光纖網是利用光導纖維傳輸光波信號的通信網路方式。光導纖維簡稱為光纖，是一種傳輸光波信號的介質。
基本介紹
- 中文名：光纖網
- 外文名：Optical Fiber Network
- 類別：網路
- 別名：信息高速公路
- 套用：網際網路
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通信網路的發展歷史悠久，目的是將信息從一個地方傳送到另一個地方，不管這兩個地方相隔距離有多遠。近代通信網路通常採用頻率從幾兆赫（MHz）到幾百太赫（THz）的電磁波來攜帶信息，根據使用的電磁波範圍，可將通信技術分為電通信和光通信兩類。電通信使用的電磁波頻率較低，通常分為有線通信和無線通信，是兩種相當成熟的通信技術；光通信技術則是當地通信技術發展的最新成就，使用較高的光波頻率，因而極大的擴展了現代通信的性能。
光纖網是利用光導纖維傳輸光波信號的通信網路方式。光導纖維簡稱為光纖，是一種傳輸光波信號的介質。
下圖一為光纜中的光纖：
光纖網的發展歷史
光進行通信並不是一個新概念，我國古代使用的烽火台就是大氣光通信的最好例子。那時候，大部分文明社會已經使用煙火信號傳遞單個信息，後來的旗語、燈光甚至交通紅綠燈等均可劃入光通信的範疇，但可惜它們所能傳遞的距離和信息量都十分有限。近代光通信的雛形可以追溯到1880年Bell發明的光電話，他用陽光作為光源，硒晶體作為光接受檢測器件，通過200m的大氣空間成功的傳送了語音信號。雖然在以後的幾十年中，科技工作者對Bell的光電話具有濃厚的興趣，但由於缺乏合適的光源及光在大氣中傳輸的嚴重衰減性，這種大氣通信光電話未能像其他通信方式那樣得到發展。
19世紀30年代電報的出現用電取代了光，開始了電信時代。1876年電話的發明引起了通信技術本質的變化，電信號通過連續變化的電流的模擬方式傳送，這種模擬電通信技支配了通信系統達100年之久。
20世紀後半葉人們開始認識到，如果用光波作載波，通信網路的容量可能增加幾個數量級。然而當時發展光通信技術存在兩個難以攻克的難題：第一個難題是無法找到適合光通信的低損耗傳輸介質，第二個難題是無合適的相干光源，使得光通信技術發展停滯不前。
1966年7月是光纖通信發展歷史中的一個里程碑，英籍華人高錕博士在Proc.IEE雜誌上發表了一片十分著名的論文《用於光頻的光纖表面波導》，該文從理論上分析證明了用光纖作為傳輸介質以實現光通信的可能性，設計了通信用光纖的波導結構，更重要的是，他科學的預言了製造通信用低損耗光纖，即通過加強原材料提純、加入適當的摻雜劑，可把光纖的衰減係數降低到20Db/km以下。
20世紀60年代雷射技術的發明解決了第二個問題。隨後，人們的注意力集中到尋找用雷射進行通信的途徑。1970年，美國貝爾實驗室研製出世界上第一隻在室溫下連續工作的砷化鉀（GaAs）半導體雷射器，為光纖通信找到了合適的光源器件。
小型光源和低損耗光纖的同時問世，在全世界範圍內掀起了發展光纖通信的高潮。
光纖網的特點：
1、 通信容量大：從理論上將，一根僅有頭髮絲粗細的光纖可以傳輸100億話路。雖然目前遠未達到如此高的傳輸容量，但用一根光纖同時傳輸50萬話路（40Gb/s）的試驗已經取得成功，它比傳統的同軸電纜、微波等要高出幾千乃至幾十萬以上。一根光纖的傳輸容量如此巨大，而一根光纜中可以包括幾十、幾百根光纖，其通信容量就更加驚人了。
2、 中繼距離遠：由於光纖具有極低的衰減係數(目前達0.25dB/km以下)，若配以適當的光發射、光接收設備，可使中繼距離達100km以上，比同軸電纜大幾十倍。如果採用光放大器實現線上光放大，可以實現數萬千米的光波信號的傳輸。即使超高速光纖系統也能實現數千千米的光纖通信。如2007年10月，在德國召開的歐洲光通信會議(Europe Conference Optical Communications, ECOC)上，阿爾卡特朗訊研創中心公布的最新研究成果，利用密集波分復用技術在單根光纖上成功地實現了12.8Tb/s (160×80Gb/s)，這樣的超高速系統實現了2550km的長途傳輸試驗。
