[科普中国]-光纤网络

光纤网络是利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具接到公司或家或机房。利用交换机或其他终端转换为普通RJ45网线接到电脑上，也叫LAN，由交换机或其他终端自动分配IP，内网IP需要在终端后台设置，默认为自动，不用拨号。

发展史世界光纤的发明，引起了通信技术的一场革命，是构成21世纪即将到来的信息社会的一大要素。

1966年出生在中国上海的英籍华人高锟，发表论文《光频介质纤维表面波导》，提出用石英玻璃纤维(光纤)传送光信号来进行通信，可实现长距离、大容量通信。

1970年损失为20db/km的光纤研制出来了。据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。1976年，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路，速率为45Mb/s，采用的是多模光纤，光源用的是发光管LED，波长是0.85微米的红外光。在上世纪70年代末，大容量的单模光纤和长寿命的半导体激光器研制成功。光纤通信系统开始显示出长距离、大容量无比的优越性。1

中国1973年，世界光纤通信尚未实用。邮电部武汉邮电科学研究院(当时是武汉邮电学院)就开始研究光纤通信。由于武汉邮电科学研究院采用了石英光纤、半导体激光器和编码制式通信机正确的技术路线，使我国在发展光纤通信技术上少走了不少弯路，从而使我国光纤通信在高新技术中与发达国家有较小的差距。

我国研究开发光纤通信正处于十年动乱时期，处于封闭状态。国外技术基本无法借鉴，纯属自己摸索，一切都要自己搞，包括光纤、光电子器件和光纤通信系统。就研制光纤来说，原料提纯、熔炼车床、拉丝机，还包括光纤的测试仪表和接续工具也全都要自己开发，困难极大。武汉邮电科学研究院，考虑到保证光纤通信最终能为经济建设所用，开展了全面研究，除研制光纤外，还开展光电子器件和光纤通信系统的研制，使我国至今具有了完整的光纤通信产业。

1978年改革开放后，光纤通信的研发工作大大加快。上海、北京、武汉和桂林都研制出光纤通信试验系统。1982年邮电部重点科研工程“八二工程”在武汉开通。该工程被称为实用化工程，要求一切是商用产品而不是试验品，要符合国际CCITT标准，要由设计院设计、工人施工，而不是科技人员施工。从此中国的光纤通信进入实用阶段。在20世纪80年代中期，数字光纤通信的速率已达到144Mb/s，可传送1980路电话，超过同轴电缆载波。于是，光纤通信作为主流被大量采用，在传输干线上全面取代电缆。经过国家“六五”、“七五”、“八五”和“九五”计划，中国已建成“八纵八横”干线网，连通全国各省区市。中国已敷设光缆总长约250万公里。光纤通信已成为中国通信的主要手段。在国家科技部、计委、经委的安排下，1999年中国生产的8×2.5Gb/sWDM系统首次在青岛至大连开通，随之沈阳至大连的32×2.5Gb/sWDM光纤通信系统开通。2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路。

中国已建立了一定规模的光纤通信产业。中国生产的光纤光缆、半导体光电子器件和光纤通信系统能供国内建设，并有少量出口。

有人认为，我国光纤通信主要干线已经建成，光纤通信容量达到Tbps，几乎用不完，再则2000年的IT泡沫，使光纤的价格低到每公里100元，几乎无利可图。因此不要发展光纤通信技术了。

实际上，特别是中国，省内农村有许多空白需要建设；3G移动通信网的建设也需要光纤网来支持；随着宽带业务的发展、网络需要扩容等，光纤通信仍有巨大的市场。每年光纤通信设备和光缆的销售量是上升的。1

