《光纤通信概论》的读书报告
摘要：光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。光纤通信以其带宽、大容量、低损耗、抗电磁干扰、体积小、重量轻等一系列优点，成为现代通信的主要支柱之一。范围很广：军事，经济，生活，铁路，公路，煤矿，铁矿，广电，移动，电信等领域。几乎所用跟通信有关的都涉及到了光纤。
关键词：光纤通信技术 发展现状 发展趋势
光纤通信是通信技术领域中的一个伟大的技术革命。信息在光域上的传输、存储、交换技术的突破，为构建起全球光网络奠定了物质基础。麦克斯韦早已揭示通信世界的巨大资源是电磁波谱。通信技术的技术演进史，既说明了通信技术利用电磁波谱（频率范围）经历了由低频率到高频率端的发展，也阑述了人类对带宽资源需求日益提高。各种通信技术的陆续诞生，充分证实人们在用各种方法利用电磁波谱创造巨大的财富。
光纤通信发展可以大致分为三个阶段：第一阶段是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第三阶段是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。
1.光纤通信的里程碑 1966年7月，英籍华裔学者高锟博士在Proc.IEE杂志上发表了一篇10分著名的论文《用于光频的光纤表面波导》，该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，设计了通信用光纤的波导结构，更重要的是科学地予言了制造通信用低损耗光纤的可能性，即通过加强原材料提纯、加入适当的掺杂剂，可把光纤的衰减系数降低到20dB/km以下。而当时世界上只能制造用于工业、医学方面的光纤，其衰减系数在1000dB/km以上。在当时，对于制造衰减系数在20dB/km以下的光纤，被认为是可望而不可及的。 以后的事实发展雄辩地证明了高锟博士论文的理论性和科学大胆予言的正确性，所以该文被誉为光纤通信的里程碑。
2.导火线 1970年美国康宁公司根据高锟论文的设想，用改进型化学汽相沉积法（MCVD法）制造出当时世界上第一根超低损耗光纤，成为光纤通信爆炸性发展的导火线。 虽然当时康宁公司制造出的光纤只有几米长，衰减系数约20dB/km，但它毕竟证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用超低损耗光纤的可能性，也就是说找到了实现低衰耗传输光波的理想媒体，这是光纤通信的重大实质性突破。
3.爆炸性发展
自1970年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，其来势之凶、规模之大、速度之快远远超出了人们的意料，从而使光纤通信技术取得了极其惊人的进展。 (1)光纤损耗1976年：0.5dB/km； 1979年：0.2dB/km； 1990年：0.14dB/km； 它已经接近石英光纤的理论损耗极限值0.1dB/km。
(2)光器件 1970年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的寿命达几十万小时分布反馈式单纵模激光器（DFB）以及多量子阱激光器（MQW）。光接收器件也从简单的硅PD光电二极管发展到量子效率达90％以上的Ⅲ-Ⅴ族雪崩光电二极管APD。
(3)光纤通信系统 正是光纤制造技术和光电器件制造技术的飞速发展，以及大规模、超大规模集成电路技术和微处理器技术的发展，带动了光纤通信系统从小容量到大容量、从短距离到长距离、从旧体制（PDH）到新体制（SDH）的迅猛发展。1976年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统，码速率仅为45Mbit/s，中继距离为10km。 1985年，140Mbit/s多模光纤通信系统商用化，并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。 1990年，565Mbit/s单模光纤通信系统迅速进入商用化阶段，并着手进行零色散移位光纤、波分复用及相干光通信的现场试验，而且已经陆续制订了同步数字体系（SDH）的技术标准。 1993年，622Mbit/s的SDH产品进入商用化。 1995年，2.5Gbit/s的SDH产品进入商用化。 1998年，10Gbit/s的SDH产品进入商用化；同年，以2.5Gbit/s 为基群、总容量为20Gbit/s和40Gbit/s的密集波分复用系统DWDM进入商用化。 2000年，以10Gbit/s 为基群、总容量为320Gbit/s 的DWDM系统进入商用化。 此外，在智能光网络ION、光分插复用器OADM、光交叉连接设备OXC等方面也正在取得巨大进展。 总之，从1970年到现在虽然只有短短三十年的时间，但光纤通信技术却取得了极其惊人的进展。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信，这一百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。然而就目前的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的2％左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发利用。因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高阶段方向发展。
光纤通信之所以受到人们的极大重视，这是因为和其它通信手段相比，具有无以伦比的优越性。
1.通信容量大
从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输100亿个话路。虽然目前远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输50万个话路（40Gbit/s）的试验已经取得成功，它比传统的同轴电缆、微波等要高出几千乃至几十万倍以上。 一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根直至上千根光纤，如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几十根、几百根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。
2.中继距离长
