(shù)其實(shí)是波分復(fù)用的一種具體表現(xiàn)形式。由于DWDM光載波的間隔很小，因而必須采用高分辨率波分復(fù)用器件來選取，如平面波導(dǎo)型或光纖光柵型等新型光器件，而不能再利用熔融的波分復(fù)用器件。DWDM長(zhǎng)途光纜系統(tǒng)中，波長(zhǎng)間隔較小的多路光信號(hào)可以共用EDFA光放大器。在兩個(gè)波分復(fù)用終端之間，可采用一個(gè)EDFA來代替多個(gè)傳統(tǒng)的電再生中繼器，同時(shí)放大多路光信號(hào)，延長(zhǎng)光傳輸距離。在DWDM系統(tǒng)中，EDFA光放大器和普通的光/電/光再生中繼器將共同存在，EDFA則用來補(bǔ)償光纖的損耗，而常規(guī)的光/電/光再生中繼器則用來補(bǔ)償色散、噪聲積累帶來的信號(hào)失真。DWDM只是WDM的一種形式，WDM更具有普遍性，DWDM缺乏明確和準(zhǔn)確的定義，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，原來所謂密集的波長(zhǎng)間隔在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也越來越容易，已經(jīng)變得不那么“密集”了。一般情況下，如果不特指是1310nm/1550nm的兩波分WDM系統(tǒng)，人們談?wù)摰腤DM系統(tǒng)就是DWDM系統(tǒng)。6.2相干光通信技術(shù)

自從光纖通信系統(tǒng)問世至今，所有的系統(tǒng)幾乎都采用光強(qiáng)調(diào)制—直接檢測(cè)(IM-DD)的方式，這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制、解調(diào)容易，成本低。但由于沒有利用光的相干性，從本質(zhì)上講，這種系統(tǒng)還是一種噪聲載波通信系統(tǒng)，不能充分利用光纖的帶寬，且接收靈敏度低，傳輸距離短。為了充分利用光纖通信的帶寬、提高接收機(jī)的靈敏度，人們開始考慮無線電通信中使用的外差接收方式是否可以用于光纖通信。因?yàn)楣獠ㄒ彩且环N電磁波，所以應(yīng)該可以采用在無線電通信中使用的調(diào)制方式(幅移鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK)和外差接收方式，從而出現(xiàn)了一種新型系統(tǒng)—相干光通信系統(tǒng)。

所謂相干光，就是光場(chǎng)具有空間疊加、相互干涉性質(zhì)的激光。實(shí)現(xiàn)相干光通信，關(guān)鍵是要有頻率穩(wěn)定、相位和偏振方向可以控制的窄線譜激光器。6.2.1相干光通信的基本原理

圖6-8給出了相干光通信系統(tǒng)的組成框圖。在相干光通信系統(tǒng)中，信號(hào)以適當(dāng)?shù)姆绞秸{(diào)制光載波。當(dāng)信號(hào)光傳輸?shù)浇邮斩藭r(shí)，首先與本振光信號(hào)進(jìn)行相干混頻，然后由光檢測(cè)器進(jìn)行光電變換，最后由中頻放大器對(duì)本振光波和信號(hào)光波的差頻信號(hào)進(jìn)行放大。中頻放大輸出的信號(hào)通過解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，就可以獲得原來的數(shù)字信號(hào)。

在圖6-8所示的系統(tǒng)中，光發(fā)射機(jī)由光載波激光器、調(diào)制器和光匹配器組成。光載波激光器發(fā)出相干性很好的光載波，由數(shù)字信號(hào)經(jīng)調(diào)制器進(jìn)行光調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制的已調(diào)光波再通過光匹配器進(jìn)入單模光纖。在這里，光匹配器有兩個(gè)作用：一是獲得最大的發(fā)射效率，使已調(diào)光波的空間分布和單模光纖基模之間有最佳的匹配；二是保證已調(diào)光波的偏振狀態(tài)和單模光纖的本征偏振狀態(tài)相匹配。

在接收端，光波首先進(jìn)入光匹配器，其作用與光發(fā)射機(jī)的光匹配器相同，主要是保證接收信號(hào)光波的空間分布和偏振方向與本振激光器輸出的本振光波相匹配，以便得到高混頻效率。

設(shè)到達(dá)接收端的信號(hào)光場(chǎng)ES可表示為式中，AS為光信號(hào)的幅度；ω0為光載波頻率；φS為光場(chǎng)相位。本振光場(chǎng)EL可表示為

由于光匹配器使信號(hào)光與本振光具有相同的偏振狀態(tài)，所以兩光場(chǎng)經(jīng)相干混頻后在光檢測(cè)器上會(huì)產(chǎn)生的光電流IS。IS正比于?|ES?+?EL|，即式中，R為光檢測(cè)器的響應(yīng)度；PS和PL分別為信號(hào)光和本振光的光功率；ωIF為信號(hào)光頻與本振光頻之差，ωIF=ω0-?ωL，稱為中頻。

一般情況下PS

+?PL?≈?PL，式(6-3)等號(hào)右邊的第一項(xiàng)代表直流分量，而第二項(xiàng)包含了由發(fā)射端傳來的信息，該信息可以是調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相的形式。由此可見，該信號(hào)電流與本振光信號(hào)成正比，可以等效地看成是本振光信號(hào)使接收光信號(hào)得到了放大，稱之為本振增益，這就使得接收機(jī)的靈敏度大大提高了。

在式(6-3)中，如果本振光頻率ωL與信號(hào)光頻率ω0相等，那么中頻ωIF=?0，這種檢測(cè)方式稱為零差檢測(cè)。在零差檢測(cè)中，信號(hào)電流iS變成

在這種檢測(cè)方式中，光信號(hào)被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，但它要求本振光頻率與信號(hào)光頻率嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號(hào)光的相位鎖定，圖6-9給出了這種檢測(cè)方式的結(jié)構(gòu)和信號(hào)的頻譜分布。

如果本振光頻率ωL與信號(hào)光頻率ω0不相等，而是相差一個(gè)中頻ωIF，那這種檢測(cè)方式稱為外差檢測(cè)。在外差檢測(cè)中，信號(hào)電流

與零差檢測(cè)不同，外差檢測(cè)不要求本振光與信號(hào)光之間的相位鎖定和光頻率嚴(yán)格匹配，但這種檢測(cè)方式不能直接獲得基帶信號(hào)，信號(hào)仍然被載在中頻上，因此需要對(duì)中頻進(jìn)行二次解調(diào)，圖6-10給出了外差檢測(cè)的結(jié)構(gòu)和信號(hào)的頻譜分布。根據(jù)中頻信號(hào)的解調(diào)方式的不同，外差檢測(cè)又分同步解調(diào)和包絡(luò)解調(diào)。

外差同步解調(diào)如圖6-11所示，光檢測(cè)器上輸出的中頻信號(hào)首先通過一個(gè)中頻帶通濾波器(BPF，中心頻率為ωIF)，然后分成兩路，其中一路用作中頻載頻恢復(fù)，恢復(fù)出的中頻載波與另一路中頻信號(hào)進(jìn)行混頻，最后由低通濾波器(LPF)輸出基帶信號(hào)。這種同步解調(diào)方式具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。

在如圖6-12所示的外差包絡(luò)解調(diào)中，信號(hào)光沒有中頻載頻的恢復(fù)過程，而是經(jīng)帶通濾波后直接經(jīng)過包絡(luò)檢波器和低通濾波器，從而直接檢測(cè)出基帶信號(hào)。其光譜寬度的要求不高，采用分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器即可滿足要求，因此這種方式在相干通信中很有吸引力。6.2.2相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)

