3.1.3　光纤通信技术

光纤通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

1．光纤通信的特点

光纤通信是以相干性和方面性极好的激光束来作为载体携带信息，并利用光纤来进行传输的通信方式。由于光纤的传光性能优异，传输带宽极大，现在已形成了以光纤通信为主，微波、卫星和电缆通信为辅的信息传输格局。

光纤通信与电缆或微波等通信方式相比，主要有两个区别，一是用很高的频率的光波作为载波；二是利用光纤作为传输介质。光纤具有传输容量大、传输损耗小、重量轻、不怕电磁干扰等一系列优点。

（1）光波的频率高

可供利用的频带极宽，尤其适合高速宽带信息的传输，在高速通信干线、宽带综合业务通信网络中，发挥着越来越大的作用。

（2）光纤传输损耗小

光纤传输损耗小，例如1.55μm光纤的损耗通常只有0.2dB。因而可以大大的增加通信无中继距离。

（3）光纤重量很轻

光纤重量很轻，直径很小，即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。

（4）光纤抗电磁干扰性能好

光纤是由电绝缘的石英材料制成的，通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损害，适合用于特殊环境。

（5）光纤泄露小，保密性好

光纤传输是限制在光纤内，光几乎不会向外辐射，因此不存在光缆中各光纤之间的信号串扰，很难被窃听，信号传输质量髙，保密性好。

（6）节约金属材料

节约金属材料，有利于资源合理使用。制造光纤的石英，在地球上的储量非常丰富。

同时光纤通信也存在着光纤的弯曲半径不宜过小，否则可能会引起较大的衰减；光纤的连接操作技术要求高，需要专用设备；光纤的分路、耦合操作较困难、烦琐等上述缺点，现已在一定程度上得到克服，它们不影响光纤通信的使用。

2．光纤传输原理以及传输特性

光纤是由两种折射率不同的玻璃材料拉制而成，其基本结构如图3-1所示。内层为纤芯，是一个透明的圆柱形介质，其作用是以极小的能量损耗传输载有信号的光信号。紧靠纤芯的外面一层称为包层，从结构上来看，它是一个空心、与纤芯同轴的圆柱形介质，其作用是保证光全反射只发生在纤芯内，使光信号封闭在纤芯中传输。

图3-1　光纤结构

3．光纤的分类

光纤分类可根据材料、波长、传输方式、纤芯的折射率分布、制造方法的不同，可将其分为多种。在这里只重点介绍按照传输方式、按光纤横截面的折射率分布、按照国际电信联盟对光纤标准的建议来分类。按照传输方式可分为多模光纤和单模光纤。

在工作波长一定的情况下，光纤中存在有多个传输方式，这种光纤称为多模光纤。多模光纤的光源为发光二极管，发出的可见光定向性较差，光以不同的角度进入纤芯。实际上，只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角，就可产生全反射，因此，存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，如图3-2所示。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合于近距离传输。

图3-2　多模光纤

如果光纤的直径减小到只有一个光的波长大小，则光纤就像一根波导那样，它可使光线沿直线传播，而不会产生多次反射。单模光纤就是按这样的原理制成的，如图3-3所示。单模光纤的纤芯很细，直径只有几微米，制造成本较高。同时，单模光纤的光源使用定向型很好的激光二极管。因此，单模光纤的损耗较小，传输距离远。

图3-3　单模光纤

单模光纤的带宽一般都在几十　GHz以上，比多模光纤大的多，纤芯直径很小（约为8～10μm），包层直径依然为125μm。

4．光纤通信系统的基本组成

在光纤通信系统中，一般由光发射机、光纤线路、光接收机3个部分组成。

（1）光发射机

光发射机其作用是将电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光纤通信中最常用的光源器件是半导体激光LD和发光二极管LED。这两种器件的发射波长与光纤的低损耗或低色散波长相一致，并能在室温下连续工作，输出功率满足光纤通信系统的要求，它们的谱线宽度可以做到较窄，以减少光纤中色散的影响。此外，它们还具有体积小，重量轻、使用寿命长，与光纤耦合效率高、调制简便等一系列优点。

按调制方式与光源的关系来分，有直接调制和外调制两种。前者指直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数（光强、频率等），得到光频的调幅波或调频波，这种调制又称内调制；后者是让光源输出的幅度与频率等恒定的光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的幅度、频率及相位等进行调制，光源直接调制的优点是简单，但调制速率受到激光线的频率特性所限制。外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，尤其适合于高速率下运用。

