光通信 百科内容来自于: 百度百科

光通信就是以光波为载波的通信方式。增加光路带宽的方法有两种:一是提高光纤的单信道传输速率;二是增加单光纤中传输的波长数,即波分复用技术(WDM)事实上,光通信设备只适合在最后几公里的距离用。

简介

目前宽带城域网(BMAN)正成为信息化建设的热点,DWDM(密集波分复用)的巨大带宽和传输数据的透明性,无疑是当今光纤应用领域的首选技术。然而,MAN等具有传输距离短、拓扑灵活和接入类型多等特点,如照搬主要用于长途传输的DWDM,必然成本过高;同时早期DWDM对MAN等灵活多样性也难以适应。面对这种低成本城域范围的宽带需求,CWDM(粗波分复用)技术应运而生,并很快成为一种实用性的设备。对光通信来说,其技术基本成熟,而业务需求相对不足。以被誉为“宽带接入最终目标”的FTTH为例,其实现技术EPON已经完全成熟,但由于普通用户上网需要的带宽不高,使FTTH的商用只限于一些试点地区。但是,在2006年,随着IPTV等三重播放业务开展,运营商提供的带宽已经不能满足用户对高清晰电视的要求,随之FTTH的部署也提上了日程。无独有偶,ASON对传输网络控制灵活,可为企业客户提供个性化服务,不少运营商为发展和维系企业客户,不惜重金投资建设ASON。
全光网络 未来传输网络的最终目标,是构建全光网络,即在接入网、城域网、骨干网完全实现“光纤传输代替铜线传输”。而目前的一切研发进展,都是“逼近”这个目标的过程。

历史

烽火台

现在每当我们提到烽火台,就会自然而然地想到长城,实际上烽火台筑在长
新疆呼图壁县境内的烽火台

新疆呼图壁县境内的烽火台

城沿线的险要处和交通要道上。一旦发现敌情,便立刻发出警报:白天点燃掺有狼粪的柴草,使浓烟直上云霄;夜里则燃烧加有硫磺和硝石的干柴,使火光通明,以传递紧急军情。上图为新疆呼图壁县境内的烽火台,在呼图壁县境内共有5个烽火台,其中3个已毁,烽火台长宽均约4米,高约5米,筑台年月不详。
烽火台通信,源于奴隶制国家在政治和军事方面对通信的需要。据历史记载,早在三千多年前,中国就有了利用烽火台通信的方法。关于烽火通信有个叫“千金买笑”的故事。故事是这样的,周朝有个周幽王,这是一个非常残暴而腐败的君主,他有个爱妃名叫褒姒,长得非常美丽,《东周列国志》中有这样一段话来形容褒姒:“目秀眉清,唇红齿白,发挽乌云,指排削玉,有如花如月之容,倾国倾城之貌。”褒妃虽然很美,但是“从未开颜一笑”。为此,周幽王使出了一个赏格:“谁要能叫娘娘一笑,就赏他一千斤金子”(当时把铜叫金子)。于是有人想出了一个点起烽火戏诸侯的办法,想换取娘娘一笑,一天傍晚,周幽王带着爱妃褒姒登上城楼,命令四下点起烽火。临近的诸侯看到了烽火,以为西戎(当时西方的一个部族)来犯,便领兵赶到城下救援,但见灯火辉煌,鼓乐喧天。一打听才知是周幽王为了取乐于娘娘而干的荒唐事儿,各诺侯敢怒不敢言,只好气愤地收兵回营。褒姒见状,果然淡然一笑。但事隔不久,西戎果真来犯,虽然点起了烽火,却无援兵赶到。原来各诸侯以为周幽王又是故伎重演。结果都城被西戎攻下,周幽王也被杀死了,从此西周灭亡了。
至今仍相传的“千金买笑”的故事就是从这儿来的。后来,又有人写了首诗,讽刺“烽火戏诸侯”之事,诗是这样的:
良夜颐宫奏管簧,无端烽火烛穹苍
可怜列国奔驰苦,止博褒妃笑一场!
这个历史故事不仅生动的描绘了当时利用烽火台通信的情况,同时也告戒后人,通信是非常重要的,不论在什么时候也不论是什么人,都不能拿通信当儿戏。

望远镜

17世纪中叶,人们发明了望远镜,它使得人们可以看得更远了。到1791年,法国人发明了灯信号,此后“灯语”通信在欧洲风靡一时。直到今天,信号灯、旗语、望远镜等目视光通信的手段仍在使用,但是这一切还是最原始的光通信,不能算作是真正的光通信。不过,这些原始的光通信由于方便、可靠至今仍在使用,所以还是有必要了解的,现在让我们认识一下望远镜吧。
望远镜的作用首先是能够放大远方物体的张角,人眼的分辨角大约是1分(1分
反射望远镜