與IM-DD系統(tǒng)相比，相干光通信最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是接收靈敏度高。由于相干檢測(cè)對(duì)中頻信號(hào)起重要作用的本振光功率較大，使中頻信號(hào)較強(qiáng)，從而使接收靈敏度比IM-DD系統(tǒng)高10～25?dB，中繼距離大大加長(zhǎng)。相干光通信的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是具有很好的頻率選擇性，通過對(duì)光接收機(jī)中本振光頻率的調(diào)諧來對(duì)特定頻率的光載波進(jìn)行接收，可以實(shí)現(xiàn)信道間隔小至1～10?GHz的密集頻分復(fù)用，從而有效地增加傳輸容量、實(shí)現(xiàn)超高容量的傳輸。

在IM-DD系統(tǒng)中，只能使用強(qiáng)度調(diào)制方式對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制；而在相干光通信系統(tǒng)中，可以采用調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相等多種調(diào)制方式。但是，相干光通信對(duì)光源、調(diào)制、傳輸、接收的要求都要比IM-DD嚴(yán)格得多。實(shí)現(xiàn)相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩個(gè)：一是要解決光源的頻率穩(wěn)定性問題，在相干光通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)的載波光源和接收機(jī)的本振光源的頻率穩(wěn)定性要求非常高，不容易實(shí)現(xiàn)；二是接收信號(hào)光波和本振光波的偏振必須匹配，以保證接收機(jī)具有較高的靈敏度。

目前這些問題并沒有得到完全解決，所以相干光通信系統(tǒng)尚不能進(jìn)入實(shí)用階段。但是近年來，已成功研制出一些相干光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這些實(shí)驗(yàn)向人們展示了相干光通信系統(tǒng)的優(yōu)越性。我們有理由相信，隨著技術(shù)水平的提高，在不久的將來，相干光通信將在光纖通信中發(fā)揮重要作用。6.3光孤子通信

光纖的損耗和色散是限制系統(tǒng)的傳輸距離的兩個(gè)主要因素，尤其是在傳輸率為兆位每秒以上的高速光纖通信系統(tǒng)中，色散將起主要作用，且脈沖展寬效應(yīng)會(huì)使得系統(tǒng)的傳輸距離受到限制。能不能設(shè)法保持脈沖形狀，使其在傳輸過程中不展寬，從而提高通信距離呢？近年來出現(xiàn)了解決這一問題的新型通信方式——光孤子通信。所謂光孤子，是指經(jīng)過光纖長(zhǎng)距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖(ps數(shù)量級(jí))。光孤子的形成是光纖的群速度色散和非線性效應(yīng)相互平衡的結(jié)果。利用光孤子作為載體的通信方式稱為光孤子通信。6.3.1光孤子的基本特征1973年，Hasegawa首先提出了光纖中的孤立子的概念，稱為光孤子。1980年，Mollenaner在實(shí)驗(yàn)中首次證實(shí)了光纖中光孤子的存在。這種光孤子與一般的光脈沖不同，它的脈沖寬度極窄，達(dá)到ps的數(shù)量級(jí)，而其功率又非常大。

那么，光孤子是如何形成的呢？在光纖中傳輸高功率窄脈沖光信號(hào)時(shí)，非線性效應(yīng)(自相位調(diào)制SPM)和色散效應(yīng)(群速度色散GVD)的相互抵消作用可產(chǎn)生光孤子。光纖的非線性效應(yīng)和色散效應(yīng)原本都是破壞波形穩(wěn)定的因素，色散效應(yīng)使波形有散開(展寬)的趨勢(shì)，這是因?yàn)榻M成光波的各頻率分量具有不同的群速度，因而傳輸一段距離后，波形便展寬了；而非線性效應(yīng)與色散效應(yīng)恰恰相反，它使得較高頻率分量不斷積累，這樣光波在傳輸?shù)倪^程中形狀越來越陡。如果把這兩種效應(yīng)巧妙地結(jié)合，相互制約、相互平衡，就有可能保持波形的穩(wěn)定不變，成為光孤子。

設(shè)光纖無損耗，在光纖中傳輸?shù)囊颜{(diào)波為線性偏振模式，其場(chǎng)強(qiáng)可以表示為式中，R(r)為徑向本征函數(shù)；U(z,t)為脈沖的調(diào)制包絡(luò)函數(shù)；ω0為光載波頻率；β0為調(diào)制頻率ω?=?ω0時(shí)的傳輸常數(shù)。

已調(diào)波E(r,z,t)的頻譜在ω?=?ω0處有峰值，頻譜較窄，所以可近似為單色平面波。由于非線性克爾效應(yīng)，傳輸常數(shù)應(yīng)寫成式中，P為光功率；Aeff為光纖有效截面積。由此可見，β不僅是折射率的函數(shù)，而且是光功率的函數(shù)。在β0和P=?0附近，把β展開成級(jí)數(shù)得式中，

，vg為群速度，即脈沖包絡(luò)線的運(yùn)動(dòng)速度；

，與一階色散成比例，它描述群速度與頻率之間的關(guān)系；

。令

，LNL稱為非線性長(zhǎng)度，表示非線性效應(yīng)對(duì)光脈沖傳輸特性的影響。

6.3.2光孤子通信系統(tǒng)

圖6-14(a)示出了光孤子通信系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。光孤子源會(huì)產(chǎn)生一系列脈沖寬度很窄的光脈沖，即光孤子流。光孤子流作為信息的載體進(jìn)入光調(diào)制器，并使信息對(duì)光孤子流進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制的光孤子流經(jīng)摻鉺光纖放大器和光隔離器后，進(jìn)入光纖線路進(jìn)行傳輸。

為克服光纖損耗引起的光孤子減弱，在光纖線路上周期地插入EDFA來向光孤子注入能量，以補(bǔ)償因光纖而引起的能量損耗，達(dá)到確保光孤子穩(wěn)定傳輸?shù)哪康?。在接收端，通過光檢測(cè)器和解調(diào)裝置來恢復(fù)光孤子所承載的信息。

目前，光孤子源是光孤子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵，要求光孤子源提供的脈沖寬度為ps數(shù)量級(jí)，并有規(guī)定的形狀和峰值。光孤子源有很多種類，主要有摻鉺光纖孤子激光器、鎖模半導(dǎo)體激光器等。

光孤子通信系統(tǒng)已經(jīng)有許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，對(duì)光纖線路直接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在傳輸速率為10Gb/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)到1000km；在傳輸速率為20Gb/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)到350km；對(duì)循環(huán)光纖間接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖6-14(b)所示；傳輸速率為2.4?Gb/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)到12000km；改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，傳輸速率為10Gb/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)106km。6.4無線光(FSO)通信

無線光通信又稱自由空間光通信(FreeSpaceOpticalCommunication，F(xiàn)SO)是一種寬帶接入方式，是光通信和無線通信結(jié)合的產(chǎn)物，它利用光束信號(hào)通過大氣空間，而不是通過光纖傳送信號(hào)。這種技術(shù)的接入系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)上與光纖傳送系統(tǒng)非常相似，系統(tǒng)的物理組成非常簡(jiǎn)單、用戶無需申請(qǐng)無線頻率，而且起始投資低、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低、能快速裝設(shè)、可提供與光纖系統(tǒng)相似的傳送帶寬。隨著器件的成熟，特別是應(yīng)用無線光通信大規(guī)模后，器件價(jià)格進(jìn)一步下降，寬帶的無線光接入技術(shù)將會(huì)成為新的應(yīng)用方向。6.4.1無線光通信技術(shù)的發(fā)展2001年2月美國(guó)的一些無線光設(shè)備制造商聯(lián)合電信運(yùn)營(yíng)商成立了空間光通信聯(lián)盟。該組織已舉行了多次會(huì)議，對(duì)促進(jìn)FSO系統(tǒng)的大規(guī)模推廣起到了積極的作用。