（2）光纤线路

光纤线路的功能就是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。

（3）光接收机

在光纤通信系统中，光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。

光发射机发射的光信号经传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了，光接收机的作用就是检测经过传输的微弱光信号，并放大、整形、再生成原传输信号。

光电检测器是光接收机的关键部件，光纤通信中最常用的光电检测器是PD光电二极管、PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。检测方式有直接检测和外差检测两种。其中，直接检测是用检测器把光信号转换成电信号。这种检测方式设备简单、经济实用，是当前光纤通信系统普遍采用的方式。而外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换成电信号。外差检测方式的难点是需要频率非常稳定、相位和偏振方向可控制、频线宽度很窄的单模激光源，优点是有很高的接收灵敏度。目前，光纤通信系统普遍采用直接调制-直接检测方式。外调制-外差检测方式虽然技术复杂，但是传输速率和接收灵敏度很高，是比较有发展前途的通信方式。

5．光纤接入网技术

近年来，以互联网为代表的新技术革命正在深刻地改变传统的电信概念和体系结构，随着各国接入网市场的逐渐开放，电信管制政策的放松，竞争的日益加剧和扩大，新业务需求的迅速出现，有线技术（包括光纤技术）和无线技术的发展，接入网开始成为人们关注的焦点。在巨大的市场潜力驱动下，产生了各种各样的接入网技术。光纤通信具有通信容量大、质量高、性能稳定、防电磁干扰、保密性强等优点。在干线通信中，光纤扮演着重要角色，在接入网中，光纤接入也将成为发展的重点。光纤接入网是发展宽带接入的长远解决方案。

光纤接入网（OAN），是指用光纤作为主要的传输媒质，实现接入网的信息传送功能。通过光线路终端（OLT）与业务节点相连，通过光网络单元（ONU）与用户连接。光纤接入网包括远端设备——光网络单元和局端设备——光线路终端，它们通过传输设备相连。系统的主要组成部分是OLT和远端ONU。它们在整个接入网中完成从业务节点接口（SNI）到用户网络接口（UNI）间有关信令协议的转换。接入设备本身还具有组网能力，可以组成多种形式的网络拓扑结构。同时接入设备还具有本地维护和远程集中监控功能，通过透明的光传输形成一个维护管理网，并通过相应的网管协议纳入网管中心统一管理。

OLT的作用是为接入网提供与本地交换机之间的接口，并通过光传输与用户端的光网络单元通信。它将交换机的交换功能与用户接入完全隔开。光线路终端提供对自身和用户端的维护和监控，它可以直接与本地交换机一起放置在交换局端，也可以设置在远端。

ONU的作用是为接入网提供用户侧的接口。它可以接入多种用户终端，同时具有光电转换功能以及相应的维护和监控功能。ONU的主要功能是终结来自OLT的光纤，处理光信号并为多个小企业，事业用户和居民住宅用户提供业务接口。ONU的网络端是光接口，而其用户端是电接口。因此ONU具有光/电和电/光转换功能，它还具有对话音的数/模和模/数转换功能。ONU通常放在距离用户较近的地方，其位置具有很大的灵活性。

6．光同步数字传输网

随着信息社会的到来，人们希望现代电信传输网络能够快速、经济、有效地提供各种电路和业务，但由于准同步数字系列（Plesiochronous Digital Hierarchy）存在的固有缺陷（标准不统一、复用结构复杂、缺乏强大的网络管理功能），提出了一种全新的体制，即在准同步数字系列PDH的基础上又发展了同步数字系列SDH（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）。

同步数字系列SDH是一种基于光纤的载波传输网络，它源于美国贝尔通信研究所提出的，采用了一整套分等级的校准数字传递结构组成的同步光纤网络（SONET），其实SDH与SONET没什么本质区别，SONET术语用于北美，而SDH用于世界其他大多数地区。SDH技术是一种不仅适用于光纤也适用于微波和卫星传输的通用技术体制，是一种较新的技术体制。它可实现网络有效管理、实时业务监控、动态网络维护、不同厂商设备间的互通等多项功能，能大大提高网络资源利用率、降低管理及维护费用、实现灵活可靠和高效的网络运行与维护。由于SDH网络的引入和使用，能容易地实现高智能的、高效的、维护功能齐全的、操作运行廉价的信息高速公路，因此SDH网络能在推出后的短时间内得到极为迅猛的发展，受到人们的广泛重视。