反射望远镜

是1度的六十分之一),而望远镜能使人眼能看清角距更小的细节,其次,望远镜能将光线集中起来,使人眼看到本看不到的暗弱物体发出的光线。望远镜由物镜和目镜两组镜头及其他配件组成。为了减小望远镜的像差,物镜和目镜通常由多个元件组成。望远镜所能收集的最大的光束直径,称为口径。所能观测到的范围称为视场,通常以角度来表示。视场大小和目镜的结构有关,对于同样的目镜视场直径与放大倍数成反比:放大率越高,视场越小。
中国目前最大的光学望远镜是2.16米。茫茫宇宙,繁星似沙,但今后10年,人类为天体光谱作的“户口登记”数,将超过以往数百年。因为,人类有了新的“千里眼”———大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,该望远镜于2004年建成,安放在北京兴隆县燕山山脉中兴隆观测站,届时,将大大提升中国天文学研究的国际地位,使中国恒星和星系的光谱观测达到国际领先水平。
大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)是国际上视场和口径最大的天文望远镜,长50米、高30米,视场为5度,口径达4米,一次观测可达20平方度(整个宇宙空间约有4万平方度)。通过大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,在21世纪前10年,人类就可测出天体光谱100万个。
目前世界上最大的望远镜是位于夏威夷的凯克望远镜,直径10米,由36面1.8米的六角型镜面拼合而成,耗资一亿三千万美元,主要是由美国的一个企业家凯克捐助修建的,第一面凯克望远镜建造
折射望远镜

折射望远镜

成功后,凯克基金会又投资修建了凯克二号望远镜,两座望远镜挨在一起,威力无比;另外的大型望远镜有美国国立天文台位于南北两半球的两个八米望远镜,一座位于夏威夷,一座位于智利,合称双子座望远镜;日本人在夏威夷建造了一座八米的称为昴星团望远镜;下世纪欧洲南方天文台将建成四座八米望远镜,组合口径相当于15米!
目前世界上最大的射电望远镜是波多黎各的阿雷西沃无线探测仪,它是我们安放在宇宙间的最大的无线电耳朵。该望远镜上的巨大的反向镜的直径为305米。阿雷西沃探测仪目前被用来搜寻空中的由外星智能生命发射来的信号,如果你看过电影《黄金眼》(英美合拍,1995)及《接触》(美国,1997),就一定不会对它陌生。

旗语

虽然人类社会的文明程度和科学技术得到了很大的提高,但是简单的利用光传递信息的方式仍然在广泛使用,例如红黄绿交通信号灯,旗语,电灯发明之后,又有了利用百叶窗和灯光的灯语。现在让我们认识一下旗语。
旗语产生于西方的大航海时代,舰船之间通过旗语来进行联络;直到现在,各种信号旗仍然在船舶上悬挂。现在在F1的赛车场也使用到了旗语,可以说它也是一种目视光通信的手段。如果你能向F-1赛手像是塞纳、舒马赫、威伦纽夫等高手侃侃有关F1旗语的话题,一定能让他们刮目相看。
了解F1的旗语吧:
白色旗表示跑道上有缓慢移动的车辆
红色旗表示比赛已停止
黑色旗表示指定的赛车下次通过修理站时要停车
黄底红道旗意思是告诉车手跑道较滑
黑白对角旗表示是非运动员行为
黄旗表示有危险
黑白格相间的旗子意思是比赛结束
蓝旗表示有车手正要超车
黑底黄色圆心旗表示赛车有故障
绿色旗表示全程畅通
不论是烽火台、望远镜,还是交通红绿灯、旗语,它们都是光通信的不同形式,但是它们有一个共同点,就是利用大气来传播可见光,由人眼来接收。也正因为如此,我们才会对它们如此地熟悉,可是这些却不是真正的意义上的光通信,更不是强大的光通信,真正强大的光通信应该是光纤通信。在这里,应该明确,光通信指的是一切运用光作为载体而传送信息的所有通信方式的总称,而不管传输所使用的媒质是什么;而光纤通信则是单纯地依靠光纤作为媒质来传送信息的通信方式。
尽管人类很早就认识到用光可以传递信息,比如3000多年前中国就有了用光传递远距离信息的设施——烽火台;但是,其后的很多年中,光通信几乎没有什么发展;后来又有了用灯光闪烁、旗语等传递信息的方法;但是这些都是用可见光进行的视觉通信,是非常原始的光通信方式,不能称得上是完全意义上的光通信。
近100年中,人们仍然没有对光通信失去兴致,就连大发明家贝尔(BELL)也尝试着用光来打电话,这被认为是近代光通信的开始。20世纪60年代后,随着人们对通信的要求变得越来越强烈,光通信获得了突飞猛进的发展。我们今天所说的光通信已不再是用可见光进行的视觉通信,而是采用光波作为载波来传递信息的通信方式了。现代人类已经进入了信息社会,光通信的魅力也逐步地展现在人们的面前。

