1.光纖通信的發(fā)展
    為適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)信息的海量需求，光纖已經(jīng)逐漸取代電纜成為最主要的通信媒介。在上個(gè)世紀(jì)的最后十年，隨著美國(guó)“國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃”（National Information Infrastructure, NII）的實(shí)施及其對(duì)全世界的帶動(dòng)，光纜得到大量敷設(shè)，骨干通信網(wǎng)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)光纖化，并留下大量的冗余容量，使得光纖通信行業(yè)的發(fā)展，在2000年達(dá)到高峰之后轉(zhuǎn)入低谷，經(jīng)歷了大約三年的調(diào)整期之后，隨著光纖接入網(wǎng)的發(fā)展，光纖通信開始復(fù)蘇。光纖接入網(wǎng)的發(fā)展，以光纖到戶（Fiber to the Home, FTTH）為主導(dǎo)，首先在日本得到迅猛發(fā)展，目前北美和歐洲的FTTH市場(chǎng)業(yè)已啟動(dòng)，發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，國(guó)內(nèi)的FTTH市場(chǎng)還在醞釀之中，有望在未來的數(shù)年內(nèi)發(fā)展起來。光纖接入網(wǎng)的發(fā)展，為用戶提供了充足的通信帶寬，促進(jìn)了各種通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，而通信業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，特別是多媒體之類比較耗帶寬資源的業(yè)務(wù)，反過來促進(jìn)對(duì)骨干網(wǎng)容量的需求，帶動(dòng)骨干網(wǎng)進(jìn)入新一輪發(fā)展。
    光纖通信的發(fā)展歷史，至今已有三十多年，使光纖通信特別是密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM）光纖通信成為可能的關(guān)鍵要素有三個(gè)：低損耗的光纖、半導(dǎo)體激光器（Laser Diode, LD）和摻鉺光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA）。
    1966年，后來被譽(yù)為“光纖之父”的英籍華人高昆和他的同事Hockman，在論文《光頻的電介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》中首次提出利用玻璃纖維傳導(dǎo)激光的概念，并且明確指出通過材料提純光纖的損耗可以降到20dB/公里以下；1970年美國(guó)康寧公司的Maurer等人拉制出第一條損耗低于20dB/公里的光纖，當(dāng)時(shí)的傳輸波長(zhǎng)是633nm；至今1550nm波段的光纖損耗已降至0.2dB/公里以下，最近幾年發(fā)展起來的全波光纖，消除了1383nm附近的OH－吸收峰，使光纖通信波段擴(kuò)展到1260～1625nm，可容納近千個(gè)波長(zhǎng)信道。
    1962年美國(guó)通用電氣公司的Hall和Fenner制造了第一臺(tái)工作于超低溫下的半導(dǎo)體激光器，另外三個(gè)小組幾乎同時(shí)獨(dú)立制造出了類似的半導(dǎo)體激光器；1970年前蘇聯(lián)Loffe物理技術(shù)研究所的Alferov和美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Hayashi各自獨(dú)立研制成功第一臺(tái)能夠在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器[21-24]。前面提到的第一條低損耗光纖也是在這一年拉制成功，因此1970年被稱為光纖通信的元年，而第一個(gè)商用的光纖通信系統(tǒng)于1977年由美國(guó)通用電話和電子設(shè)備公司與貝爾系統(tǒng)公司在芝加哥合作建成。
1987年，英國(guó)南安普敦大學(xué)的Payne等人發(fā)明EDFA，被視為光纖通信發(fā)展的另一個(gè)里程碑，EDFA具有增益高、噪聲小、偏振不敏感、輸出功率大、與傳輸速率無關(guān)及放大區(qū)域正好對(duì)應(yīng)于光纖的最低衰耗窗口1550nm等特點(diǎn)，能夠補(bǔ)償光纖的衰耗，延長(zhǎng)傳輸中繼距離。單個(gè)波長(zhǎng)信道的電子時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM），加上DWDM+EDFA技術(shù)，使單根光纖的通信容量達(dá)到太比特量級(jí)。

2.點(diǎn)到點(diǎn)傳輸系統(tǒng)
   目前的光纖通信還處于點(diǎn)到點(diǎn)傳輸階段，如圖1.1所示，DWDM信號(hào)在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)被復(fù)用，經(jīng)過一段光纖線路和數(shù)個(gè)光放大器，在第二個(gè)節(jié)點(diǎn)被解復(fù)用和接收。光放大器分為功率放大器、線路放大器和前置放大器，其中線路光放大器可以有多個(gè)，每個(gè)光放大器可延長(zhǎng)無中繼距離大約80公里。

圖1.1 點(diǎn)到點(diǎn)傳輸?shù)腄WDM光纖通信系統(tǒng)