目前常用的SDH数据传输率如表3-2所示。

表3-2　SDH数据传输率列表

SDH能够得到迅速的发展，与它自身的特点是分不开的，其具体特点如下。

·SDH网络具有统一的帧结构，并使用网管系统进行互联，具有好的兼容性。

·采用标准的开放的光接口，使其与基本的光缆兼容，节省了网络成本，并定义了一系列光接口详细参数及其测量方法。

·采用了分插复用器（ADM）、数字交叉连接器（DXC）等先进技术，使网络具有强大的自愈功能和重组功能。

·严格采用同步技术，有效地减小了误码，保证了整个网络稳定可靠性，且便于复用和调整。

·SDH接入系统的不同等级的码流在帧结构净负荷区内的排列非常有规律，而净负荷与网络是同步的，它利用软件能将高速信号一次直接分插出低速支路信号，实现了一次复用的特性，克服了PDH准同步复用方式对全部高速信号进行逐级分解然后再生复用的过程，由于大大简化了DXC，减少了背靠背的接口复用设备，改善了网络的业务传送透明性。

·SDH网络具有灵活的网络拓扑结构，能增强网络监控、运行管理和自动配置的功能，从而有效优化了网络的性能，使网络具有灵活、安全、可靠等特性。

鉴于SDH网络的诸多特点，它在广域网和专用网领域都得到了很大的发展。在广域网领域，如电信、移动等电信运营商都建设了大规模的基于SDH的骨干光传输网络，利用大容量的SDH环路承载IP业务、ATM业务或直接以租用电路的方式出租给各种单位；在专用网领域，也广泛采用了SDH技术，架设专用领域内部的SDH光环路来承载各种业务。如电力系统，就利用SDH环路承载内部的数据、远控、视频、语音等业务。

对于组网更加迫切而又没有可能架设专用SDH环路的单位，很多都采用了租用电信运营商电路的方式。由于SDH基于物理层的特点，单位可在租用电路上承载各种业务而不受传输的限制。承载方式有很多种，可以是利用基于TDM技术的综合复用设备实现多业务的复用，也可以利用基于IP的设备实现多业务的分组交换。SDH技术可真正实现租用电路的带宽保证，在安全性方面，也优于VPN等方式。在政府机关和对安全性非常注重的企业，SDH租用线路得到了广泛的应用。一般来说，SDH可提供E1、E3、STM-1或STM-4等接口，完全可以满足各种带宽要求。同时在价格方面，也能为大部分单位所接受。

目前，SDH技术以其明显的优越性已发展成为传输网的主流。当然，要得到广泛的应用，还必须与其他一些先进的技术结合使用才能得到更广阔的发展空，如SDH技术与WDM、ATM技术、Internet技术（IP over SDH）等的合理结合，使得SDH网络的作用越来越大。

7．光纤通信中的复用技术

光纤通信中的复用技术在光纤通信中占有重要的地位，其中包括光波波分复用、光频分复用、空分复用、时分复用和副载波复用几种。

（1）光波分复用

在发送端，用光复用器将两种或多种不同波长的光载波信号汇合起来，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输；在接收端经光分波器将各种波长的光载波进行分离，然后由光接收机做进一步处理以恢复原信号。这就是波分复用。

（2）光频分复用

频分复用和波分复用在本质上没有什么差别。若在同一根光纤中传输的光载波路数不多，载波间的间距较大，称为光波分复用。若光载波路数较多，波长间隔较小而又密集，就是频分复用。频分复用可以使通信容量几十，甚至几百倍的提高。

（3）光空分复用

光空分复用包括两个方面：一是光纤的复用，将多根光纤组合成束；二是在一根光纤中光束沿空间分割的一种多维通信方式。可以使用多维相干度调制和解调来实现多路空分复用通信。

（4）光时分复用

光时分复用是光数字通信中的一种有效多路方法。它是将通信时间分成相等的间隔，把这些间隔分配给每一个信号源使用，各个信号源按照一定的时间顺序进行占用信道传输。

（5）副载波复用

副载波复用是将所要传输的信号先用来调制一个射频波，再将射频波来调制发射光源。在接收端经光电转换后恢复带有信号的射频波，再通过射频检测还原成原信号。副载波光纤传输要经过两次调制和两次解调，两重载波分别是光波和射频波，射频波也称为副载波。副载波多路系统也是通过增加频带宽度来实现多路传输，工作带宽随着负载波的频率和频道数目的增加而增加。其优点是可以采用成熟的微波技术，对光器件的要求也不高，在技术上容易实现。