光电话

光通信的出现比无线电通信还早。波波夫发送与接收第一封无线电报是在1896年,以发明电话而著名的贝尔,在1876年发明了电话之后,就想到利用光来通电话的问题。1880年,他利用太阳光作光源,大气为传输媒质,用硒晶体作为光接收器件,成功地进行了光电话的实验,通话距离最远达到了213米。1881年,贝尔宣读了一篇题为《关于利用光线进行声音的产生与复制》的论文,报导了他的光电话装置。在贝尔本人看来:在他的所有发明中,光电话是最伟大的发明。
贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源,光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时,震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化,从而使话音信息“承载”在光波上(这个过程叫调制)。在接收端,装有一个抛物面接收镜,它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上,硅光电池将光能转换成电流(这个过程叫解调)。电流送到听筒,就可以听到从发送端送过来的声音了。
利用光在大气中传送信息方便简单,所以人们开始研究的光通信都是这种方式。但是光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制,比如在遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况,就会看不远和看不清,这叫做大气的能见度降低,使信号传输受到很大阻碍。此外,太阳光、灯光等普通的可见光源,都不适合作为通信的光源,因为从通信技术上看,这些光都是带有“噪声”的光。也就是说,这些光的频率不稳定、不单一,光的性质也很复杂;一句话,就是光不纯。因此,真要用光来通信,必须要解决两个最根本的问题:一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质(可不能再用空气了哟!);另一个问题是必须要找到高强度的、可靠的光源。在此后的几十年中,由于这两项关键技术没有得到解决,光通信就一直裹足不前。也正因此,贝尔的光话始终没有走上实用化的阶段。所以我们今天也没有用上贝尔的光电话,而只是用了他发明的电话;但不管怎样,贝尔真的是一位伟大的发明家,我们应该记住他的名字。

“走弯路”

1870年,英国物理学家廷德尔在实验中观察到,把光照射到盛水的容器内,从出水口向外倒水时,光线也沿着水流传播,出现弯曲现象,这好象不符合光只能直线传播的定律。实际上,这时光仍是沿直线传播,只不过在水流中出现了光反射现象,因而光是以折线方式前进的。光也可以“走弯路”。
廷德尔观察到的现象,直至1955年才得到实际应用。当时在英国伦敦英国学院工作的卡帕尼博士,发明了用极细的玻璃制做的光导纤维。每根细如丝的光导纤维是用两种对光的折射率不同的玻璃制成,一种玻璃形成中央中心束线,另一种包在中心束线外面形成包层。由于两种玻璃在光学性质上的差别,光线经一定角度从光导纤维的一端射入后,不会从纤维壁逸出,而是沿两层玻璃的界面连续反射前进,从另一端射出。最初,这种光导纤维只是应用在医学上,用光纤束组成内窥镜,可以观察人体肠胃内的疾病,协助医生及时作出确切的判断。
其实,现代的光纤通信也就是运用光反射原理,把光的全反射限制在光纤内部,用光信号取代传统通信方式中的电信号,从而实现信息的传递的。