发展趋势FTTH(光纤到家庭)是光纤通信进一步发展的方向，它被公认为理想的宽带接入网。所谓宽带业务，大多是500kbps的影视节目。运营商为了充分利用铜线资源，采用ADSL技术就可提供，这使FTTH成为接入网主流的时间有所推迟。不久的将来，在HDTV普及的情况下，ADSL不能满足要求，而先进的ADSL2+也许可满足1chHDTV/户。如果4chHDTV/户采用FTTH比较合理。在双向业务广泛应用的情况下，上下行不对称的ADSL难以对应。发达国家FTTH建设普遍开展，日本、韩国和美国比较发达，采用各种无源光网PON和以太网技术。中国的运营商和房地产开发商已对FTTH进行了试点。出现了所谓的网络电视(IPTV)，电信运营商提出IPTV的初衷是考虑到有计算机的人少而有电视机的人多。提出的IPTV是采用专用的机顶盒连接电视机可直接浏览电信网的内容，而不要计算机。IPTV具有常规电视并兼有点播和时移电视的功能，可能会取代常规电视。由于IPTV的发展，影响光纤接入网和FTTH的构建。另外，也产生电信运营商和广播运营商的利益冲突。尽管有限制发牌照政策以保护广播运营商，但大势所趋，不可阻挡。实际上，许多广播运营商也开始改造其广播网为数字双向，也具备了发展IPTV的功能。广播运营商和电信运营商的界限开始有些模糊。

IPTV在国外开始高速发展。在国内，上海、河南等地也开始发展。

有人考虑到IPTV的发展，会使现有的城域网和接入网不胜负担，所以提出所谓的P2P(peer-对等)方法。P2P最初的概念是：所有用户都是信息接收者，又是信息发送者。即某用户把收到的节目用流媒体方法向其他用户转发出去(通常是让用户下载一个软件使其具备P2P功能)。这样便可减免都由中心向用户播发，以节省网络带宽。事实上，没有中心是不行的，网上至少要有1个中心服务器来管理。经过少量试行，发现IPTV流量太大，而用户的接入网根本无法满足P2P的传输，特别是ADSL原来就没有考虑到大量的上行，用户接入网负荷过重而崩溃。有人认为P2P是恶魔。

由于宽带业务的不断发展，现有的城域网、接入网的容量不足。对于运营商而言，最根本和实际有效的办法是对城域网和接入网扩容。事实上，采用WDM技术扩容，投资不很大，而可适应今后宽带业务的继续发展。

无线接入技术发展迅猛。人需要移动，采用无线接入比较方便。无线接入可满足数据传输的需要，但带宽有限，宽带的视频特别是HDTV仍需要采用光纤通信。

光纤通信需要发展光交换——采用电缆通信的网是金属网，传输的是电信号，在网络节点采用电子交换机进行交换。光纤通信的网是光纤网，传输的是光信号，在网络节点还没有全光交换机，在网络上只好采用“光-电-光”方式进行交换，即先把来自光纤网的光信号转变为电信号，用电子交换机进行交换，之后，又把电信号转变为光信号，再进入光纤网。这种方法是不经济的，需要开发可把光信号直接交换的光交换机。已经有小规模的光交换，它是作光线路保护的。通常这种光交换的通路是固定而不是可改变的，对于线路的调度不利。现正在开发具有自动交换的光网络称为ASON。ASON的关键技术是可重组光分插复用器ROADM，使线路可方便地调度。ASON不但可作光线路的保护，还可满足线路调度和今后发展出租电路的需要。已经有非全光的ASON产品。

通信网正在从SDH网向IP网过渡，交换机也要IP化。发展光网络还要考虑IP化，还要进一步发展光路由器，其中需要解决光地址的取存和光缓存技术。

光电子器件和集成光器件需要大力发展，因为光纤通信技术的发展，依赖光器件的进步。

由于网络的速率不断提高，单波长电子速率为40Gbps的光通信系统已经商用，速率为160Gbps的电子系统在试验室开发。因此，光电子器件要与之相适应，包括高速调制激光器等需要开发。实现ROADM需要发展波长可调的光滤波器、波长可调激光器和光开关等，其中有许多可创新的空间。