3、 抗電磁干擾，無串話：光纖是非金屬的光導纖維，即使工作在強電磁場附近或處於核爆炸後強大的電磁干擾的環境中，光纖也不會產生感應電壓和感應電流。這有利於傳送動態圖像(如可視電話和電視節目)，靠近高壓輸電線和與電氣化鐵道並行敷設，通信也不受干擾，適於在工廠內部的自動控制和監視系統套用，也有利於在多雷地區、飛機上以及保密性要求強的軍政單位使用。由於光信號被限制在光纖內傳輸，不會逸出光纖，所以光纜內光纖之間不會“串話”，即沒有纖間串擾，不易被竊聽。
4、 體積小、重量輕：光纖直徑一般只有幾微米到幾十微米，相同容量話路光纜，要比電纜輕90%～95%(光纜的質量僅為電纜的1/10～1/20)，直徑不到電纜的1/5，故運輸和敷設均比銅線電纜方便。光纖可以用於軍用飛機的信號控制，也可以套用於航天領域。
5、 原材料豐富，節約有色金屬：光纖的纖芯和包層的主要原料是二氧化矽，資源豐富且價格便宜，取之不盡。而電纜所需的銅、鋁礦產則是有限的，採用光纖後可節省大量的銅材。
光纖還具有易於均衡、抗腐蝕、不怕潮濕的優點，因而經濟效益非常顯著。
光纖網的套用：
人類社會現在已經發展到了信息社會，聲音、圖像和數據等信息的交流量非常大，而光纖通信正以其容量大、保密性好、體積小、質量輕、中繼距離長等優點得到廣泛套用。它的套用不僅僅在電信傳輸的領域，其套用領域遍及通信、交通、工業、醫療、教育、航空航天、計算機等行業，並正在向更廣更深的層次發展。光纖網可以分成三個層次： 一是遠距離的長途幹線網；二是由一個大城市中的很多光纖用戶組成城域網；三是區域網路，比如一個單位、一個大樓、一個家庭組成的網路。光纖通信的套用主要體現在以下幾個方面：
(1) 光纖在公用電信網間作為傳輸線
(2) 滿足不同網路層面的套用
(3) 光纖寬頻綜合業務數字網及光纖用戶線
(4) 作為危險環境下的通信線
(5) 套用於專網
光纖網的組成：
光纖通信的基本思想十分簡單，下圖二所示。輸入信號調製光源產生光信號，經過光纖傳輸到達接收機，然後解碼獲得信息。
圖二：
一個最簡單的光纖網也是由電發射機、光發射機、光接收機、電接收機和由光纖構成的光纜等組成，下圖三所示，實際的光纖通信系統要比這複雜得多。
圖三：
將電發射機輸出的調製信號送入光發射機，光發射機主要有驅動電路和光源，其作用是把電發射機輸入的電信號對光源進行調製，使光源產生出與電信號相對應的光信號進入光纖。由光纖構成的光纜實現光信號的傳輸。光信號傳輸結束後，通過光纖到達光接收機，光接收機主要由光電檢測器、放大電路等組成。光信號進入光接收機後，光電檢測器把光信號轉換為相應的電信號，經過放大和信號處理後進入電接收機。即使是最簡單的光纖通信系統也包括了發射機和接收機以及光纖。
如上所述的光纖通信系統雖然簡單，但是在工程上也有廣泛的套用。它可以構成廣播系統、行動電話系統、區域網路系統等。
圖四：
光纖網的發展趨勢：
1、時分復用(TDM)方式向超高速系統發展：
從過去二十多年的電信發展看，網路容量的需求和傳輸速率的提高一直是一對主要矛盾。傳統光纖通信的發展始終按照電的時分復用(TDM)方式進行，每當傳輸速率提高4倍，傳輸每比特的成本大約下降30%～40%，因而高比特率系統的經濟效益大致按指數規律增長。
高速光纖通信系統能夠提高經濟效益，光纖通信系統向著超高速方向發展也就是必然的發展趨勢。隨著技術的發展，電子瓶頸被一個個攻克，商用光纖通信系統傳輸碼速率最初為44.736Mb/s，經過多年的逐步發展，碼速率不斷提高，現在碼速率為2.5Gb/s的高速系統、碼速率為10Gb/s的高速系統已經實驗成功，已被大量裝備到光纖通信網路。
採用外調製技術、色散補償技術和放大自發輻射(ASE)濾波等技術，碼速率可以達到40Gb/s，目前可靠且無誤碼地傳輸40Gb/s信號乃至40Gb/s以上的信號的技術已經實驗成功，已經成為了商用系統。
目前已經實現了在單根光纖上傳輸80Gb/s光波信號的實驗，隨著技術的發展，不久的將來該技術就會投入商用。目前100Gb/s以上的超高速系統正在實驗過程中，超高速系統發展仍然是行業的未來發展方向。