在FSO這個(gè)領(lǐng)域里，國(guó)外已有幾個(gè)大的FSO廠家，包括LightPointe公司、AirFiber公司、Canon公司、Terabeam公司。Terabeam公司和AirFiber公司已將FSO應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)。LightPointe公司將自由空間光學(xué)技術(shù)用于創(chuàng)造、設(shè)計(jì)和制造光傳輸設(shè)備，并向電信服務(wù)商提供比傳統(tǒng)光纜傳輸速度更快、成本更低的高速通訊解決方案。LightPointe的系統(tǒng)以超快的速度提供安全可靠的無線傳輸，速度最高可達(dá)2.5Gb/s，且產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)，可解決城市地區(qū)的連接問題。

國(guó)內(nèi)FSO的發(fā)展也初步走上商業(yè)服務(wù)之路。桂林某研究所主要推出了大氣激光通信機(jī)的樣機(jī)；中科院成都光電技術(shù)研究所在引進(jìn)的國(guó)外公司先進(jìn)的激光器及其附屬電路的基礎(chǔ)上，利用自己在光學(xué)器件上的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出了工作波長(zhǎng)為850?nm、可以傳輸1?km、4?km兩種距離的兩款產(chǎn)品；上海光機(jī)所承擔(dān)的“無線激光通信系統(tǒng)”項(xiàng)目在2003年1月通過了驗(yàn)收，該系統(tǒng)具有雙向高速傳輸和自動(dòng)跟蹤功能，其傳輸速率可以達(dá)到622?Mb/s，通信距離可以達(dá)到2km，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度為0.1?mrad，響應(yīng)時(shí)間為0.2s。

自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)采用雙波長(zhǎng)同光路接收鏡筒和高靈敏度位敏探測(cè)器來實(shí)現(xiàn)靈敏的伺服跟蹤，并簡(jiǎn)化通信系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在降低成本上具有自己的特色和創(chuàng)新，已申請(qǐng)了專利。深圳飛通有限公司利用自身強(qiáng)大的光電器件的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出了在光收發(fā)模塊加上EDFA系統(tǒng)方式的樣機(jī)，其速率有155Mb/s、622Mb/s以及1.25Gb/s幾種，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)4km。清華同方研究發(fā)展中心一直致力于“最后一公里”解決方案的探索，并于2001年12月成立FSO技術(shù)跟蹤研究小組，推出了自由空間光通訊產(chǎn)品TFOW100-1，完成了1000?m點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信樣機(jī)的檢測(cè)。TFOW100-1能提供100Mb/s的帶寬。

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，在許多寬帶的技術(shù)之中，無線光通信以其容量和價(jià)格的優(yōu)勢(shì)受到越來越多運(yùn)營(yíng)公司的注意，應(yīng)用的范圍不斷擴(kuò)大。

光纖傳輸無疑是最可靠的通信方式，但光纖敷設(shè)的周期較長(zhǎng)、投資很大。雖然LMDS技術(shù)日漸成熟，比FSO的傳輸距離遠(yuǎn)，但這種接入方式需要高額的初始投資和頻譜許可證，所以對(duì)業(yè)務(wù)提供商而言，這種接入技術(shù)不如FSO經(jīng)濟(jì)；盡管銅纜是一種易得的傳輸媒介，用銅纜相連的大樓也遠(yuǎn)多于光纖，但由于DSL的帶寬太低，使得這種基于銅纜的接入方式并不是解決“最后一公里”瓶頸問題的最可行的解決方案；FSO相對(duì)而言是一種比較好的方案，帶寬可擴(kuò)展、建設(shè)速度快，并且十分經(jīng)濟(jì)，其應(yīng)用前景將非常廣闊。6.4.2無線光通信系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

無線光通信是利用激光束作為載波，不使用光纖等有線信道作為傳輸介質(zhì)，而是在空氣中直接傳輸光信息的一種通信方式，也就是利用激光束作為信道在空間直接進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息雙向傳輸?shù)囊环N技術(shù)。FSO可分為大氣光通信、衛(wèi)星間光通信和星地光通信。

無線光通信系統(tǒng)包括發(fā)射和接收兩個(gè)部分。發(fā)射部分主要由激光器、調(diào)制器和光學(xué)天線組成；接收部分主要由光學(xué)天線、光電檢測(cè)器和電信號(hào)處理器組成。發(fā)射是先將待發(fā)送的信息源變換成電信號(hào)，然后將這些電信號(hào)輸入光調(diào)制器，調(diào)制到一個(gè)由激光器產(chǎn)生的激光束上，并控制這個(gè)載波的某個(gè)參數(shù)，使光按電信號(hào)的規(guī)律變化；接下來激光載波就運(yùn)載著這些已調(diào)制成激光的信息，在經(jīng)過處理后由發(fā)射天線發(fā)射出去。接收是發(fā)射的逆過程，接收天線接收到已調(diào)制的激光信號(hào)后送到光檢測(cè)器取出電信號(hào)，然后由信號(hào)變換設(shè)備恢復(fù)出原始信息。

無線光通信系統(tǒng)中的發(fā)射天線和接收天線都由透鏡構(gòu)成。發(fā)射天線能把截面很小的激光束變成截面較大的激光束，以方便接收天線調(diào)整方位并接收信號(hào)；接收天線接收大面積的激光束，并聚集成較小的光斑，起到恢復(fù)激光束本來面目的作用。

圖中信號(hào)交換與處理、信息發(fā)送與接收屬于電信號(hào)部分。

一般情況下，無線光通信設(shè)備的激光通信終端每一側(cè)分別包括專用望遠(yuǎn)物鏡(Telescope)、激光收發(fā)器部分、線路接口、電源和機(jī)械支架，但有的設(shè)備還包括伺服、監(jiān)控、遠(yuǎn)程管理等部分。另外，部分設(shè)備中還集成了伺服裝置，用于安裝調(diào)試、組網(wǎng)調(diào)整以及由于環(huán)境因素引起的基座移動(dòng)的調(diào)整。

激光通信終端中的光源(LightSource)主要分為L(zhǎng)D(LaserDiode)和LED(LightEmittingDiode)。其中，LD多采用鋁砷化鉀二極管(AlGaAsLaserDiode)，接收器主要采用PIN(PositiveIntrinsicNegativeDiode)或APD(AvalanchePhotoDiode)。

只要無線光通信(FSO)系統(tǒng)的收發(fā)兩端機(jī)之間存在無遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率，通信就可以進(jìn)行。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)那闆r下，每一端都設(shè)有光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)全雙工的通信。由于大氣空間對(duì)不同光波長(zhǎng)信號(hào)的透過率有較大的差別，所以應(yīng)選用透過率較好的波段窗口。FSO有兩種工作波長(zhǎng)：850nm和1550nm。850nm的設(shè)備相對(duì)便宜，一般應(yīng)用于傳輸距離不太遠(yuǎn)的場(chǎng)合；1550

nm波長(zhǎng)的設(shè)備價(jià)格要高一些，但在功率、傳輸距離和視覺安全方面有更好的表現(xiàn)。1550?nm的紅外光波大部分都被角膜吸收，照射不到視網(wǎng)膜，因此，相關(guān)安全規(guī)定允許1550nm波長(zhǎng)設(shè)備的功率可以比850nm的設(shè)備高兩個(gè)等級(jí)。功率的增大有利于增大傳輸距離和在一定程度上抵消惡劣氣候給傳輸帶來的影響。FSO和光纖通信一樣，具有頻帶寬的優(yōu)勢(shì)，能支持155Mb/s～10Gb/s的傳輸速率，傳輸距離可達(dá)2～4km，但通常在1km有穩(wěn)定的傳輸效果。FSO產(chǎn)品可以傳輸數(shù)據(jù)、語音、影像等內(nèi)容。6.4.3無線光通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

