四、光通信與微波通信
什麼是光通信？
光通信的本來含義是以光波為載波的通信。由於光纖開發的巨大成功，使得目前通常意義上的光通信都是指以光纖為傳輸媒質的通信方式，所以確切地應稱為光纖通信。大氣或真空也可以作為光波低損耗傳輸的理想媒質，以此為基礎，可以構成大氣或空間光通信係統，具有獨特的潛在開發價值。
隻涉及光載波及傳輸信道的光通信，稱為“狹義光通信”。由於光纖傳輸特性的無比優越性和近30年來的迅猛發展，促使整個通信係統和體製發生了一個又一個革命性的飛躍變化：從模擬到數字、從準同步到同步，從單線（點對點）到網絡，從窄帶到寬帶，直至從傳統的“通信”跨越到“傳輸”領域。可以說，已經擴展了的地麵“有線”通信，離開光纖的支撐已成為不可能。因此，應當把所有必須用光纖來傳輸的通信體係都納入光通信範疇，構成“廣義光通信”的概念。
按照傳統的看法，通常把電信網劃分為傳輸、交換和終端三個部分。由於光纖所天然具有的巨大帶寬優勢（理論上，光纖可用帶寬至少為25THz，比通常的全部無線可用頻譜30GHz大將近1000倍），在傳輸部分已經占據了毋庸置疑的主導地位，作為未來有線接入網部分的理想解決模式也已被業界所接受。在交換領域引入光交換，雖然從目前的角度看，可能為時過早（不包括傳輸網絡中的交換節點），但在目前可以想象的到的技術手段中，可能是唯一的解決方案。至於接入部分（通常在交換和終端之間），不但被人們所憧憬的“光纖到戶（FTTH）”必須以光通信為基礎，其他比較有競爭力的各種過渡方案，也幾乎沒有一種可以脫離光通信的範疇。因此，光通信作為現代通信的最重要支柱之一，已是無可爭議。
什麼是光纖通信？
如今，互聯網發展迅速，電子商務、遠程教育、信息檢索、文化娛樂、電視商品信息等應用對網絡傳輸的帶寬及速度的要求也越來越高，且要求多路圖像數據直接到用戶，但現有網絡不適應這種要求。而以光纖通信為基礎的光網絡能滿足這種要求，將給網絡帶來一場革命。相信不遠的將來，寬帶高速的用戶網絡光纖將普及到千家萬戶。
那麼，什麼是光纖通信呢？
光纖通信是利用光波在光纖中的傳播來傳送信息的。光纖，又稱光導纖維，直徑約100微米，比頭發還細。光纖通信的優點很多，主要有：通信容量大，中繼傳輸距離遠。普通電話頻率範圍為300~2400Hz，而一對電話線傳輸最高頻度為150khz，每對電話線最多隻能通十幾路電話。微波通信每個波道容量隻有960路，中繼距離50km，1000km需要建中繼站20個。一般同軸電纜每個波道容量隻有1800路，中繼距離6km，1000km需要中繼站66個。用光纖傳輸信息，一對光纖可以同時傳送150多萬路電話或2000多套電視節目，把光纖做成光纜，其容量就更大了，光纜的每個波道容量為6000路，中繼距離達130km，1000km隻需建7個中繼站，另外，光纖通信可以節省大量的銅和鉛等金屬，由於光纖是由玻璃製成的，不怕潮濕；光纖通信不受電磁幹擾，可在強電場環境下工作；光纖的抗腐蝕能力強，可以在有害氣體環境下工作；光纖的重量輕，光纖具有抗核輻射能力，保密性能。
目前，光纖通信的發展受到一些因素製約，主要有：相關的產品與技術不成熟；光纖資源缺乏，主要是城區光纖網與企業內部網之間的光纖連接短缺，如果仍用傳統導線連接，則失去了光纖傳輸具有的高速優勢；企業用戶不會在光纖網絡不成熟的情況下淘汰原有設備，而傳統寬帶服務能滿足用戶短期帶寬需求。
隨著製約因素的解決，如光頻複用技術（DWDM），相關光通信技術和集成光學的發展以及超低損耗光纖的開發，光纖通信的前景無限。業內專家指出：光纖網絡的發展對商務市場及全球信息係統的影響將不亞於INTERNET，IP時代將是全光通信網絡的時代。
光通信的曆史有多長？