由于光纤具有极低的衰减系数（目前已达0.25dB/km以下），若配以适当的光发射、光接收设备以及光放大器，可使其中继距离达数百公里以上甚至数千公里。这是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。
3.保密性能好
光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄漏”出去，因此其保密性能极好。
4.适应能力强
适应能力强是指它不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀、可挠性强（弯曲半径大于250毫米时其性能不受影响）等。
5.体积小、重量轻、便于施工和维护
光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底或架空敷设。
6.原材料来源丰富，潜在价格低廉
制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的，因此其潜在价格是十分低廉的。
目前光纤通信在众多领域都有应用。如：通信网、构成因特网的计算机局域网和广域网、有线电视网的干线和分配网、综合业务光纤接入网。应用于电力系统的监视、控制和管理由于使用了光纤，不受强电磁干扰，不仅信息传输量增大，而且工作更加可靠。
要想更加细致地了解光纤通信，就要了解光线的结构和各种光器件的功能和结构。 光纤是由中心的纤芯和外围包层同轴组成圆柱形细丝。纤芯折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光传输提供反射面和光隔离，并起一定机械保护作用。光纤种类很多，本学期我们学习了作为信息传输波导用的油高纯度石英制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，第一：突变型多模光纤。第二：渐变型多模光纤。第三：单模光纤。相对于单模光纤而言，突变型和渐变型光纤芯直径都很大，可容纳数百个模式，故称为多模光纤。
在本学期中我们学习的光通信用的光器件可分为有源器件和无源器件两类。有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定基本光纤传输系统水平。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等，这些器件对光纤通信系统构成、功能扩展和性能提高都是不可缺少的。光源是光发射机关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用光源主要有半导体激光二极管或称激光器和发光二极管，有些场合也使用固体激光器。一个完整光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统构成、功能扩展或性能提高都是不可缺少的。虽然对各种器件的特性有不同的要求，但普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜，许多器件还要求便于集成。
光纤和各种光器件一起组成一个光纤通信系统。为了满足实际业务的需求和发展，不同的系统具有不同的功能。
光纤大容量数字传输目前用同步时分复用(TDM)技术，复用又分为若干等级，因而先后有两种传输体制：准同步(PDH)和同步数字系列(SDH)。PDH早在1976年就实现了标准化，目前还大量使用。随光纤通信技和网络发展，PDH遇到了许多困难。SDH解决了PDH存在问题，是一种比较完善的传输体制，已得到大量应用。
组网光器件
光纤具有巨大的宽带资源。为了充分利用光纤中蕴藏的巨大的带宽资源，人们开发利用出了一种用波分复用光器件实现光波长的复用技术。所谓波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技术是在一根光纤中同时传输几十至数百个光波长的技术，波分复用系统的组成，N个输入光（信号）波长经过合波器耦合后，注入光纤传输，再由光放大器补偿光信号传输损耗，进行长距离传输到达输出端的分波器，分解为N个输入光（信号）波长，送入各个通信终端设备。
WDM技术的主要特点如下：
1、充分利用光纤的巨大资源；
2、规避了高速光器件限制；
3、可以同时承载多种业务；
4、节约大量的线路投资；
5、网络的灵活组网和高度的生存性。
因此，在光纤通信中WDM技术是继EDFA之后的又一次重大技术革命。EDFA实现了长距离乃至全光传输，二WDM技术则使系统的容量得以几十乃至上百倍的提高。
按照波长选择机理不同，波分复用器可以分为耦合型波分复用器、衍射型波分复用器、干涉型波分复用器3大类多种型号。
耦合（熔锥）型波分复用器是利用耦合功率对波长具有选择性进行波长选择。常用的耦合（熔锥）型波分复用器是光纤熔锥耦合器。光纤衍射型波分复用器利用一个角色散元件（如一个衍射光栅）使入射的光信号在空间分离成多个不同波长的光。常用的光纤衍射型波分复用器有阵列波导光栅波分复用器和衍射光栅波分复用器。干涉型波分复用器则是利用光滤波器或光方向耦合器进行波长选择。常用的干涉型波分复用器是由高、低折射率重叠而成的多层介质膜波分复用器。
光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85%的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。特别是近几年，以IP为主的 Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP网络层与底层传输网络的关系， 而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。一种智能化网络体系 结构——自动交换光网络(Automatic Switched Optical Networks，ASON)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(Optical Cro-connect,OXC)设备构成,通过OXC,可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效地管理。OXC技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。随着光传送网向超高速、超大容量的方向发展#网络的生存能力、网络的保护倒换和恢复问题成为网络关键问题，而光开关在光层的保护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。