雖然無線光通信技術(shù)還有待成熟，但它以獨(dú)特的方式、顯著的優(yōu)點(diǎn)擁有著巨大的市場(chǎng)潛能。(1)頻帶寬，速率高，信息容量大。理論上，無線光通信的傳輸帶寬與光纖通信的傳輸帶寬相同(光纖通信中的光信號(hào)在光纖介質(zhì)中傳輸，而FSO的光信號(hào)在空氣介質(zhì)中傳輸)。目前國(guó)外無線光通信系統(tǒng)一般使用1550nm波長(zhǎng)(頻率約為1.935?×?105?GHz)頻段，傳輸速率可達(dá)10?Gb/s(4?×?2.5?Gb/s)，即可完成12萬個(gè)話路，其傳輸距離可達(dá)5?km；國(guó)內(nèi)無線光通信系統(tǒng)一般使用850?nm波長(zhǎng)(頻率約為3.529?×?105?GHz)技術(shù)，速率為10?Mb/s～155Mb/s，傳輸距離可達(dá)4km。

光波作為信息載體可輕易傳輸高達(dá)10?Gb/s碼率的數(shù)據(jù)，能滿足大容量信息傳輸?shù)囊蟆Ｃ绹?guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功演示了無線光通信數(shù)據(jù)鏈路，創(chuàng)造了在2.4km的自由空間距離內(nèi)以2.5?Gb/s的速率無差錯(cuò)傳輸信息的世界紀(jì)錄。目前國(guó)外商用無線光通信設(shè)備的傳輸速率已達(dá)到622Mb/s。(2)頻譜資源豐富。與微波技術(shù)相比，F(xiàn)SO設(shè)備多采用紅外光傳輸方式，有非常豐富的頻譜資源，無需向無線電管理部門申請(qǐng)頻率執(zhí)照和交納頻率占用費(fèi)，也不會(huì)和微波等無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生相互干擾。(3)適用多種通信協(xié)議。無線光通信產(chǎn)品作為一種物理層的傳輸設(shè)備，可以用在SDH、ATM、以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)等常見的通信網(wǎng)絡(luò)中，并可支持2.5Gb/s的傳輸速率，對(duì)話音、數(shù)據(jù)和圖像業(yè)務(wù)可以做到透明傳輸。(4)部署鏈路快捷。FSO設(shè)備可以直接架設(shè)在樓頂，甚至可在水域上部署，能完成地對(duì)空、空對(duì)空等多種光纖通信無法完成的通信任務(wù)；其施工周期較短，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)建立起通信鏈路，而建設(shè)成本只有地下光纖的五分之一左右。(5)傳輸保密性好。無線光通信的安全性是非常顯著的，由于其具有很好的方向性和非常窄的波束，因此，對(duì)其竊聽和人為干擾幾乎是不可能的。(6)不易出現(xiàn)傳輸堵塞。由于光無線通信系統(tǒng)使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的系統(tǒng)，在確定發(fā)收兩點(diǎn)之間視線不受阻擋的通道之后，光無線通信系統(tǒng)到端用戶節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)通道仍然保持著光的形式，中間沒有電轉(zhuǎn)換的介入。這樣，光無線通信系統(tǒng)內(nèi)光信號(hào)的流動(dòng)就沒有光電轉(zhuǎn)換的障礙，所以信息在傳輸時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)信息堵塞現(xiàn)象。(7)便攜性。由于光波的波長(zhǎng)短，在同樣功能情況下，光收發(fā)天線的尺寸比微波、毫米波通信天線尺寸要小很多，同時(shí)功耗小、體積小、重量輕，而且無線通信裝置可靈活拆裝，并移裝至其他位置，適于臨時(shí)、應(yīng)急的通信。(8)全天候工作。FSO全天候工作的可靠率達(dá)99.999%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)際規(guī)定的通信系統(tǒng)年可靠率95%。6.4.4無線光通信的關(guān)鍵技術(shù)1.高功率光源及高碼率調(diào)制技術(shù)

空間光通信系統(tǒng)大多可采用半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體泵浦的Nd:YAG固體激光器作為信號(hào)光和信標(biāo)光源，其工作波長(zhǎng)滿足大氣傳輸?shù)蛽p耗窗口，即0.8～1.5μm的近紅外波段。用于ATP系統(tǒng)的信標(biāo)光源(采用單管或多管陣列組合，以加大輸出功率)要求能提供數(shù)瓦連續(xù)光或脈沖光，以便在大視場(chǎng)、高背景光干擾下快速、精確地捕獲和跟蹤目標(biāo)；通常信標(biāo)光的調(diào)制頻率為幾十赫茲至幾千赫茲(或幾千赫茲至幾十千赫茲)，以克服背景光的干擾。用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓庑盘?hào)源則選擇輸出功率為數(shù)十毫瓦的半導(dǎo)體激光器，但要求輸出光束質(zhì)量好、工作頻率高，頻率應(yīng)達(dá)到幾十兆赫至幾十吉赫。據(jù)報(bào)道，貝爾實(shí)驗(yàn)室已研制出調(diào)制頻率高達(dá)10GHz的光源。此外，激光器的熱穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性及工作壽命等性能都是需要考慮的因素。如采用直接調(diào)制方式，還需考慮頻率啁啾、相位調(diào)制及電光延遲和張弛延遲等效應(yīng)。2.精密、可靠的光束控制技術(shù)

在發(fā)射端，由于半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量一般較差、發(fā)散角大，而且水平和垂直兩個(gè)方向的發(fā)散角不相等，因此必須進(jìn)行準(zhǔn)直，即先將發(fā)散角壓縮到毫弧度級(jí)，然后再通過發(fā)射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步將其準(zhǔn)直成微弧度級(jí)光束；在接收端，接收天線的作用是將空間傳播的光場(chǎng)收集并匯聚到探測(cè)器表面。發(fā)射和接收天線的效率及接收天線的口徑都對(duì)系統(tǒng)的接收光功率有重要影響。國(guó)際上現(xiàn)有系統(tǒng)的天線口徑一般為數(shù)厘米至25cm之間。3.高靈敏度和高抗干擾性的光信號(hào)接收技術(shù)

空間光通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)接收到的信號(hào)是十分微弱的，加上高背景噪聲場(chǎng)的干擾，會(huì)導(dǎo)致接收端信噪比小于1。為快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號(hào)，通常采取的措施有：首先是提高接收端機(jī)的靈敏度，達(dá)到納瓦～皮瓦量級(jí)，這就需要選擇量子效率高、靈敏度好、響應(yīng)速率快、噪聲小的新型光電探測(cè)器件；其次是對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行處理，在光信道上采用光窄帶濾波器，如吸收濾光片、干涉濾光片、新型的原子共振濾光器等，以抑制背景雜散光的干擾，在電信道上則采用微弱信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)。4.快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(ATP—Acquisition，Tracking，Pointing)技術(shù)

快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)技術(shù)是保證實(shí)現(xiàn)空間遠(yuǎn)距離光通信尤其是星際間光通信的必要核心技術(shù)。ATP系統(tǒng)通常由兩部分組成：

①捕獲(粗跟蹤)系統(tǒng)，捕獲范圍可達(dá)?±1°～±20°或更大。通常采用陣列CCD來實(shí)現(xiàn)，并與帶通光濾波器、信號(hào)實(shí)時(shí)處理的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成粗跟蹤即目標(biāo)的捕獲。

②跟蹤、瞄準(zhǔn)(精跟蹤)系統(tǒng)。通常采用四象限紅外探測(cè)器QD或Q-APD高靈敏度位置傳感器來實(shí)現(xiàn)，并配以相應(yīng)的電子學(xué)伺服控制系統(tǒng)。精跟蹤要求視場(chǎng)角為幾百μrad，跟蹤精度為幾μrad，跟蹤靈敏度大約為幾nW。5.大氣信道

在地對(duì)地、地對(duì)空的激光通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸中，涉及的大氣信道是隨機(jī)的。大氣中的氣體分子、水霧、雪、霾、氣溶膠等粒子的幾何尺寸與半導(dǎo)體激光波長(zhǎng)相近甚至更小，這就會(huì)引起光的吸收、散射。特別是在強(qiáng)湍流的情況下，光信號(hào)將受到嚴(yán)重干擾甚至脫靶。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以較好地解決這一問題，并已逐漸走向?qū)嵱没?.調(diào)制方式、編碼方式及解調(diào)方式

