光通信的發展

大家好，歡迎大家來到光通信的世界，在這裡，你將能見到一個個打扮得多姿多彩的光通信家庭成員。也許你現在還不知道到底什麼是光通信，但是你肯定在使用光通信，比如當你打一個電話，或者當你打開瀏覽器瀏覽網頁的時候，你都已經在使用光通信了。光通信已經融入了我們每個人的生活。

光波按其波長長短，依次可分為紅外線光、可見光和紫外線光。紅外線光和紫外線光屬不可見光，它們同可見光一樣都可用來傳輸信息。

你也許會問：是不是使用不同類型的光，就可以進行不同的光通信呢？

答案確實是肯定的。光通信按光源特性的不同，可分為雷射通信和非雷射通信；

光通信按傳輸媒介的不同，可分為有線光通信和無線光通信（也叫大氣光通信）。

光通信分類

我們常用的光通信分類如下：

l 大氣雷射通信。信息以雷射束為載波，沿大氣傳播。它不需要敷設線路，設備較輕，便於機動，保密性好，傳輸信息量大，可傳輸聲音、數據、圖像等信息。大氣雷射通信易受氣候和外界環境的影響，一般用作河湖山谷、沙漠地區及海島間的視距通信。

l 光纖通信。是一種有線通信，光波沿光導纖維傳輸。光源可以是雷射器（又稱半導體雷射二極體），也可以是發光二極體。光纖通信傳輸衰減小、容量大、不受外界干擾、保密性好，可用於大容量幹線通信。

l 藍綠光通信。是一種使用波長介於藍光與綠光之間的雷射，在海水中傳輸信息的通信方式，是目前較好的一種水下通信手段。

l 紅外線通信。是利用紅外線（波長 300 ～ 0.76 微米）傳輸信息的通信方式。可傳輸語言、文字、數據、圖像等信息，適用於沿海島嶼間、近距離遙控、飛行器內部通信等。其通信容量大、保密性強、抗電磁干擾性能好，設備結構簡單，體積小、重量輕、價格低。但在大氣信道中傳輸時易受氣候影響。

l 紫外線通信。是利用紫外線（波長 0.39 ～ 60 × 10 微米）傳輸信息的通信方式。其基本原理與紅外線通信相似，與紅外線通信同屬非雷射通信。

而現在使用最多的光通信方式是光纖通信。下面就主要基於光纖通信來介紹光通信的發展了。

光通信的發展史

古代光通信

其實古代就已經有光通信了！你知道嗎？古代的光通信只是利用光進行簡單的信息傳遞，這與我們現代複雜的光通信系統有很大的區別。但是，它們本質上都是使用光信號來交換信息，所以我們將這些通信方式都統稱為光通信！

通信小故事

既然有這么多種光通信的方式，那么到底光是怎么樣把我們所需要的信息傳遞出去的呢？

我現在就給大家講講早期的比較簡單的光通信是什麼樣子的。看看我們的科學家們到底是怎么樣使用光來傳遞信息的。

讓我們一起搭乘時光飛車，回到一百多年前的1880年。就在這一年，貝爾發明了第一個光電話，這一大膽的嘗試，可以說是現代光通信的開端。他以日光為光源，大氣為傳輸媒介，傳輸距離是200米。光電話的實現如圖1所示。

圖1 貝爾電話系統

在光電話中，將弧光燈的恆定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動而得到強弱變化的反射光束，這個過程就是調製。對端收到調製後的光信號，進行解調製，還原成原始信號。這樣就實現了通信。

當然，200米的距離也太近了點。但這是科技發展的特點，都是從基礎起步，逐漸完善的。

爾光電話和烽火報警一樣，都是利用大氣作為光通道，光波傳播易受氣候的影響，在大霧天氣，它的可見度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。

1881年貝爾發表了論文《關於利用光線進行聲音的複製與產生》，但貝爾的光電話始終沒有實用化。因為貝爾的光電話有一些致命的缺陷，阻礙了它的實用化：

1.沒有可靠的、高強度的光源；

2.沒有穩定的、低損耗的傳輸媒介。

我們的電通信，是利用電流的強弱來表示信號的不同；光通信就是利用光照的強弱來表示信號的不同。用我們的信號變化來控制光照強度隨之變化，對方就收到光照強度按照一定規律變化的光，然後將收到的光進行還原，就接收到了原始的信號了。這就是光通信。

光通信的發展

貝爾真是太聰明了，發明了光電話。還有一個問題：在空氣中傳播的光不會拐彎啊，我們平常的電話都是在房子裡面的，光照不進去怎么通信呢？

這確實是大氣光通信的一個致命的缺陷，在大氣光通信受阻之後，人們將研究的重點轉入到地下光波通信的實驗，先後出現過反射波導和透鏡波導等地下通信的實驗，如圖2所示。

圖2 反射波導和透鏡波導

用專門的光反射/投射的光學玻璃通道來傳送光信號，這樣就可以實現光拐彎啦！這樣雖然解決了光的拐彎問題，但是光通道的建設成本太高，光傳輸損耗太大，還是沒有辦法大規模使用。