发展

国内情况

在70年代国外的低损耗光纤获得突破以后,中国从1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作,并于70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统,这比世界上第一次现场试验只晚两年多。这些成果成为中国光通信研究的良好开端,并使中国成为当时少有的几个拥有光缆通信系统试验段的几个国家之一。到80年代末,中国的光纤通信的关键技术已达到国际先进水平。
从1991年起,中国已不再建长途电缆通信系统,而大力发展光纤通信。在“八五”期间,建成了含22条光缆干线、总长达33000公里的“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网。1999年1月,中国第一条最高传输速率的国家一级干线(济南——青岛)8×2.5Gb/s密集波分复用(DWDM)系统建成,使一对光纤的通信容量又扩大了8倍。
我国十分重视光通信器件的研发,通过国家高新技术发展计划安排专题,组织技术攻关,跟踪国际先进技术等措施的实施,极大地推动了光通信器件的研究开发和产业化工作。目前,随着光器件产业逐渐向中国转移,光通信行业基础设施建设进一步加快,中国已成为全球光电元器件的重要生产销售基地。
光通信器件是构建光通信系统与网络的基础,高速光传输设备、长距离光传输设备和智能光网络的发展、升级以及推广应用,都取决于光通信器件技术进步和产品更新换代的支持。因此,通信技术的更新与升级将促使光通信器件不断发展进步。
2010年中国生产制造的器件已占全球25%以上市场份额;我国光器件市场规模在全球市场中的份额也已从2008年的17%增加到2010年的26%左右,市场规模达到93亿人民币,同比增长率更是高达30%。
光电子器件行业厂商数量相对较多,全球生产光电子器件的厂商250余家,行业整体来看还属于一个完全竞争的市场。随着中小企业的退出和行业收购兼并的进行,行业的市场集中度近年来呈上升趋势,行业的竞争激烈程度趋缓。而国内企业不仅要直面国内本土企业的竞争,还要承受来自国外企业的竞争压力,整体竞争较为激烈。

现状

对光通信来说,其技术基本成熟,而业务需求相对不足。以被誉为“宽带接入最终目标”的FTTH为例,其实现技术EPON已经完全成熟,但由于普通用户上网需要的带宽不高,使FTTH的商用只限于一些试点地区。但是,在2006年,随着IPTV等三重播放业务开展,运营商提供的带宽已经不能满足用户对高清晰电视的要求,随之FTTH的部署也提上了日程。无独有偶,ASON对传输网络控制灵活,可为企业客户提供个性化服务,不少运营商为发展和维系企业客户,不惜重金投资建设ASON。
随着宽带中国战略进程的推进,国内三大电信运营商加快光网城市建设的步伐,我国光通信产业呈现出高速增长态势。
我国目前在光纤光缆方面,得益于三网融合和宽带政策对光纤的大量需求,2012年市场对光纤的需求迅速增加,使得光纤业基本面出现好转。行业总体供需呈弱势均衡、总体偏紧的态势,从而为光纤价格提供了极强支撑,为行业盈利改善提供了基本保障。同时,行业内主要厂商均在2012年实现较大规模光纤预制棒自产产能,使得此部分光纤企业盈利能力得到较大改善。
在光网络系统设备方面,三网融合形势下的FTTH、NGB与双向改造等热潮,将在未来长时间内释放大量光通信设备需求。三网融合将刺激广电及电信运营商对光纤网络建设的投入,国内PON设备、ODN市场需求增大,PTN、OTN网络升级也会带动相应设备需求的上升。
在光器件光模块方面,随着市场的持续升温,光器件产业投资不断扩大,国内涌现出一大批光器件企业。近来,国家对光通信产业加大扶持,企业投入研发比重上升,这无疑是有利于产业长期发展的。在三网融合的大前提下,光器件投资成本占比不断上升,业内分析预计,未来随着光电子器件集成化和智能化的进一步提高,光电子器件占光传输设备成本的比例将达到30%以上。
光通信设备被列入战略性新兴产业指导目录
为贯彻落实《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,更好地指导各部门、各地区开展培育发展战略性新兴产业工作,发展改革委会同相关部门组织编制了《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》。目录涉及战略新兴产业7个行业、24个重点发展方向下的125个子方向,共3100余项细分的产品和服务。细分的产品和服务中包括950项新一代信息技术产业相关产品和服务,其中包含了下一代信息网络产业中的光通信设备。
光通信设备,包括光纤,FTTx用G.657光纤、宽带长途高速大容量光纤传输用G.656光纤、光子晶体光纤、掺稀土光纤(包括掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤等)、激光能量传输光纤,以及具有一些特殊性能的新型光纤,包括塑料光纤、聚合物光纤等。
光纤接入设备,无源光网络(PON)、光线路终端(OLT)、光网络单元(ONU)、波分复用器等。
光传输设备,线路速率达到40Gbit/s、100Gbit/s的超大容量(1.6Tb/s及以上)密集波分复用(DWDM)设备,可重构光分差复用设备(ROADM)及波分复用系统用光交叉互连(OXC)设备,大容量高速率OTN光传送网设备以及分组化增强型OTN设备、PTN分组传送网设备、MSTP/MSAP多业务传输和接入设备,高速光器件(有源和无源)。