用光來傳送信息，可能是人類最早應用的一種遠距離通信手段。人類學會取火和使用工具的同時就有了利用光進行通信的曆史。開始，人們用點火的方法使同伴在黑夜中知道自己的位置，後來發展到利用烽火來傳送簡單的信息。古代的“烽火台”是大家都知道的古老的光通信手段。後來人們又聯想到利用“有光“和“無光”的兩種狀態，來傳送更多的信息。例如用燈的亮和滅，可以發出各種信號。這種通信方式至今仍在船舶上使用。
利用光來傳送電話也有100多年的曆史了。以發明電話而著名的貝爾，在1876年發明了電話之後，就想到利用光來通電話的問題。1880年，貝爾製作了一台叫做“光電話”的裝置，利用太陽光作光源，用硒晶體作為接收光信號的器件，進行了實驗，達到了能與最遠相距213米的人通話。貝爾本人認為：在他的發明中，光電話是最偉大的發明。
利用光在大氣中傳送信息方便簡單，所以人們開始研究的光通信都是這種方式。但是光在大氣中的傳送要受到氣象條件的很大限製，遇到下雨、下雪、陰天、下霧等情況，由於能見度大大降低，使信號傳輸受到很大阻礙。此外，太陽光、燈光等普通的光源，都不適合作為通信的光源，因為從通信技術上看，這些光都是帶有“噪聲”的光。也就是說，這些光的頻率不穩定、光的性質是複雜的。因此，真要用光來通信，必須要解決兩個最根本性問題：一是必須有能穩定傳送光的介質；另一個問題是必須要找到理想的光源。長期以來，由於這兩項關鍵技術沒有得到解決，光通信就一直裹足不前。
光纖通信係統怎樣構成？
最基本的光纖通信係統由數據源、光發送端、光學信道和光接收機組成。其中數據源包括所有的信號源，它們是話音、圖象、數據等業務經過信源編碼所得到的信號；光發送機和調製器則負責將信號轉變成適合於在光纖上傳輸的光信號，先後用過的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光學信道包括最基本的光纖，還有中繼放大器EDFA等；而光學接收機則接收光信號，並從中提取信息，然後轉變成電信號，最後得到對應的話音、圖象、數據等信息。
光纖傳輸係統是數字通信的理想通道。與模擬通信相比較，數字通信有很多的優點，靈敏度高、傳輸質量好。因此，大容量長距離的光纖通信係統大多采用數字傳輸方式。
光纖是怎樣傳輸信號的？
光纖為什麼會像金屬導線那樣能夠傳輸信號呢？在這裏首先要清楚光纖到底是什麼東西。光纖為光導纖維的簡稱，由直徑大約為0.1mm的細玻璃絲構成。
它透明、纖細，雖比頭發絲還細，卻具有把光封閉在其中並沿軸向進行傳播的導波結構，它由折射較高的纖芯和折射率較低的包層組成，通常為了保護光纖，包層外還往往覆蓋一層塑料加以保護,其中纖芯的芯徑一般為50或62.5μm，包層直徑一般為125μm。光纖通信就是因為光纖的這種神奇結構而發展起來的以光波為載頻，光導纖維為傳輸介質的一種通信方式。
現在所說的通信光纖，是由纖芯和包層兩部分組成的。纖芯區域完成光信號的傳輸；包層則是將光封閉在纖芯內，並保護纖芯，增加光纖的機械強度，目前，通信光纖的纖芯和包層的主體材料都是石英玻璃，但兩區域中摻雜情況不同，因而折射率也不同。纖芯的折射率一般是1.463～1.467（根據光纖的種類而異），包層的折射率是1.45～1.46左右。也就是說，纖芯的折射率比包層的折射率稍微大一些。這就滿足了全反射的一個條件。當纖芯內的光線入射到纖芯與包層的交界麵時，隻要其入射角大於臨界角，就會在纖芯內發生全反射，光就會全部由交界麵偏向中心。當碰到對麵交界麵時，又全反射回來：光纖中的光就是這樣在芯包交界麵上，不斷地來回全反射，傳向遠方，而不會漏射到包層中去。
當光纖彎曲時，光線是否還能沿光纖傳播呢？因為任何通信線路都不可能完全筆直。回答是肯定的。當光纖拐彎時，隻要彎曲不十分厲害，光也不會折射到包層中去，仍然會全反射回來，隻是來回反射的次數增多了。彎曲給光纖帶來的光能損耗是很小的，例如把1km光纖繞在直徑約10cm的圓筒上，所增加的光能損耗隻有萬分之幾，可以忽略不計。