除了建設成本太高的問題以外，光學玻璃的損耗太大也是制約光通道通信發展的一個重要因素。直到60年代中期，優質光學玻璃的損耗仍高達1000 dB/km。

但科學家不會停止探索的步伐。1966年，英籍華人高錕（K.C.Kao，當時工作於英國標準電信研究所）博士深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴重損耗問題，發現這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質，其次是拉制光纖時工藝技術造成了芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻，他還發現一些玻璃纖維在紅外光區的損耗較小。

在高錕理論的指導下，1970年美國的康寧公司拉出了第一根損耗為20 dB/km的光纖。

低損耗光纖發明出來之後，光通信的發展進入了一個蓬勃發展的階段。

l 1977年美國在芝加哥進行了44.736 Mbit/s的現場實驗，1978年，日本開始了32.064 Mbit/s和97.728 Mbit/s的光纖通信實驗；1979年，美國AT&T和日本NTT均研製出了波長為1.35 μm的半導體雷射器。

l 日本也做出了超低損耗的光纖（損耗為0.2 dB/km，波長為1.55 μm），同時進行了多模光纖（同時允許多個方向的光線在其中傳送的光纖）1.31 μm的長波長傳輸系統的現場試驗。

到如今，光纖通信已經發展到以採用光放大器（Optical Amplifier，OA）增加中繼距離和採用波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）增加傳輸容量為特徵的第四代系統。

光放大器和波分復用的概念在這兒就不介紹了。下面我們先來講講光通信中的交換技術。

光交換技術

什麼是光交換呢？光交換是指不經過任何光/電轉換，在光域直接將輸入光信號交換到不同的輸出端。這其實就是信息交換，與我們傳統的電路交換性質是一樣的。只不過交換的媒介不同而已：光交換的媒介是光信號，而電交換的媒介是電信號。

電路交換有很多種方式，比如空分交換，時分交換，分組交換等。光交換中是不是也有這些類型呢？

光交換技術可分成光路光交換類型和分組光交換類型，前者可利用OADM、OXC等設備來實現，而後者對光部件的性能要求更高。由於目前光邏輯器件的功能還較簡單，不能完成控制部分複雜的邏輯處理功能，因此國際上現有的分組光交換單元還要由電信號來控制，即所謂的電控光交換。隨著光器件技術的發展，光交換技術的最終發展趨勢將是光控光交換。

同電交換類似，光路交換系統所涉及的技術有空分交換技術、時分交換技術、波分/頻分交換技術、碼分交換技術和複合型交換技術，其中空分交換技術包括波導空分和自由空分光交換技術。

光分組交換系統所涉及的技術主要包括：光分組交換技術，光突發交換技術，游標記分組交換技術，光子時隙路由技術等。

下面我們來簡要介紹一下光交換中常用的幾種交換技術。大家可以將這些技術與電交換中對應的技術進行比較，看看二者之間有什麼差異。

空分光交換

空分光交換（SDPS）技術就是在空間域上對光信號進行交換，其基本原理是將光交換元件組成門陣列開關，並適當控制門陣列開關，即可在任一路輸入光纖和任一輸出光纖之間構成通路。空分光交換的功能是使光信號的傳輸通路在空間上發生改變。

空分光交換的核心器件是光開關，光開關因其交換元件的不同可分為機械型、光電轉換型、複合波導型、全反射型和雷射二極體門開關等，如耦合波導型交換元件鑰酸鉀，它是一種電光材料，具有折射率隨外界電場的變化而發生變化的光學特性。以鈮酸鉀為基片，在基片上進行鈦擴散，以形成折射率逐漸增加的光波導，即光通路，再焊上電極後即可將它作為光交換元件使用。當將兩條很接近的波導進行適當的複合，通過這兩條波導的光束將發生能量交換。能量交換的強弱隨複合係數。平行波導的長度和兩波導之間的相位差變化，只要所選取的參數適當，光束就在波導上完全交錯，如果在電極上施加一定的電壓，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。

時分光交換

空分交換是空間上的交換，下面介紹的是時分交換。

時分光交換（TDPS）是以時分復用為基礎，把時間劃分為若干互不重疊的時隙，由不同的時隙建立不同的子信道，通過時隙交換網路完成話音的時隙搬移，從而實現入線和出線間話音交換的一種交換方式。

其基本原理與現行的電子程控交換中的時分交換系統完全相同，因此它能與採用全光時分多路復用方法的光傳輸系統匹配。在這種技術下，可以時分復用各個光器件，能夠減少硬體設備，構成大容量的光交換機。該技術組成的通信技術網由時分型交換模組和空分型交換模組構成。它所採用的空分交換模組與上述的空分光交換功能塊完全相同，而在時分型光交換模組中則需要有光存儲器（如光纖延遲存儲器、雙穩態雷射二極體存儲器）、光選通器（如定向複合型陣列開關）以進行相應的交換。