2、波分復用(WDM)方式向密集化方向發展：
採用電的時分復用(TDM)方式的擴容潛力已經接近極限，然而光纖的頻寬資源僅僅利用了不到1%，還有99%的資源尚待發掘。如果將多個不同波長的光源信號同時在一根光纖上傳送，則可大大增加光纖的信息傳輸容量，這就是波分復用(WDM)的基本思路。
採用波分復用系統的主要好處是: ①可以充分利用光纖的巨大頻寬資源，使容量可以迅速擴大幾倍至上百倍； ②在大容量長途傳輸時可以節約大量光纖和再生器，從而大大降低傳輸成本； ③與信號速率及電調製方式無關，是引入寬頻新業務的方便手段； ④利用WDM網路實現交換和恢復，可望實現未來透明的、具有高度生存性的光聯網。
按照ITU-T建議的WDM系統的技術規範，目前廣泛從標準中心頻率為196.10～192.10THz(波長為1528.77～1560.61nm)，信道間隔25GHz，可配置160個信道。考慮到多通道WDM受EDFA的可用頻寬和窄帶光濾器成本等各種技術上和經濟上的限制，目前的實用水平廣泛使用16波、32波、40波、64波、80波的系統，最高可達160波，構成的系統有32×2.5Gb/s、40×10Gb/s、80×10Gb/s，目前160×80Gb/s的實驗系統也已經研製成功。在實驗室里的研究水平還要高，更高水平光波系統也在不斷地投入商用。
3、新型光纖不斷發展：
光纖是構築新一代網路的物理基礎。傳統的G.652單模光纖在適應上述超高速長距離傳輸網路的發展方面已暴露出力不從心的態勢，開發新型光纖已成為開發下一代網路基礎設施工作的重要組成部分。
為了適應幹線網和城域網的不同發展需要，非零色散光纖(G.655光纖)已經廣泛地套用於WDM光纖通信網路。非零色散光纖(G.655光纖) 在1550nm附近的工作波長區呈現一定大小的色散值，足以壓制四波混合和交叉相位調製等非線性影響，同時滿足TDM和DWDM兩種發展方向的需要。
全波光纖(無水吸收峰光纖)也在不斷的開發與套用。所謂全波光纖是設法消除1385nm附近的水吸收峰，使光纖的可用頻譜大大擴展，用來滿足城域網面臨複雜多變的業務環境。目前光纖通信提高最大傳輸量的方法主要有兩種: 一種是提高傳輸碼速率，另一種是增加傳輸的光波的數量。因為有效地使業務量進出光纖是網路設計至關重要的因素，採用具有數百個復用波長的DWDM技術將是一項很有前途的解決方案。因此開發具有儘可能寬的可用波段的光纖已成為關鍵，全波光纖就是在這種形勢下誕生的。
使用全波光纖可以把波長擴展到1260～1675nm，共有415nm寬度。當前各國光纖通信大都運用在C(1530～1565nm)與L(1565～1625nm)波段，而且僅使用其中的一小部分，還有大部分頻率未被使用。一般把這415nm寬度劃分成O、E、S、C、L、U六個波段，如果在波長擴展的單模光纖的工作波長範圍1260～1675nm的6個波段上，可以套用的波長範圍達到415nm，按照波長間隔為50GHz(0.4nm)開通DWDM系統，允許復用的波長數可高達1000個波道以上，以目前單信道80Gb/s的速率計算，波長擴展的單模光纖的單纖通信的總容量為1000×80Gb/s以上。
隨著新光纖、新光器件和新調製方式的陸續問世，DWDM的單信道傳輸速率、復用波長數、傳輸距離的最高紀錄將會被不斷地刷新。
4、Internet技術：
目前，國內各科研單位已紛紛投入IP over WDM的研究和開發，承擔中國高速信息示範網(China Information Network, CAINONET)的各單位更把IP over WDM作為CAINONET建成以後的主要服務對象來研究。同時，CAINONET也使WDM向城域網和企業網更走近了一大步，它會向電信運營商展示其無與倫比的魅力，使電信運營商更多地考慮在最短的時間內將WDM技術套用於城域網和企業網中。
5、光纖用戶接入網技術的發展：