對電信號來說，隻要把放大器的輸出端與傳輸線連接起來，電信號就被送入線路中。而對光通信來說，情況就比較複雜了。光源發出的光照射在光纖端麵上，照射在光纖端麵上的光的一部分是不能進入光纖的，如其中的一部分從光纖端麵反射掉了。能進入光纖端麵的光也不一定能在光纖中傳播，隻有符合某一特定條件的光才能在光纖中發生全反射而傳到遠方。
當光線從空氣中以某一入射角射入光纖端麵時，由於空氣折射率約為1，而石英光纖的折射率約為1.5。此時，光是從低折射率介質向高折射率介質傳播，因此，在此種情況下，入射角總是大於折射角。光在光纖端麵的反射很小，在此不予考慮。
當光線以某一角度射入纖維端麵時，入射光線與纖維軸心線之間有一夾角，稱為纖維端麵入射角。光線折射進入光纖芯子後，繼續入射到纖芯與包層之間的交界麵上。當射入纖芯和包層交界麵的光線的角度合適時，就可以產生全反射。否則光線就可能進入包層，這是人們不希望的。所以，進入光纖中的光必須以一定的角度範圍入射，如果超過此範圍，則會有一部分光線進入了包層，而跑到光纖外麵去了。
什麼是全光通信？
首先要聲明一點的是，全光通信技術也是一種光纖通信技術，該技術是針對普通光纖係統中存在著較多的電子轉換設備而進行改進的技術，該技術確保用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部采用光波技術，即數據從源節點到目的節點的傳輸過程都在光域內進行，而其在各網絡節點的交換則采用全光網絡交換技術。全光通信的實現，可以分為兩個階段來完成：首先是在點-點光纖傳輸係統中，整條線路中間不需要作任何光/電和電/光的轉換，這樣，網內光信號的流動就沒有光電轉換的障礙，信息傳遞過程無需麵對電子器件速率難以提高的困難。這樣的長距離傳輸完全靠光波沿光纖傳播，稱為發端與收端間點-點全光傳輸。那麼整個光纖通信網任一用戶地點應該可以設法做到與任一其他用戶地點實現全光傳輸，這樣就組成全光傳送網；其次在完成上述用戶間全程光傳送網後，有不少的信號處理、儲存、交換，以及多路複用/分接、進網/出網等功能都要由電子技術轉變成光子技術完成，整個通信網將由光實現傳輸以外的許多重要功能，完成端到端的光傳輸、交換和處理等，這就形成了全光通信發展的第二階段，將是更完整的全光通信。
全光通信網由全光內部部分和通用網絡控製部分組成，內部全光網是透明的，能容納多種業務格式，網絡節點可以通過選擇合適的波長進行透明的發送或從別的節點處接收。通過對波長路由的光交叉設備進行適當配置，透明光傳輸可以擴展到更大的距離。外部控製部分可實現網絡的重構，使得波長和容量在整個網絡內動態分配以滿足通信量、業務和性能需求的變化，並提供一個生存性好、容錯能力強的網絡。
什麼是光接入網？
所謂光接入網（OAN）就是采用光纖傳輸技術的接入網，泛指本地交換機或遠端模塊與用戶之間采用光纖通信或部分采用光纖通信的係統。通常，OAN指采用基帶數字傳輸技術，並以傳輸雙向交互式業務為目的的接入傳輸係統，將來應能以數字或模擬技術升級傳輸帶寬廣播式和交互式業務。
在北美，美國貝爾通信研究所規範了一種稱為光纖環路係統（FITL）的概念，其實質和目的與ITU－T所規定的OAN基本一致，兩者都是指電話公司采用的主要適用於雙向交互式通信業務的光接入網結構。目前的接入網仍然主要是銅纜網，約占94%，攜帶的業務主要是電話業務。銅纜網的故障率很高，維護運行成本也很高，僅美國貝爾電話運營公司每年用於其用戶銅纜網維護運行和滿足新用戶增長要求的花費，就達30億美元。在光通信時代，花費巨額費用去維護運行一個將要淘汰的銅纜網，實在是迫不得已之舉。OAN和FITL概念的提出，正是為了達到將上述大規模接入網投資和花費逐漸轉向光纖的目的。