激光器

1960年7月8日,美国科学家梅曼发明了世界上首台激光器——红宝石激光器,从此人们便可获得性质和电磁波相似而频率稳定的光源。研究现代化光通信的时代也从此开始。激光器的英文简称叫LASER,意思是“受激发射的光放大”。这种激光器产生的光与普通的灯光不一样,它是受物质原子结构本质决定的光,频率稳定,约为100太赫。这种光的频率比已经广泛应用的微波(频率约为10兆赫)的频率高1万倍。因此,用这种光来传送信息从理论上来说,通信的容量可以比微波通信的容量也大1万倍!因此,激光器的发明对光通信的研究工作产生了重大的影响。但是最初发明的激光器在室温下不能连续工作,因此,还不可能在通信中获得实际应用。

光纤

人类从未放弃过对理想光传输介质的寻找,经过不懈的努力,人们发现了透明度很高的石英玻璃丝可以传光。这种玻璃丝叫做光学纤维,简称“光纤”。人们用它制造了在医疗上用的内窥镜,例如做成胃镜,可以观察到距离一米左右的体内情况。但是它的衰减损耗很大,只能传送很短的距离。光的损耗程度是用每千米的分贝为单位来衡量的。直到20世纪60年代,最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在每公里1000分贝以上。每公里1000分贝的损耗是什么概念呢?每公里10分贝损耗就是输入的信号传送1公里后只剩下了十分之一,20分贝就表示只剩下百分之一,30分贝是指只剩千分之一……1000分贝的含意就是只剩下亿百分之一,是无论如何也不可能用于通信的。因此,当时有很多科学家和发明家认为用玻璃纤维通信希望渺茫,失去了信心,放弃了光纤通信的研究。
激光器和光纤的发明,使人们看到了光通信的曙光。而要实现光纤通信,还需要在激光器和光纤的性能上有重大的突破。但是在这两方面的突破遇到了许多困难,尤其是光纤的损耗要达到可用于通信的要求,从每千米损耗1000分贝降低到20分贝似乎不太可能,以致很多科学家对实现光纤通信失去了信心。就在这种情况下,出生于上海的英藉华人高锟(K.C.Kao)博士,通过在英国标准电信实验室所作的大量研究的基础上,对光波通信作出了一个大胆的设想。他认为,既然电可以沿着金属导线传输,光也应该可以沿着导光的玻璃纤维传输。1966年7月,高锟就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文,论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因,大胆地预言,只要能设法降低玻璃纤维的杂质,就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到20分贝/公里,从而有可能用于通信。这篇论文使许多国家的科学家受到鼓舞,加强了为实现低损耗光纤而努力的信心。
世界上第一根低损耗的石英光纤――1970年,美国康宁玻璃公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了传输损耗每千米只有20分贝的光纤。这是什么概念呢?用它和玻璃的透明程度比较,光透过玻璃功率损耗一半(相当于3分贝)的长度分别是:普通玻璃为几厘米、高级光学玻璃最多也只有几米,而通过每千米损耗为20分贝的光纤的长度可达150米。这就是说,光纤的透明程度已经比玻璃高出了几百倍!在当时,制成损耗如此之低的光纤可以说是惊人之举,这标志着光纤用于通信有了现实的可能性。
光纤之路――舍我其谁
1970年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破,使光纤通信开始从理想变成可能,这立即引起了各国电信科技人员的重视,他们竞相进行研究和实验。1974年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法――CVD法(汽相沉积法),使光纤损耗降低到1分贝/公里;1977年,贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时(实用中10年左右)的半导体激光器,从而有了真正实用的激光器。1977年,世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用,速率为45Mb/s。
进入实用阶段以后,光纤通信的应用发展极为迅速,应用的光纤通信系统已经多次更新换代。70年代的光纤通信系统主要是用多模光纤,应用光纤的短波长(850纳米)波段,(1纳米=1000兆分之一米,即米)。80年代以后逐渐改用长波长(1310纳米),光纤逐渐采用单模光纤,到90年代初,通信容量扩大了50倍,达到2.5Gb/s。进入90年代以后,传输波长又从1310纳米转向更长的1550纳米波长,并且开始使用光纤放大器、波分复用(WDM)技术等新技术。通信容量和中继距离继续成倍增长。广泛地应用于市内电话中继和长途通信干线,成为通信线路的骨干。

地位

上世纪30年代,有人提出这样的观点:“总有一天光通信会取代有线和微波通信而成为通信主流”。该观点反映出光纤通信技术在未来通信中已显示出其重要性。今天,光通信技术已经很成熟,光纤通信已是各种通信网的主要传输方式,光纤通信在信息高速公路的建设中扮演着至关重要的角色,欧美等发达国家已经把光纤通信放在了国家发展的战略地位。现在光纤的使用已不只限于陆
几种关键技术的发展速度示意图