光开关(Optical Switch,OS)是一种具有一个或多个可选择的传输窗口,可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。光开关基本的形式是2X2即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态，平行连接和交叉连接，如图2所示。较大型的空分光交换单元可由基本的2X2光开关以及相应的1X2光开关级联、组合构成。光开关在光网络中起到十分重要的作用，在波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟提取，在光时分复用(Optical Time Division Multiplex,OTDM)系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是光交叉连接(Optical Cro-connect，OXC)的关键器件，也是波长变换的重要器件。根据光开关的输入和输出端口数，可分为1×
1、1×
2、1×N、2×
2、2×N、M×N等多种，它们在不同场合中有不同用途。其应用范围主要有：光网络的保护倒换系统，光纤测试中的光源控制、网络性能的实时监控系统、光器件的测试、构建OXC设备的交换核心，光插/分复用、光学测试、光传感系统等。
光分插复用器(OADM)是一个光学多路技术设备，它提供在一个网络中不同信号之间的接口。
光分插复用器包括：波长阻挡器，用于对在从传输线提供的WDM光中包含的多个信号光中的具有至少一个波长的信号光进行阻挡，并且使其他信号光通过；光耦合器，用于将波长与由波长阻挡器阻挡的信号光的波长相同的信号光复用到通过波长阻挡器的信号光；WDM放大器，用于放大由光耦合器复用的WDM光，并且输出经放大的光；以及，光分路耦合器，用于将从WDM放大器输出的WDM光分路成两路光，从所分路的光中的一路光中提取具有与由光耦合器复用的信号光的波长不同的至少一个波长的信号光，并且将其他的分路光输出给传输线。通过使用这种结构，可以提供一个小型廉价的光分插复用器作为灵活的OADM节点。光分插复用器-特点 一种光分插复用器由一输入／输出部，一下载部及一上传部组成一三端口器件。输入／输出部包括一双光纤插针，一与其相对应的第一耦合透镜和一滤光片，其中双光纤插针内的两根光纤分别作为光信号的输入端与输出端。下载部和上传部各包括一耦合透镜和一单光纤插针，安装在插针内的光纤分别作为下载端和上传端。光信号自输入端发出，经第一透镜耦合后，指定的波长光信号通过滤波片，进入第二耦合透镜并自下载端输出；而上传端则输入指定波长的光信号经第三透镜耦合后，通过滤波片，再由第一透镜耦合后由输出端输出。
波分复用传输系统
在模拟载波通信系统中，通常采用频分复用方法提高系统的传输容量，充分利用电缆的带宽资源，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大，一般采用波长来定义频率上的差别，该复用方法称为波分复用。WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可实现双向传输。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至几十个不等，一般商用化是8波长和16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小。
WDM本质上是光频上的频分复用（FDM）技术。从中国几十年应用的传输技术来看，走的是FDM-TDM-TDM FDM的路线。开始的明线、同轴电缆采用的都是FDM模拟技术，即电域上的频分复用技术，每路话音的带宽为4KHz，每路话音占据传输媒质（如同轴电缆）一段带宽；PDH、SDH系统是在光纤上传输的TDM基带数字信号，每路话音速率为64kb/s；而WDM技术是光纤上频分复用技术，16（8）×2.5Gb/s的WDM系统则是光频上的FDM模拟技术和电频率上TDM数字技术的结合。
光网络
光网络（Optical Network）一般指使用光纤作为主要传输介质的广域网、城域网或者新建的大范围的局域网。光网络具有传输速度高、传输距离长等特点。
光网络使用光纤传输的网络结构，不只是以太网可以通过光纤传输，部分非以太网－像令牌环网、令牌总线网、FDDI等也可以使用光纤传输数据。
现状：随着IP业务的快速增长，对网络带宽的需求不仅变得越来越高，而且由于IP业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求也越来越迫切。传统的方法主要靠人工配置网络连接，耗时费力易出错，不仅难以适应现代网络和新业务提供拓展的需要，也难以适应市场竞争的需要。一种能够自动完成网络连接的新型网络概念——自动交换传送网（ITU－TSG13命名为ASTN，主要从高层描述）或自动交换光网络（ITU－TSG15命名为ASON，主要从相对细节的结构描述）应运而生。这是一种由用户动态发起业务请求，网元自动计算并选择路径，并通过信令控制实现连接的建立、恢复、拆除，融交换、传送为一体的新一代光网络。
发展：在网络中，引入ASTN/ASON的好处主要有：允许将网络资源动态地分配给路由，缩短了业务层升级扩容时间，明显增加了业务层节点的业务量负荷；具有可扩展的信令能力集；快速的业务提供和拓展；降低了维护管理运营费用；快速的光层业务恢复能力；降低了对用于新技术配置管理的运行支持系统软件的要求，只须维护一个动态数据库，减少了人工出错机会；还可以引入新的业务类型，如按需带宽业务、波长批发、波长出租、分级的带宽业务、动态波长分配租用业务、带宽交易、光拨号业务、动态路由分配、光层虚拟专用网（VPN）等，使传统的传送网向业务网方向演进。作为网络敷设实例，已经率先在全国范围内敷设了连接约100个城市的智能光网络，由约100台智能光交换机和800多台SONET多业务平台构成。前者主要完成以45Mbit/s为基础带宽颗粒的实时交换和动态指配，后者主要在网络边缘汇聚低速业务至2.5Gbit/s或10Gbit/s速率，再经光交换选路通过网络，基于实时的信令和选路算法。新网络不仅降低了成本减少了指配出错机会，使运作流畅、容量增加，也简化了网络结构层次，极大地缩短了企事业用户的高速电路指配时间，能有效对付网络大故障，快速恢复业务。恢复时间仅为数百毫秒。
以上即为我对本学期光纤通信课程本学期的学习心得总结。光纤通信技术以后的发展方向主要是：超大容量、高速以及低价。在光纤通信发展过程中，应该不断投入科技人才，勇于创新，进行不断的突破，让光纤通信技术不断为社会的有效发展做出贡献，这样才能迎来全光网时代。