目前，空間光通信系統(tǒng)多采用IM-DD(強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測(cè))方式，主要是考慮到系統(tǒng)能比較簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)這種方式。采用的編碼方式多為開關(guān)鍵控(OOK)編碼和曼徹斯特編碼方式。在實(shí)際應(yīng)用中，采用曼徹斯特編碼方式的接收誤碼率通常比采用OOK編碼要低。

對(duì)于完整的星際間光通信系統(tǒng)還包括相應(yīng)的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)、熱控制、輔助電子設(shè)備等部分及系統(tǒng)整體優(yōu)化等技術(shù)。雖然這些技術(shù)的難度較大，但十分重要。6.4.5無線光通信的典型應(yīng)用1.在局域網(wǎng)連接中的應(yīng)用

在校園網(wǎng)、小區(qū)網(wǎng)或大企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)碰到這樣一種情況：馬路對(duì)面的新建大樓急需接通，但可挖路許可權(quán)卻遲遲不能得到批準(zhǔn)或者根本就無法取到。這時(shí)候無線光通信技術(shù)便可以大顯身手，如圖6-16所示。其中，SNMP即簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理器為可選項(xiàng)。無線光通信設(shè)備配備有標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口或光接口，且對(duì)協(xié)議透明，可以非常方便地完成局域網(wǎng)的連接。

美國(guó)LightPointe公司針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合開發(fā)了三種系列的產(chǎn)品，可用于不同的網(wǎng)絡(luò)層次中：FlightLite及FlightPath系列，帶寬為10Mb/s～1.25Gb/s，可以解決AccessLayer(接入層)的應(yīng)用，例如，當(dāng)一個(gè)小區(qū)的一處居民樓離控制中心較遠(yuǎn)時(shí)采用無線光通信的接入方案能很好地解決該處居民樓的聯(lián)網(wǎng)問題；FlightSpectrum產(chǎn)品系列可解決CoreLayer(核心層)的應(yīng)用。通常情況下，核心層要保證數(shù)據(jù)通信的快速，所以需要較高的帶寬，F(xiàn)lightSpectrum產(chǎn)品系列產(chǎn)品很好地解決了相距較遠(yuǎn)(1～4

km)較高帶寬(155MHz～2.5GHz)要求的應(yīng)用。2.在城域、邊緣網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速進(jìn)步，城市建設(shè)的步伐和力度也在不斷加大，城市的覆蓋面積也在不斷增加。早在幾年前，各大運(yùn)營(yíng)商在搶占通信市場(chǎng)的時(shí)候，就紛紛著手建設(shè)自己的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施了。目前，城域網(wǎng)的建設(shè)可謂日新月異，通信帶寬可達(dá)10GHz，已基本上能夠滿足數(shù)據(jù)通信的需求。隨著城市的發(fā)展，以往的郊區(qū)也逐漸被納入到城市中心來，如何高效、低成本的實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)的擴(kuò)展、快速占領(lǐng)新市場(chǎng)，越來越成為各大電信運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的問題。

圖6-17所示為一種采用無線光通信技術(shù)的解決方案。在這種方案中，無線光通信技術(shù)集中展現(xiàn)了高帶寬的魅力。這種連接方式可以滿足城市邊緣網(wǎng)通信中對(duì)數(shù)據(jù)通信帶寬的需求，因?yàn)樗哂薪ㄔO(shè)周期短、投入小的特點(diǎn)，已被歐美一些電信運(yùn)營(yíng)商采用。3.在“最后一公里”接入中的應(yīng)用

由于接入Internet的需求不斷地增長(zhǎng)，越來越多的公司、團(tuán)體、個(gè)人要求加入Internet。但由于各種實(shí)際原因，例如公路開挖、敏感地區(qū)對(duì)微波使用的限制，很多接入還沒有方案解決，而無線光通信輸入的誕生為運(yùn)營(yíng)商搶占市場(chǎng)提供了一種可行的解決方案。圖6-18就是光纖到樓的圖示說明。4.無線光通信在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

移動(dòng)通信是當(dāng)今通信領(lǐng)域內(nèi)最為活躍、發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一，也是將來對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展有重大影響的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一。隨著移動(dòng)電話用戶的迅猛增長(zhǎng)和移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的推廣，無線網(wǎng)絡(luò)需要更高的帶寬和容量。3G(第三代移動(dòng)通信技術(shù))已經(jīng)成為當(dāng)今電信業(yè)的熱點(diǎn)，且如何充分地利用現(xiàn)有資源，在最低投入、最快速度的情況下實(shí)現(xiàn)第三代網(wǎng)絡(luò)(3G)平化過渡已成為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商最為關(guān)注的問題。

無線光通信技術(shù)作為一種接入技術(shù)，因?yàn)槠渥陨淼奶攸c(diǎn)和在施工、帶寬、成本等方面的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為各大運(yùn)營(yíng)商的首選方案之一。

主干網(wǎng)到距離最近的天線之間采用光纖連接，經(jīng)N′E1接口轉(zhuǎn)換器后，由無線光通信設(shè)備再連接到其他天線，所以所有的天線可以共用一個(gè)基站，且具有以下優(yōu)點(diǎn)：

·省卻基站到天線之間的鏈路鋪設(shè)，縮短了施工時(shí)間和施工費(fèi)用；

·可以多個(gè)天線共用一個(gè)基站，減少基站數(shù)目；

·大大減少了基站與中心節(jié)點(diǎn)之間的光纖鋪設(shè)費(fèi)用；

·無線光通信技術(shù)采用紅外激光傳輸，相鄰設(shè)備之間不會(huì)產(chǎn)生干擾。6.5全光通信系統(tǒng)6.5.1全光通信的概念

全光通信技術(shù)是一種光纖通信技術(shù)，該技術(shù)是針對(duì)普通光纖系統(tǒng)中存在較多的電子轉(zhuǎn)換設(shè)備而進(jìn)行改進(jìn)的技術(shù)；該技術(shù)確保用戶與用戶之間的信號(hào)傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸過程都在光域內(nèi)進(jìn)行，而各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換則采用全光網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)。

全光通信的實(shí)現(xiàn)可以分為兩個(gè)階段來完成：

首先是在點(diǎn)—點(diǎn)光纖傳輸系統(tǒng)中，整條線路中間不需要進(jìn)行任何光/電和電/光轉(zhuǎn)換。在這個(gè)階段，網(wǎng)內(nèi)光信號(hào)的流動(dòng)沒有光電轉(zhuǎn)換的障礙，信息傳遞過程也就無須面對(duì)電子器件速率難以提高的困難。這種完全靠光波沿光纖傳播的長(zhǎng)距離傳輸，稱為發(fā)端與收端間的點(diǎn)—點(diǎn)全光傳輸。而且整個(gè)光纖通信網(wǎng)的任一用戶地點(diǎn)都可以與任一其他用戶地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全光傳輸，這樣就組成了全光傳送網(wǎng)。

其次，在完成上述用戶間的全光傳送網(wǎng)后，不少信號(hào)處理、儲(chǔ)存、交換，以及多路復(fù)用/分接、進(jìn)網(wǎng)/出網(wǎng)等功能都要由電子技術(shù)轉(zhuǎn)變成光子技術(shù)來完成，整個(gè)通信網(wǎng)將由光來實(shí)現(xiàn)傳輸以外的許多重要功能，如完成端到端的光傳輸、交換和處理等，這就形成了全光通信發(fā)展的第二階段，也將是更完整的全光通信。