几种关键技术的发展速度示意图

地,光缆已广泛铺设到了大西洋、太平洋海底,这些海底光缆使得全球通信变得非常简单快捷。现在不少发达国家又把光缆铺设到住宅前,实现了光纤到办公室(FTTO)、光纤到家庭(FTTH)。光纤通信技术之所以发展这样迅速,除了人们日益增长的信息传输和交换需要外,主要是由光纤通信本身所具有的优点决定的。

系统

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源,它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号;光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号,先后用过的光波窗口有0.85μm、1.31μm和1.55μm。光学信道包括最基本的光纤,还有中继放大器EDFA等;而光学接收机则接收光信号,并从中提取信息,然后转变成电信号,最后得到对应的话音、图象、数据等信息。下面是光通信系统图。

光纤定律

摩尔定律

早在1964年,英特尔公司创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)在一篇很短的论文里断言:每18个月,集成电路的性能将提高一倍,而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。由此,微处理器的速度会每18个月翻一番。这就意味着每5年它的速度会快10倍,每10年会快100倍。同等价位的微处理器会越变越快,同等速度的微处理器会越变越便宜。可以想见,在未来,世界各地的人不但都可以通过自己的计算机上网,而且还可以通过他们的电视、电话、电子书和电子钱包上网。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律,摩尔定律被集成电路近40年的发展历史准确无误地验证着。

吉尔德定律

乔治·吉尔德曾预测,在未来25年,主干网的带宽将每6个月增加一倍。其增长速度超过摩尔定律预测的CPU增长速度的3倍。今天,几乎所有知名的电讯公司都在乐此不疲地铺设缆线。当带宽变得足够充裕时,上网的代价也会下降。在美国,今天已经有很多的ISP向用户提供免费上网的服务。

麦特卡尔夫定律

以太网的发明人鲍勃·麦特卡尔夫告诉我们:网络价值同网络用户数量的平方成正比。如果将机器联成一个网络,在网络上,每一个人可以看到所有其他人的内容,100人每人能看到100人的内容,所以效率是10000。10000人的效率就是100000000。
几种关键技术的发展速度示意图
联合国“1999世界电信论坛会议” 副主席约翰·罗斯(John Roth)在10日论坛开幕演说时提出“新摩尔定律”――光纤定律,互联网带宽每9个月会增加一倍的容量,但成本降低一半,比晶片变革速度的每18个月还快。
摩尔定律(Moore's Law)用来形容半导体科技的快速变革,平均每18个月,晶片的容量会成长一倍,成本却减少一半;“光纤定律”(OpticalLaw)则用来形容网络科技。左面是几种关键技术的发展速度示意图。

事迹

――1880年,美国电话发明家贝尔就已经研究并成功地发送与接收了光电话。1881年,贝尔宣读了一篇题为《关于利用光线进行声音的产生与复制》的论文,报导了他的光电话装置。
――1930年至1932年间,日本在东京的日本电报公司与每日新闻社之间实现了3.6公里的光通信,但在大雾大雨天气里效果很差。第二次世界大战期间,光电话发展成为红外线电话,因为红外线肉眼看不见,更有利于保密。
――1854年,英国的廷德尔在英国皇家学会的一次演讲中指出,光线能够沿盛水的弯曲管道进行反射而传输,并用实验证实了这个想法。
――1927年,英国的贝尔德首次利用光全反射现象制成石英纤维可解析图像,并且获得了两项专利。
――1951年,荷兰和英国开始进行柔软纤维镜的研制。
――1953年,荷兰人范赫尔把一种折射率为1.47的塑料涂在玻璃纤维上,形成比玻璃纤维芯折射率低的套层,得到了光学绝缘的单根纤维。但由于塑料套层不均匀,光能量损失太大。
――1960年7月世界上第一台红宝石激光器出现了。1961年9月由中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功中国第一台红宝石激光器。
――20世纪60年代,有的实验室用氦——氖气体激光器做了传送电视信号和20路电话的实验。也有的公司制成了语言信道试验性通信系统,最大传输距离为600米。到80年代初激光通信已进入应用发展阶段。
――1966年英籍华人高锟博士首次明确提出利用光导纤维进行激光通信的设想,并为此获得了1979年5月由瑞士国王颁发的国际伊利申通信奖金。
――1968年,日本两家公司联合宣布研制成了一种新型无套层光纤,它能聚集和成像,称作聚焦纤维。同期,美国宣布制成液体纤维,它是利用石英毛细管充以高透明液构成的。这两种光纤的光耗损很难降低,所以实用价值不大。
――1970年美国康宁公司用高纯石英生产出世界上第一根耗损率为每公里20分贝的套层光纤,开创了光纤通信的新篇章,使通信光纤研究跃进了一大步。一根光纤可以传输150万路电话和2万套电视。
――1976年日本在大孤附近的奈良县开始筹建世界上第一个完全用光缆实现光通信的实验区,到1978年7月已拥有300个用户。(实际上光通信系统使用的不是单根光导纤维,而是由许多光纤维聚集在一起组成的光缆。一根直径为1厘米的光缆,里面有近百根光导纤维。光缆和电缆一样可以架在空中,埋入地下,也可以铺设在海底,它的出现使激光通信进入实际应用阶段。)