接入網是信息高速公路的最後1公里。以銅線組成的接入網成為寬頻信號傳輸的瓶頸。為適應通信發展的需要，我國正在加緊改造和建設接入網，逐漸用光纖取代銅線，將光纖向家庭延伸。實現寬頻接入網有各種不同的解決方案，其中光纖接入是最能適應未來發展的解決方案。
所謂光纖用戶接入網(OFSAN)是以光纖作為傳輸介質、以光作為信息載體的一類用戶接入網路。OFSAN的特點是規模龐大、技術複雜、需要的投資巨大，世界各國光纖用戶網的開發相差甚遠。OFSAN是當前先進國家開發與建設的熱點之一。OFSAN的建設是與幹線傳輸網、交換網一起構成全光網路的必要條件。
6、光纖用戶接入網的巨大優越性：
OFSAN與其他用戶接入網相比，有下述優越性。
(1) 巨大頻寬 由於光纖的巨大頻寬潛力(通常至少可達Tb/s數量級)，使光纖用戶接入網具有驚人的容量，可實現寬頻互動式多媒體信息的高質量傳輸，從而消除了通常用戶接入網的瓶頸效應；服務信息種類繁多，OFSAN將會從單一的傳統電話服務(POTS)發展到寬頻綜合服務信息服務，包括各類資料、電話、圖像等寬頻互動式多媒體信息。
(2) 安全保密 OFSAN安全可靠，保密性強，目前還沒有適當的手段竊聽光纜中傳輸信息。
(3) 具有可擴展性 通過波分復用技術，可成倍增加使用的頻寬而不必更換光纜線路。
(4) 傳輸距離長 網路覆蓋的範圍比較大，與其他類型接入網相比，網路傳輸信息的距離比較長。
(5) 通信協定相同 可採用與幹線網路一樣的光纖技術和通信協定。
因此因地制宜地發展寬頻接入網，最終實現光纖到家庭，是接入網的發展方向。
7、新一代光網路：
傳統的光傳送網僅提供原始的頻寬，缺乏上層業務所要求的智慧型性。頻寬的提供大部分採用靜態配置的固定光鏈路連線模式，無法根據業務的波動和網路拓撲的實時變化進行動態的資源分配。並且這種靜態配置方式必須通過手工操作完成，不僅速度慢、效率低，還缺乏相應的適應網路拓撲結構變化的可擴展性，也不能適應數據業務的發展及其所固有的隨機性和突發性，需要從根本上對網路的整體設計、組網方式、網路控制和管理進行全面徹底的調整和革新。
由此推動了一種新型的網路體系，這就是自動交換傳送網(ASTN)。其中以OTN 為基礎的ASTN又稱自動交換光網路(Automatic Switched Optical Network, ASON)，是近代光傳送網技術的重大突破，其核心在於引入了控制技術，實現了自動交換。
8、新型器件高新技術的套用和全光通信網路：
由於科學技術日新月異、新型器件不斷研發成功、各種高新技術不斷被研究出來，並且逐步被套用於光纖通信中，必將進一步提高光纖通信的容量。
近年來新技術和新型器件的發展使全光通信網路逐步成為現實。這些技術包括光放大技術、色散補償技術、光交換技術、光互連技術、光處理技術等，以上技術的實現依靠近些年來光電子器件的迅速發展。因此必將帶動光纖通信商用系統水平的提高，全光通信網路成為發展的必然趨勢。
我國的光纖網：
光纖通信技術目前已經成為了我國科技領域的重要研發方向，其技術設備水平在不斷的進步中。下面從光纖通信技術的全局出發，結合信息科技領域的技術發展方向，對光纖通信的未來發展趨勢進行深入分析。
1、光網路智慧型化：
作為信息技術的兩大載體，計算機技術和通信技術對人們生活的影響十分重大，在提倡智慧型化的現代社會，實現光纖通信技術的智慧型化是科技工作者一直致力研發的方向。在通信技術中接入智慧型化載體的計算機技術，促使通信技術向智慧型化的方向進步。 現代光網路系統在完成傳輸功能的同時，光網路智慧型化能夠賦予其自動發現功能，連續控制功能和自我保護和恢復功能。未來，實現更高級高效的光網路智慧型化是光纖通信系統的重點研發防線之一。
2、全光網路：
光纖通信技術的最高發展階段就是實現全光網路，這是光纖技術的最理想化實現形式。全光網路是光纖通信系統技術進步和革新的終極發展目標，未來的通信網路將會進入全光的階段。
3.3 光器件集成化：
光器件集成化是光電子器件發展一直追求和實現的目標，將雷射器、檢測器、調製器等分散的晶片集成到一個晶片中，是實現光器件集成化的目標。光器件的集成化對全光網路的實現非常重要，是其核心技術之一。