全光通信網(wǎng)由全光內(nèi)部部分和通用網(wǎng)絡(luò)控制部分組成。內(nèi)部全光網(wǎng)是透明的，能容納多種業(yè)務(wù)格式，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過選擇合適的波長(zhǎng)來進(jìn)行透明的發(fā)送或從別的節(jié)點(diǎn)處接收。通過對(duì)波長(zhǎng)路由的光交叉設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)配置，透明光傳輸可以擴(kuò)展到更遠(yuǎn)的距離。外部控制部分可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，這使得波長(zhǎng)和容量在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)動(dòng)態(tài)分配以滿足通信量、業(yè)務(wù)和性能需求的變化，并提供一個(gè)生存性好、容錯(cuò)能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)。6.5.2全光通信的關(guān)鍵器件和技術(shù)1.全光通信的關(guān)鍵器件(1)光分插復(fù)用器(OADM)。目前采用的OADM只能在中間局站上、下固定光信號(hào)，使用起來比較呆板。未來的OADM對(duì)上、下光信號(hào)將是完全可控制的，就像目前的ADM上、下電路一樣，通過網(wǎng)管系統(tǒng)就可以在中間局隨意地選擇上、下一個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)信道的光信號(hào)，使用起來非常方便，組網(wǎng)十分靈活。(2)光交叉連接設(shè)備(OXC)。與OADM相類似，未來的OXC將像現(xiàn)在的DXC一樣，可以利用軟件來對(duì)各路光信號(hào)波長(zhǎng)隨意地進(jìn)行靈活的交叉連接。OXC對(duì)全光網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度、業(yè)務(wù)的集中與疏導(dǎo)及對(duì)全光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)與恢復(fù)等都會(huì)發(fā)揮重大的作用。(3)可變波長(zhǎng)激光器。目前的光纖通信用的半導(dǎo)體激光器只能發(fā)出固定波長(zhǎng)的光波，還不能做到按需要隨意改變半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)。將來為適應(yīng)全光波長(zhǎng)變換的要求，會(huì)出現(xiàn)可變波長(zhǎng)激光器，即激光器的發(fā)射波長(zhǎng)可按需要進(jìn)行調(diào)諧發(fā)送，且具有光譜性能優(yōu)越、高輸出功率、更高的穩(wěn)定性和可靠性等特點(diǎn)。(4)全光再生器。目前的電再生器，都是需要經(jīng)過O/E/O轉(zhuǎn)換，通過對(duì)電信號(hào)的處理來實(shí)現(xiàn)再生。采用線路放大器，只能解決系統(tǒng)損耗受限難題，而對(duì)于色散受限，EDFA是無能為力的。未來的全光再生器，它不需要O/E/O轉(zhuǎn)換就可以對(duì)光信號(hào)直接進(jìn)行再生定時(shí)、再生整形和再生放大，而且與系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)、比特率、協(xié)議等無關(guān)。由于全光再生器具有光放大功能，因此解決了損耗受限難題；又因?yàn)樗梢詫?duì)光脈沖波形直接進(jìn)行再生整形，所以也解決了色散受限難題。2.全光通信的技術(shù)

實(shí)現(xiàn)透明的、具有高度生存性的全光通信網(wǎng)是寬帶通信網(wǎng)未來發(fā)展的目標(biāo)，而要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)需要有先進(jìn)的技術(shù)來支撐。下面介紹實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、有效、可靠的全光通信應(yīng)采用的技術(shù)。(1)光層開銷處理技術(shù)。該技術(shù)是用信道開銷等額外比特?cái)?shù)據(jù)從外面包裹光信道(Och)客戶信號(hào)的一種數(shù)字包封技術(shù)，它在光層具有管理光信道(Och)的OAM(操作、管理、維護(hù))信息的能力和執(zhí)行光信道性能監(jiān)測(cè)的能力；該技術(shù)同時(shí)為光網(wǎng)絡(luò)提供所有SONET/SDH網(wǎng)所具有的強(qiáng)大管理功能和高可靠性保證。(2)光監(jiān)控技術(shù)。在全光通信系統(tǒng)中，必須對(duì)光放大器等器件進(jìn)行監(jiān)視和管理，一般采用額外波長(zhǎng)監(jiān)視技術(shù)，即在系統(tǒng)中分插一個(gè)額外的信道來傳送監(jiān)控信息；而光監(jiān)控技術(shù)采用1510nm波長(zhǎng)，并且對(duì)此監(jiān)控信道提供ECC的保護(hù)路由，當(dāng)光纜出現(xiàn)故障時(shí)，可繼續(xù)通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)(DCN)來傳輸監(jiān)控信息。(3)信息再生技術(shù)。信息在光纖通道中傳輸時(shí)，如果光纖損耗大、色散嚴(yán)重，那么最后的通信質(zhì)量將會(huì)很差。雖然可以通過全光放大器來提高光信號(hào)功率，但是損耗導(dǎo)致光信號(hào)的幅度隨傳輸距離按指數(shù)規(guī)律衰減；色散會(huì)導(dǎo)致光脈沖發(fā)生展寬、發(fā)生碼間串?dāng)_，使系統(tǒng)的誤碼率增大，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，因此，必須采取措施來對(duì)光信號(hào)進(jìn)行再生。