启示

人类的想象力和创造力是无穷的,当人们经过艰苦的探索,掌握了光纤通信的奥秘,把地球用一束束的玻璃丝牢牢地裹起来以后,人们又把目标盯在了地球之外的宇宙空间,这就是宇宙激光通信。由于宇宙空间没有大气或尘埃,激光在那里传输时比在大气中的衰减小得多,因而激光用于宇宙通信既优越又经济,这受到各国的普遍重视,现在已经有大量的科学家投身到了这个研究的领域。
当我们冷静地回顾一下光通信的发展历史时,不难发现,人们使用过的光通信的传输媒质有大气、水、液体纤维导管、玻璃纤维、光缆,甚至还在尝试使用外层空间;用于光通信的波长范围从红外线、可见光到高频射线。人类孜孜不倦的尝试和丰富的想象力启发我们:我们总可以找到比以前更好的传输媒质!我们也可以充分利用电磁波广阔的频谱!
应该认识到,人类的发明和创造通常是建立在对前人认识成果的改造和创新的基础之上的,尽管当前光通信传输领域占主导地位的是光纤,但是这并不意味着其它方式被淘汰了,只要展开自己想象的翅膀,我们依然能够找到更好的传输媒质,当然我们也可以考虑将以前尝试过的传输媒质进行新的加工,从而获得比光纤更优越的传输性能。比如人类正在探索的宇宙光通信,它的身上不也闪烁着BELL光电话的灵感之光吗?

全光网络

未来传输网络的最终目标,是构建全光网络,即在接入网、城域网、骨干网完全实现“光纤传输代替铜线传输”。而目前的一切研发进展,都是“逼近”这个目标的过程。
骨干网是对速度、距离和容量要求最高的一部分网络,将ASON技术应用于骨干网,是实现光网络智能化的重要一步,其基本思想是在过去的光传输网络上引入智能控制平面,从而实现对资源的按需分配。DWDM也将在骨干网中一显身手,未来有可能完全取代SDH,从而实现IPOVERDWDM。
城域网将会成为运营商提供带宽和业务和瓶颈,同时,城域网也将成为最大的市场机遇。目前基于SDH的MSTP技术成熟、兼容性好,特别是采用了RPR、GFP、LCAS和MPLS等新标准之后,已经可以灵活有效地支持各种数据业务。
对接入网来说,FTTH(光纤到户)是一个长远的理想解决方案。FTTx的演进路线将是逐渐将光纤向用户推近的过程,即从FTTN(光纤到小区)到FTTC(光纤到路边)和FTTB(光纤到公寓小楼)乃至最后到FTTP(光纤到驻地)。当然这将是一个很长的过渡时期,在这个过程中,光纤接入方式还将与ADSL/ADSL2+并存。

技术

基于上述全光网络构架有很多核心技术,它们将引领光通信的未来发展。下面着重介绍ASON、FTTH、DWM、RPR这四项最重要的技术。

ASON

无论从国内研发进展、试商用情况,还是从国外的发展经验来看,国内运营商在传送网中大规模引入ASON技术将是必然的趋势。ASON(AutomaticallySwitchedOpticalNetwork,智能光网络)是一种光传送网技术。目前的产品和市场状况表明,ASON技术已经达到可商用的成熟程度,随着3G、NGN的大规模部署,业务需求将进一步带动传送网技术的发展,预计2007年ASON将得到更加广泛的商用。
2006年各大主要设备提供商华为、中兴、烽火、Lucent等已经推出了其可商用的ASON产品。中国电信、中国网通、中国移动、中国联通和中国铁通陆续开展了ASON的应用测试和小规模商用。
ASON在国外成功商用的经验表明,ASON将在骨干传送网发挥不可替代的作用。例如,AT&T的140个节点覆盖美国的骨干传送网;BT组建21CN网,目前已建40个ASON节点;Vodafone的131个节点覆盖英国的ASON骨干传送网,等等。
然而,目前ASON在路由、自动发现、ENNI接口等几方面的标准化工作还不完善,这成为制约ASON技术发展和商用的重要因素。未来中国将参与更多的ASON标准化工作,同时,ASON的标准化,尤其是其中ENNI的标准化,将在近年内取得突破性进展。