把许多分立的光电子器件集成在一起成为集成的光电子器件，其优点是功能丰富、体积小、速度高、可靠。已经有小规模集成的光电子器件，需要开发更大规模的光电子集成器件。混合集成可降低难度，提高成品率。混合集成的关键技术是平面光波导线路PLC，它是一块具有光波导的线路板，可把分立的光器件安装在上面。商用的光电子集成器件有8波长激光器模块、100波长以上的AWG光滤波器、AWG+光衰减器和32×32光开关等。光集成器件的工艺有单片集成和混合集成两种。集成光电子器件处于初级阶段，我国应迎头赶上，否则就会吃大亏。

光纤通信的优势是容量大和传输距离远。无线通信的优势是可移动，但带宽小。可以想象，近距离小容量的数据接入趋向采用无线接入，而大容量的视频影视采用光纤传输。卫星传输距离也很长，唯容量和寿命有限。无线和光纤通信是互补的，它们是永存的两个物理网。

优化宽带网络性能、提高宽带网络速率已经是现阶段提速降费趋势下的网络重点课题，作为"宽带中国"战略最底层的资源，光纤基础网络发展重心正在逐步转移，运营商正逐步从城市区域转向农村区域拓展。但农村地广人稀，光纤外线覆盖成本高而初期渗透率比较低，从解决方案层面看，运营商亟需一种更加适合农村区域光纤基础网络的建设和管理方式，让农村宽带建设能够既省钱又高效地推进。

从技术演进趋势来看，光纤基础网络的长远发展应同时兼顾建设和管理两个阶段：建设阶段将以"快"为关键字，向接入灵活化、预制化方向发展；而管理阶段将以"准"为关键字，向智能化、自动化方向发展。

优点频带宽频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。在VHF频段，载波频率为48．5MHz～300Mhz。带宽约250MHz，只能传输27套电视和几十套调频广播。可见光的频率达100000GHz，比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗，使频带宽度受到影响，但在最低损耗区的频带宽度也可达30000GHz。单个光源的带宽只占了其中很小的一部分(多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达10GHz以上)，采用先进的相干光通信可以在30000GHz范围内安排2000个光载波，进行波分复用，可以容纳上百万个频道。2

损耗低在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1、31um的光，每公里损耗在0．35dB以下若传输1．55um的光，每公里损耗更小，可达0．2dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引人均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。2

重量轻因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um～10um，外径也只有125um，加上防水层、加强筋、护套等，用4～48根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。2

抗干扰强因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。2

保真度高因为光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引入新的非线性失真。只要激光器的线性好，就可高保真地传输电视信号。实际测试表明，好的调幅光纤系统的载波组合三次差拍比C/CTB在70dB以上，交调指标cM也在60dB以上，远高于一般电缆干线系统的非线性失真指标，失真性大大降低。2

性能可靠我们知道，一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器)，可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万～75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。2

成本下降有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律（Optical Law）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势，成为建立全省、以至全国有线电视网的最主要传输手段。2

通信原理光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式。由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光-光纤通信。

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信。中国光纤通信已进入实用阶段。2

缺点光纤易断。质地脆、机械强度低，连接比较困难，技术要求较高，分路、藕合不方便，弯曲半径不宜太小等。另外，无论是光缆布线还是光纤设备，价格仍过于昂贵。2

未来应用按理论计算：就光纤通信常用波长1.3微米和1.55微米波长窗口的容量至少有25000GHz。自然会想到采用多波长的波分复用技术WDM(WavelengthDivisionMultiplex)。1996年WDM技术取得突破，贝尔实验室发展了WDM技术，美国MCI公司在1997年开通了商用的WDM线路。光纤通信系统的速率从单波长的2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地发展到多波长的Tb/s(1Tb/s=1024Gb/s)传输。当今实验室光系统速率已达10Tb/s，几乎是用之不尽的，所以它的前景辉煌。2

光纤上网光纤上网一般指的是接入端是独享光纤，企业如果使用了光纤上网，通常来说内网是不需要做改变的，光纤由运营商接过来以后，这里用到一个关键的设备------光电转换器，经过它的转换可以把光信号转换为电信号，出来以后就是RJ45的接口，也就是我们通常网线的接口，可以直接接公司的路由器或者交换机，只需要再配上公网ip就能正常上网。这个设备光电转换器是有运营商提供的。2

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所