目前，對(duì)光信號(hào)的再生都是利用光電中繼器，即光信號(hào)首先由光電二極管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)電路整形放大后再重新驅(qū)動(dòng)一個(gè)光源，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的再生。這種光電中繼器具有裝置復(fù)雜、體積大、耗能多的缺點(diǎn)。最近，出現(xiàn)了全光信息再生技術(shù)，即在光纖鏈路上每隔幾個(gè)放大器的距離接入一個(gè)光調(diào)制器和濾波器，從鏈路傳輸?shù)墓庑盘?hào)中提取同步時(shí)鐘信號(hào)并輸入到光調(diào)制器中，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行周期性同步調(diào)制，使光脈沖變窄、頻譜展寬、頻率漂移和系統(tǒng)噪聲降低、光脈沖位置得到校準(zhǔn)和重新定時(shí)。全光信息再生技術(shù)不僅能從根本上消除色散等不利因素的影響，而且克服了光電中繼器的缺點(diǎn)，成為全光信息處理的基礎(chǔ)技術(shù)之一。(4)動(dòng)態(tài)路由和波長(zhǎng)分配技術(shù)。全光通信需要給定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浜鸵惶仔枰诰W(wǎng)絡(luò)上建立的端到端光信道，而為每一個(gè)帶寬確定動(dòng)態(tài)路由和分配波長(zhǎng)以建立光信道，是由波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)路由和波長(zhǎng)分配技術(shù)(RWA)來完成的。目前較成熟的RWA技術(shù)有最短路徑法、最少負(fù)荷法、交替固定選路法等。根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否提供波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能，光通路可以分為波長(zhǎng)通道(WP)和虛波長(zhǎng)通道(VWP)，WP可看做VMP的特例。當(dāng)整個(gè)光路都采用同一波長(zhǎng)時(shí)，就稱其為波長(zhǎng)通道；反之是虛波長(zhǎng)通道。在波長(zhǎng)通道網(wǎng)絡(luò)中，由于給信號(hào)分配的波長(zhǎng)通道是端到端的，且每個(gè)通路與一個(gè)固定的波長(zhǎng)關(guān)聯(lián)，因而在動(dòng)態(tài)路由和分配波長(zhǎng)時(shí)，一般必須先獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，因此其控制系統(tǒng)通常必須采用集中控制方式，即在掌握了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有波長(zhǎng)復(fù)用段的占用情況后，才可能為新呼叫選擇一條合適的路由。這時(shí)，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)路由和波長(zhǎng)分配所需的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。而在虛波長(zhǎng)通道網(wǎng)絡(luò)中，波長(zhǎng)是逐個(gè)鏈路進(jìn)行分配的，因此可以進(jìn)行分布式控制，這樣可以大大降低光通路層選路的復(fù)雜性和選路所需的時(shí)間，但卻增加了節(jié)點(diǎn)操作的復(fù)雜性。(5)光時(shí)分多址(OTDMA)技術(shù)。該技術(shù)是在同一光載波波長(zhǎng)上把時(shí)間分割成周期性的幀，每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙，然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使每個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)在每幀內(nèi)均只按指定的時(shí)隙發(fā)送信號(hào)，最后利用全光時(shí)分復(fù)用方法在光功率分配器中合成一路光時(shí)分脈沖信號(hào)，經(jīng)全光放大器放大后送入光纖中傳輸；在交換局，利用全光時(shí)分分解復(fù)用。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的光時(shí)分多址通信和避免各ONU向上游發(fā)送的碼流在光功率分配器合路時(shí)發(fā)生碰撞，光交換局必須測(cè)定它與各ONU的距離，并在下行信號(hào)中規(guī)定光網(wǎng)絡(luò)單元的嚴(yán)格發(fā)送定時(shí)。(6)光突發(fā)數(shù)據(jù)交換技術(shù)。該技術(shù)是針對(duì)目前光信號(hào)處理技術(shù)尚未足夠成熟的情況而提出的。在這種技術(shù)中有兩種光分組技術(shù)：包含路由信息的控制分組技術(shù)和承載業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組技術(shù)?？刂品纸M技術(shù)中的控制信息要通過路由器的電子處理，而數(shù)據(jù)分組技術(shù)不需光電/電光轉(zhuǎn)換和電子路由器的轉(zhuǎn)發(fā)便可直接在端到端的透明傳輸信道中傳輸。(7)光波分多址(WDMA)技術(shù)。該技術(shù)是將多個(gè)不同波長(zhǎng)且互不重疊的光載波分配給不同的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)，然后用來實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)的傳輸，即各ONU根據(jù)所分配的光載波對(duì)發(fā)送的信息脈沖進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生多路不同波長(zhǎng)的光脈沖，然后利用波分復(fù)用方法經(jīng)過合波器形成一路光脈沖信號(hào)來共享傳輸光纖并送入到光交換局。在WDMA系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)任何允許節(jié)點(diǎn)共享信道的多波長(zhǎng)接入，必須建立一個(gè)防止或處理碰撞的協(xié)議。該協(xié)議包括固定分配協(xié)議、隨機(jī)接入?yún)f(xié)議(包括預(yù)留機(jī)制、交換和碰撞預(yù)留技術(shù))及仲裁規(guī)程、改裝發(fā)送許可等。(8)光轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。在全光通信系統(tǒng)中，對(duì)光信號(hào)的波長(zhǎng)、色散、功率等都有特殊的要求。為了滿足ITU-T標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，必須采用光到電再到光的光轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)對(duì)輸入的信號(hào)光進(jìn)行規(guī)范，同時(shí)采用外調(diào)制技術(shù)來克服長(zhǎng)途傳輸系統(tǒng)中色散的影響。光纖傳輸系統(tǒng)所用的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要有直接調(diào)制的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊和外調(diào)制的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊兩種。外調(diào)制的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊包括電吸收(EA)調(diào)制和鈮酸鋰(LiNbO3)晶體調(diào)制。

在全光通信系統(tǒng)中，可以采用多種調(diào)制類型的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊；色散容限有1800/4000/7200/12?800?ps/nm等諸多選擇，以滿足不同的傳輸距離需求；為用戶提供1～640?km之間各種傳輸距離的最佳性能價(jià)格比解決方案；并且光轉(zhuǎn)發(fā)單元發(fā)射部分的波長(zhǎng)穩(wěn)定度在0℃～60℃范圍內(nèi)小于?±3GHz。(9)副載波多址(SCMA)技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是將多路基帶控制信號(hào)調(diào)制到不同頻率的射頻(超短波到微波頻率)波上，然后將多路射頻信號(hào)復(fù)用后調(diào)制成一個(gè)光載波。在ONU端進(jìn)行二次解調(diào)，首先利用光探測(cè)器從光信號(hào)中得到多路射頻信號(hào)，并從中選出該單元需要接收的控制信號(hào)，再用電子學(xué)的方法從射頻波中恢復(fù)出基帶控制信號(hào)。在控制信道上使用SCMA接入，不僅可降低網(wǎng)絡(luò)成本，還可解決控制信道的競(jìng)爭(zhēng)。(10)空分光交換技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是將光交換元件組成門陣列開關(guān)，并適當(dāng)控制門陣列開關(guān)，即可在任意輸入光纖和輸出光纖之間構(gòu)成通路。根據(jù)其交換元件的不同門陣列開關(guān)可分為機(jī)械型、光電轉(zhuǎn)換型、復(fù)合波導(dǎo)型、全反射型和激光二極管門開關(guān)等，如耦合波導(dǎo)型交換元件鈮酸鋰。鈮酸鋰是一種電光材料，具有折射率隨外界電場(chǎng)的變化而變化的光學(xué)特性。以鈮酸鋰為基片，在基片上進(jìn)行鈦擴(kuò)散，以形成折射率逐漸增加的光波導(dǎo)，即光通路，再焊上電極后即可將它作為光交換元件使用。當(dāng)將兩條很接近的波導(dǎo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)合后，通過這兩條波導(dǎo)的光束可發(fā)生能量交換。能量交換的強(qiáng)弱隨復(fù)合系數(shù)、平行波導(dǎo)的長(zhǎng)度和兩波導(dǎo)之間的相位差變化，只要所選取的參數(shù)適當(dāng)，光束就在波導(dǎo)上完全交錯(cuò)。如果在電極上施加一定的電壓，那么可改變折射率及相位差。由此可見，通過控制電極上的電壓，可以得到平行和交叉兩種交換狀態(tài)。(11)光放大技術(shù)。為了克服光纖傳輸中的損耗，每傳輸一段距離，都要對(duì)信號(hào)進(jìn)行電的“再生”。隨著傳輸碼率的提高，“再生”的難度也隨之提高，這成了信號(hào)傳輸容量擴(kuò)大的“瓶頸”。于是，一種新型的光放大技術(shù)就出現(xiàn)了，例如，摻鉺光纖放大器的實(shí)用化實(shí)現(xiàn)了直接光放大，節(jié)省了大量的再生中繼器，使得傳輸中的光纖損耗不再成為主要問題，同時(shí)使傳輸鏈路“透明化”，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，幾倍或幾十倍地?cái)U(kuò)大了傳輸容量，促進(jìn)了真正意義上的密集波分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展，是光纖通信領(lǐng)域上的一次革命。(12)時(shí)分光交換技術(shù)。該技術(shù)的原理與現(xiàn)行的電子程控交換中的時(shí)分交換系統(tǒng)完全相同，因此它能與采用全光時(shí)分多路復(fù)用方法的光傳輸系統(tǒng)匹配。在這種技術(shù)下，可以時(shí)分復(fù)用各個(gè)光器件，這樣能夠減少硬件設(shè)備，構(gòu)成大容量的光交換機(jī)。該技術(shù)組成的通信技術(shù)網(wǎng)由時(shí)分型交換模塊和空分型交換模塊構(gòu)成。它所采用的空分交換模塊與上述的空分光交換功能塊完全相同，而在時(shí)分型光交換模塊中則需要有光存儲(chǔ)器(如光纖延遲存儲(chǔ)器、雙穩(wěn)態(tài)激光二極管存儲(chǔ)器)和光選通器(如定向復(fù)合型陣列開關(guān))以進(jìn)行相應(yīng)的交換。(13)無源光網(wǎng)技術(shù)(PON)。無源光網(wǎng)技術(shù)多用于接入網(wǎng)部分。它以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式為光線路終端(OLT)和光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)提供光傳輸媒質(zhì)，而這又必須使用多址接入技術(shù)。目前使用的多址接入技術(shù)有時(shí)分多址接入(TDMA)、波分復(fù)用(WDM)、副載波多址接入(SCMA)三種方式；PON中使用的無源光器件有光纖光纜、光纖接頭、光連接器、光分路器、波分復(fù)用器和光衰減器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用總線狀、星狀、樹狀等多種結(jié)構(gòu)。6.5.3全光通信網(wǎng)1．全光通信網(wǎng)的組成