波分光交換

下面我們來講講波分光交換，波分光交換是光交換中特有的交換方式。

波分光交換（WDPS）充分利用光路的寬頻特性，獲得電子線路所不能實現的波分型交換網。可調波長濾波器和波長變換器是實現波分（WD）光交換的基本元件。前者的作用是從輸入的多路波分光信號中選出所需波長的光信號；後者則將可變波長濾波器選出的光信號變換為適當的波長後輸出。採用分布反饋（DFB）型和分布Bragg反射（DBR）型的半導體雷射器，可實現這兩類元件的功能。WDPS系統基本結構等效於一個N×N陣列型交換系統。它將每個輸入的光波變換成波長λ1-λN，中的一個波，用星型耦合器將這N條光波混合，再通過輸出端的可調波長濾波器，分別選出所需波長的光波，這樣就完成了N條光波的交換。也可在兩個輸出連線埠上選取波長相同的光波，以實現廣播分配型的通信。

碼分光交換

光碼分交換技術：光碼分復用（OCDMA）是一種擴頻通信技術，不同戶的信號用互成正交的不同碼序列填充，接受時只要用與傳送方相同的碼序列進行相關接受，即可恢復原用戶信息。光碼分交換的原理就是將某個正交碼上的光信號交換到另一個正交碼上，實現不同碼子之間的交換。

我們現在的移動通信網中的CDMA技術和碼分光交換的原理是一樣的。

複合光交換

還有一種“複合光交換技術”，該技術是指在一個交換網路中同時套用兩種以上的光交換方式。

設計大規模交換網路的一種方法是進行多級鏈路連線，各級內必須採用波分交換技術。然而，把多路信號分路後，接人鏈路會抵消波分復用的優點。利用波分復用技術，實現多路化鏈路的連線可解決這個問題。空分一波分複合型光交換（CTPS）系統就是複合型光交換技術的一個套用實例。在設計基於SDPS的大規模光交換網路時，交換元件容量過小將引起鏈路級數的增加，因此需要解決插入損耗、噪聲和串音等問題。儘量減少交換級數，進行複合鏈路連線是系統設計的一種有效方法。空分一波分複合型光交換系統的突出優點是：鏈路級數和交換元件數最少，結構簡單，可提供廣播型的多路連線。另一種極有前途的大容量複合型光交換系統就是時分一波分複合型光交換模組。其復用度是時分多路復用度與波分復用度的乘積，即二者復用度分別為8時，可實現64路複合型交換。若將這種交換模組用於4級鏈路連線的網路，則可構成最大終端數為4096的大容量交換網路。

光分組交換

光分組交換（OPS）技術，它以光分組作為最小的交換顆粒，數據包的格式為固定長度的光分組頭、淨荷和保護時間三部分。在交換系統的輸入接口完成光分組讀取和同步功能，同時用光纖分束器將一小部分光功率分出送入控制單元，用於完成如光分組頭識別、恢復和淨荷定位等功能。光交換矩陣為經過同步的光分組選擇路由，並解決輸出連線埠競爭。最後輸出接口通過輸出同步和再生模組，降低光分組的相位抖動，同時完成光分組頭的重寫和光分組再生。

OPS的交換過程有兩種主要形式，其一是同步的、用時隙的、分組長度是固定的。其二是異步的、不用時隙的、分組長度是可變的。目前的研究幾乎集中於固定長度的光分組，所涉及的光器件除了光插分復用器（OADM）和OXC外，還有光的微電機系統（MEMS），它們都將採用新材料和新工藝，比以前大有改進。

其實，光交換技術都是在我們現有電交換的基礎之上發展出來的。不同的是，電交換技術都是以電信號進行交換；而光交換技術都是以光信號進行交換。當然了，因為交換的信號的性質不同，所以實現交換的設備、組件就有很大的區別了。

通信發展的近十年，數據業務的業務量逐漸逼近甚至超過了傳統的語音業務，成為電信網路中發展最為迅猛的業務，銅纜由於其自身的固有缺點，逐步被淘汰。

上個世紀末，是光通信發展最為輝煌的時期，這個時期是光通信向大容量、超高速發展的時期，10G、40G、80G甚至160G的超高速率都被研製出來。

光通信研究的第二階段，重點已經從大容量、超高速轉變為實現智慧型化、自動化。自動交換光網路（ASON）就是在這個大背景下產生的。ASON網路的最大優點就是實現了以往光網路複雜、冗餘的人工連線指配，取之為簡單、便利的自動電路配置。

光網路的邊緣化也是光通信發展的另一個趨勢。長久以來，光網路都是作為整個通信體系中的最底層——傳輸層。但是，隨著通信行業的迅速發展，城域網、接入網也越來越希望引入光網路，於是，光網路的發展從核心網正在向邊緣網路發展。為了改變城域網中業務類型多、傳輸速度慢的缺點，人們開發了多業務傳輸平台（MSTP），在接入網中，光纖到戶（FTTH）也逐漸開始廣泛套用，取代了原有的雙絞線上網方式（xDLS），以謀求更大的頻寬。

現在的通信網正在從SDH網向IP網過渡，交換機也要IP化。發展光網路還要考慮IP化，PTN技術應運而生，光通信又迎來了新的發展機遇。