    在點(diǎn)到點(diǎn)傳輸系統(tǒng)中，目標(biāo)地址為其他節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，需經(jīng)第二個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)也需要先用光探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，解讀其協(xié)議格式和地址信息，再用半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。光－電－光轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn)是：
限制了通信速率，成為整個(gè)系統(tǒng)的帶寬瓶頸；
通信網(wǎng)絡(luò)中存在SDH、ATM、MSTP等各種協(xié)議格式的信息流，信息速率和調(diào)制方式也各不相同，光－電－光轉(zhuǎn)換過程對(duì)協(xié)議格式和通信速率不透明，使得轉(zhuǎn)換設(shè)備非常復(fù)雜；
大量復(fù)雜的高速電子設(shè)備使系統(tǒng)成本大大增加。

3.全光通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)
光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)是由點(diǎn)到點(diǎn)傳輸向動(dòng)態(tài)、智能化的全光通信網(wǎng)發(fā)展，全光通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，它由廣域網(wǎng)（Long Haul Network）、城域網(wǎng)（Metro Network）和接入網(wǎng)（Access Network）三級(jí)組成，其中廣域網(wǎng)為全互連的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)采用N維光交叉互連設(shè)備（Optical Cross Connect, OXC）；城域網(wǎng)和接入網(wǎng)為雙向光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)分別采用二維可重構(gòu)光分插復(fù)用器（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer, ROADM）和復(fù)用/解復(fù)用器；從接入網(wǎng)到終端用戶的分配網(wǎng)絡(luò)即光纖到戶（Fiber to the Home, FTTH），采用光分路器（Splitter）實(shí)現(xiàn)。廣域網(wǎng)與城域網(wǎng)之間通過一個(gè)二維ROADM節(jié)點(diǎn)連通，城域網(wǎng)與接入網(wǎng)之間通過一個(gè)四維OXC節(jié)點(diǎn)連通，分配網(wǎng)通過一個(gè)復(fù)用/解復(fù)用器與接入網(wǎng)的光纖環(huán)連通。此處ROADM和OXC的維數(shù)指的是用于節(jié)點(diǎn)之間互連的端口數(shù)，不包括本地上/下載端口，考慮光纖線路保護(hù)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間往往采用一對(duì)光纖相對(duì)傳輸，僅算作一個(gè)互連端口。

圖1.2 全光通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)
    相對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)通信，全光通信網(wǎng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
投資成本低，因?yàn)槭∪チ舜罅堪嘿F的高速電子設(shè)備；
運(yùn)營(yíng)成本低，可靠性提高，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)元件大大減少；
體積小，因?yàn)槭∪チ斯猓�電－光轉(zhuǎn)換，設(shè)備復(fù)雜度下降；
升級(jí)方便，因?yàn)椴捎霉饨粨Q，與通信速率和協(xié)議格式無關(guān)。

4.全光通信網(wǎng)的演化
現(xiàn)代社會(huì)的通信業(yè)務(wù)呈現(xiàn)多樣化，特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展，對(duì)帶寬資源的需求大大增加，而且業(yè)務(wù)量的預(yù)測(cè)也越來越困難，采用ROADM和OXC的動(dòng)態(tài)全光通信網(wǎng)，可以根據(jù)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展靈活配置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在全光通信網(wǎng)中，發(fā)展最快的是城域網(wǎng)，其業(yè)務(wù)量持續(xù)增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也在不斷演化。

  

   

圖1.3 城域網(wǎng)的演化
    考慮到器件的級(jí)聯(lián)特性，光信號(hào)能夠無需再生而透明通過的節(jié)點(diǎn)數(shù)量是有限的，一般為16～24個(gè)，而城域網(wǎng)中的總節(jié)點(diǎn)數(shù)量往往達(dá)到100～150個(gè)，因此城域網(wǎng)一般被分成數(shù)個(gè)互聯(lián)的環(huán)網(wǎng)，其中一個(gè)為核心環(huán)網(wǎng)，其他為分配環(huán)網(wǎng)。而一個(gè)新建的城域網(wǎng)，其初始節(jié)點(diǎn)數(shù)量一般只有20～50個(gè)，因此初始的城域網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是需要為將來的升級(jí)擴(kuò)容作好準(zhǔn)備，如圖1.3（a）所示。隨著新用戶的加入和業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)，初始環(huán)網(wǎng)中的光放大器可以直接被網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備取代，成為新的業(yè)務(wù)匯聚點(diǎn)，在核心環(huán)網(wǎng)的周圍也可以增加新的分配環(huán)網(wǎng)，如圖1.3（b）所示。隨著用戶數(shù)和業(yè)務(wù)量繼續(xù)增長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)和分配環(huán)網(wǎng)數(shù)繼續(xù)增加，城域網(wǎng)演化出更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1.3（c）和圖1.3（d）所示。
    由于城域網(wǎng)中演化出更多互聯(lián)的分配環(huán)網(wǎng)，需要更多和更高維數(shù)的OXC和ROADM設(shè)備。2006年9月，專業(yè)咨詢公司Heavy Reading發(fā)布ROADM設(shè)備市場(chǎng)研究報(bào)告，對(duì)前兩年的市場(chǎng)額度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)未來五年內(nèi)的市場(chǎng)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖1.4所示，預(yù)計(jì)2011年較2006年增長(zhǎng)246%，市場(chǎng)總額將達(dá)到9.2億美元。

圖1.4 ROADM設(shè)備市場(chǎng)預(yù)測(cè)