隨著信息社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)通信容量的需求急劇增長(zhǎng)，這促使通信網(wǎng)的兩大主要組成部分—傳輸和交換都在不斷地發(fā)展和革新。在傳輸方面，實(shí)現(xiàn)了光纖化，特別是波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的成熟極大地提高了傳輸系統(tǒng)的容量，這給通信網(wǎng)中的電交換帶來了巨大的壓力，因?yàn)橐筇幚淼男畔⒘吭絹碓酱?、碼速率越來越高，已接近電子速率的極限，限制了交換速率的提高。為了解決“電子瓶頸”限制問題，必須在交換系統(tǒng)中引入光子技術(shù)，從而引起全光通信的研究，提出了光傳送網(wǎng)(OTN)的概念。

所謂全光通信網(wǎng)，就是網(wǎng)中所有單元以及到達(dá)用戶節(jié)點(diǎn)的信號(hào)通道仍然保持著光的形式，即端到端的完全的光路，中間沒有電轉(zhuǎn)換的介入。數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程都在光域內(nèi)進(jìn)行，而它在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換則使用高可靠、大容量和高度靈活的光交叉連接(OXC)設(shè)備。在全光網(wǎng)絡(luò)中，由于沒有光電轉(zhuǎn)換的障礙，所以允許存在各種不同的協(xié)議和編碼形式，信息傳輸具有透明性，且無須面對(duì)電子器件處理信息速率難以提高的困難。OTN是一種以波分復(fù)用(WDM)與光信道技術(shù)為核心的新型通信網(wǎng)絡(luò)傳輸體系，它由光分插復(fù)用(OADM)、光交叉連接(OXC)、光放大(OA)等網(wǎng)元設(shè)備組成，具有超大傳輸容量、對(duì)承載信號(hào)透明性及在光層面上實(shí)現(xiàn)保護(hù)和路由選擇(波長(zhǎng)選路)功能。因此，這種光傳送網(wǎng)又稱為WDM全光通信網(wǎng)。在光網(wǎng)絡(luò)中，信息流的傳送處理過程主要在光域進(jìn)行，由波長(zhǎng)標(biāo)識(shí)的信道資源成為光層聯(lián)網(wǎng)的基本信息單元。OTN的出現(xiàn)不僅可以解決現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)中因電子器件處理能力的限制而造成的“瓶頸”問題，而且提供了一種用于管理多波長(zhǎng)、多光纖網(wǎng)絡(luò)寬帶資源的經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)手段。OTN具有吞吐量大、透明度高、兼容性好和生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將成為新一代國(guó)家、地區(qū)和城域主干傳送網(wǎng)和寬帶光接入網(wǎng)的主要升級(jí)技術(shù)，是國(guó)家信息高速公路暢通工程建設(shè)的關(guān)鍵，具有極其廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。

下圖是一個(gè)全光通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，該光網(wǎng)絡(luò)含有兩個(gè)光交叉連接器節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)光分插復(fù)用器(OADM)節(jié)點(diǎn)。建網(wǎng)的目的是演示光信號(hào)的透明傳輸并研究傳輸中可能出現(xiàn)的問題。圖中，第一個(gè)OXC節(jié)點(diǎn)交叉連接來自骨干網(wǎng)兩條WDM鏈路上的信號(hào)；第二個(gè)OXC節(jié)點(diǎn)交叉連接骨干網(wǎng)和局域網(wǎng)之間的信號(hào)，局域網(wǎng)是一個(gè)含有OADM的WDM環(huán)狀網(wǎng)。

利用波分復(fù)用技術(shù)的全光通信網(wǎng)將采用三級(jí)體系結(jié)構(gòu)。最低一級(jí)(0級(jí))是眾多單位各自擁有的局域網(wǎng)(LAN)，它們各自連接若干用戶的光終端(OT)。每個(gè)0級(jí)網(wǎng)的內(nèi)部都有一套波長(zhǎng)，但各個(gè)０級(jí)網(wǎng)也可使用同一套波長(zhǎng)，即波長(zhǎng)或頻率再用。全光網(wǎng)的中間一級(jí)(1級(jí))可看做許多城域網(wǎng)(MAN)，它們各自設(shè)置波長(zhǎng)路由器，連接若干個(gè)0級(jí)網(wǎng)。最高一級(jí)(2級(jí))可以看做全國(guó)或國(guó)際的骨干網(wǎng)，它們利用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器或交換機(jī)連接所有的1級(jí)網(wǎng)。全光網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)可以分為光網(wǎng)絡(luò)層和電網(wǎng)絡(luò)層。

光網(wǎng)絡(luò)層是光鏈路相連的部分，采用了WDM技術(shù)。一個(gè)光網(wǎng)絡(luò)能傳送幾個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)，并在網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間采用OXC，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)光信號(hào)的交叉連接。光網(wǎng)絡(luò)層通過光鏈路與寬帶網(wǎng)絡(luò)用戶接口和局域網(wǎng)(LAN)相連。光網(wǎng)絡(luò)層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是環(huán)狀、星狀、網(wǎng)孔狀等；交換方式可采用空分、時(shí)分或波分光交換。

電網(wǎng)絡(luò)層中的ADM為電子分插復(fù)用器，它能夠把高速STM-N光信號(hào)直接分插成各種PDH支路信號(hào)或作為STM-1信號(hào)的復(fù)用器，它的速率可選STM-1、STM-4或STM-16。DXC相當(dāng)于自動(dòng)數(shù)字配線架的數(shù)字交叉連接設(shè)備，它可以對(duì)各種端口速率(PDH或SDH)進(jìn)行可控的連接和再連接。所謂的交叉連接也是一種“交換功能”，如電網(wǎng)絡(luò)層中有各種電子交換，從程控交換(如PABX)、ATM交換(如視頻、數(shù)據(jù)信號(hào)的交換)到未來的某種交換(如圖像、多媒體信號(hào)的交換)。2．全光通信網(wǎng)的特點(diǎn)

全光通信網(wǎng)是通信網(wǎng)發(fā)展的目標(biāo)，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)分兩個(gè)階段完成。(1)全光傳送網(wǎng)。在點(diǎn)到點(diǎn)的光纖傳輸系統(tǒng)中，整條線路中間不需要作任何光/電和電/光的轉(zhuǎn)換，這種完全靠光波沿光纖傳播的長(zhǎng)距離傳輸，稱為發(fā)端與收端間的點(diǎn)到點(diǎn)全光傳輸。那么整個(gè)光纖通信網(wǎng)的任意用戶地點(diǎn)應(yīng)該都可以設(shè)法與任意其他用戶地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全光傳輸，這樣就組成了全光傳送網(wǎng)。(2)完整的全光傳送網(wǎng)。圖6-22所示為由骨干核心網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)組成完整的全光網(wǎng)絡(luò)，它可完成用戶間全程光傳送，以完成用戶間信息的全光傳送，并在光波段層實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、存儲(chǔ)、交換，以及多路復(fù)用/分接、進(jìn)網(wǎng)/出網(wǎng)等功能，最終完成端到端的光傳輸、交換和處理，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全光傳送網(wǎng)絡(luò)。WDM技術(shù)把信號(hào)復(fù)用方式從電信號(hào)轉(zhuǎn)移到了光信號(hào)，在光域上用波分復(fù)用的方式提高了光載波信號(hào)的傳送速率和傳送容量，它是未來全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)。而全光網(wǎng)絡(luò)則是未來信息傳送網(wǎng)的發(fā)展方向，它可以直接對(duì)高速率光信號(hào)進(jìn)行處理、交換和傳送，不僅大大簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低成本，而且實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)距離、超大容量的無中繼通信，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的透明性、