FTTH

FTTH(Fiber To The Home,光纤到户)是下一代宽带接入的最终目标。目前,实现FTTH的技术中,EPON(Ethernet Passive Optical Networks)将成为未来中国的主流技术,而GPON(Gigabit-capable passive optical networks)最具发展潜力。
EPON采用Ethernet封装方式,所以非常适于承载IP业务,符合IP网络迅猛发展的趋势。目前,国家已经将EPON作为“863”计划重大项目,并在商业化运作中取得了主动权。
GPON比EPON更注重对多业务的支持能力,因此更适合未来融合网络和融合业务的发展。但是它目前还不够成熟并且价格偏高,还无法在中国大规模推广。
中国的FTTH还处于市场启动阶段,离大规模的商业部署还有一段距离。在未来的产业化发展中,运营商对本地网“最后一公里”的垄断是制约FTTH发展的重要因素,采取“用户驻地网运营商与房地产开发商合作实施”的形式,更有利于FTTH产业的健康发展。从日本、美国、欧洲和韩国等国家的FTTH发展经验来看,FTTH的核心推动力在于网络所提供的丰富内容,而政府对应用和内容的监控和管理政策也会制约FTTH的发展。

WDM

WDM突破了传统SDH网络容量的极限,将成为未来光网络的核心传输技术。
按照通道间隔的不同,WDM(WavelengthDivisionMultiplexing,波分复用)可以分为DWDM(密集波分复用)和CWDM(稀疏波分复用)这两种技术。DWDM是当今光纤传输领域的首选技术,但CWDM也有其用武之地。
2006年,烽火、华为等设备厂商都推出了自己的DWDM系统,国内运营商也开展了相关的测试和小规模商用。未来DWDM将在对传输速率要求苛刻的网络中发挥不可替代的作用,如利用DWDM来建设骨干网等。
相对于DWDM,CWDM具有成本低、功耗低、尺寸小、对光纤要求低等优点。未来几年,电信运营商将会严格控制网络建设成本,这时CWDM技术就有了自己的生存空间,它适合快速、低成本多业务网络建设,如应用于城域和本地接入网、中小城市的城域核心网等。

RPR

弹性分组环(ResilientPacketRing,RPR)将成为未来重要的光城域网技术。近年来许多国内外传输设备厂商都开发了内嵌RPR功能的MSTP设备,RPR技术得到了大量芯片制造商、设备制造商和运营商的支持和参与。
在标准化方面,IEEE802.17的RPR标准已经被整个业界认可,而国内的相关标准化工作还在进行中。未来RPR将主要应用于城域网骨干和接入方面,同时也可以在分散的政务网、企业网和校园网中应用,还可应用于IDC和ISP之中。

优点

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1000 亿个话路。虽然目前远远未达到如此高的传输容量,但用一根光纤同时传输24 万个话路的试验已经取得成功,它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。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甚至上千根光纤,如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根、几十根光纤使用,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耗系数(目前商用化石英光纤已达0.19dB/km 以下),若配以适当的光发送与光接收设备,可使其中继距离达数百公里以上。这是传统的电缆(1.5km)、微波(50km)等根本无法与之相比拟的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。据报导,用一根光纤同时传输24 万个话路、100 公里无中继的试验已经取得成功。此外,已在进行的光孤子通信试验,已达到传输120 万个话路、6000 公里无中继的水平。因此,在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能的。
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“泄露”出去,因此其保密性能极好。
4. 适应能力
是指,不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀,可挠性强(弯曲半径大于25 厘米时其性能不受影响)等。
5.体积小,重量轻
便于施工维护便于施工维护便于施工维护便于施工维护 。光缆的敷设方式方便灵活,既可以直埋、管道敷设,又可以水底和架空。
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。

缺点

我们知道,任何一件事物都不会是十全十美的。
1.质地脆,机械强度差。
2.光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。
3.分路、耦合不灵活。
4.光纤光缆的弯曲半径不能过小(>20cm)。
5.有供电困难问题。
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- 来自原声例句
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