總的看，在電信網中引入OAN或FITL的最基本的目標有兩個：首先是為了減少銅纜網的維護運行費用和故障率；其次是為了支持開發新業務，特別是多媒體和帶寬新業務，從而加強競爭力，增加新業務收入，補償建設光接入網所需的新投資。除了上述兩個基本目標外，采用光接入網，可以滿足用戶希望較快提供業務，提高業務質量和可用性的要求，也可以節約城市擁擠不堪的地下管道空間，延長傳輸覆蓋距離，適應擴大的本地交換區等其他目的，其結果當然也把接入網的數字化，進一步推向了用戶。簡言之，采用光接入網已經成為解決電信發展瓶頸的主要途徑，其應用場合不僅最適合那些新建的用戶區，而且也是需要更新的現有銅纜網的主要代替手段。
什麼是光纖定律？
隨著互聯網的發展，人們提出了網絡時代的三大定律:
第一定律：摩爾定律。
早在1964年，英特爾公司創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）在一篇很短的論文裏斷言：每18個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。這就是著名的摩爾定律。由此，微處理器的速度會每18個月翻一番。這就意味著每5年它的速度會快10倍，每10年會快100倍。同等價位的微處理器會越變越快，同等速度的微處理器會越變越便宜。可以想見，在未來，世界各地的人不但都可以通過自己的計算機上網，而且還可以通過他們的電視、電話、電子書和電子錢包上網。作為迄今為止半導體發展史上意義最深遠的定律，摩爾定律被集成電路近40年的發展曆史準確地驗證著。
第二定律：吉爾德定律。
喬治·吉爾德曾預測，在未來25年，主幹網的帶寬將每6個月增加一倍，其增長速度超過摩爾定律預測的CPU增長速度的3倍。今天，幾乎所有知名的電訊公司都在樂此不疲地鋪設纜線。當帶寬變得足夠充裕時，上網的代價也會下降。在美國，今天已經有很多的ISP向用戶提供免費上網的服務。
第三定律：麥特卡爾夫定律。
以太網的發明人鮑勃·麥特卡爾夫告訴我們：網絡價值同網絡用戶數量的平方成正比。如果將機器聯成一個網絡，在網絡上，每一個人可以看到所有其他人的內容，100人每人能看到100人的內容，所以效率是10000。10000人的效率就是100000000。
聯合國“1999世界電信論壇會議”副主席約翰·羅斯在10日論壇開幕演說時提出“新摩爾定律”——光纖定律，互聯網帶寬每9個月會增加一倍的容量，但成本降低一半，比晶片變革速度的每18個月還快。
摩爾定律用來形容半導體科技的快速變革，平均每18個月，晶片的容量會成長一倍，成本卻減少一半；“光纖定律”（Optical Law）則用來形容網絡科技。上麵是幾種關鍵技術的發展速度示意圖。
什麼是光纖接入技術？
光纖在接入網中也占有傳輸媒介的主導位置，特別是當帶寬成為業務瓶頸的時候。
光纖接入是指局端與用戶之間完全以光纖作為傳輸媒體。光纖接入可以分為有源光接入和無源光接入。光纖用戶網的主要技術是光波傳輸技術。目前光纖傳輸的複用技術發展相當快，多數已處於實用化。複用技術用得最多的有時分複用（TDM）、波分複用（WDM）、頻分複用（FDM）、碼分複用（CDM）等。
根據光纖深入用戶的程度，可分為FTTC、FTTZ、FTTO、FTTF、FTTH等。FTTH是接入網的長期發展目標，各個國家都有明確的發展目標，但由於成本、用戶需求和市場等方麵的原因，FTTH仍然是一個長期的任務。
目前主要是實現FTTC，而從ONU到用戶仍利用已有的銅線雙絞線，采用xDSL傳送所需信號。根據業務的發展，光纖逐漸向家庭延伸，從窄帶業務逐漸向寬帶業務升級。WDM-PON超級PON可以適應將來更進一步發展的需要。
我國接入網當前發展的戰略重點已經轉向能滿足未來寬帶多媒體需求的寬帶接入領域（網絡瓶頸之所在）。而在實現寬帶接入的各種技術手段中，光纖接入網是最能適應未來發展的解決方案，特別是ATM無源光網絡是綜合寬帶接入的一種經濟有效的方式。
另外，接入網的規劃涉及到技術、經濟、標準、政策法規等多方麵的問題，並非某一商家持有先進的技術就能投入市場運營。
什麼是波分複用技術？
在模擬載波通信係統中，為了充分利用電纜的帶寬資源，提高係統的傳輸容量，通常利用頻分複用的方法，即在同一根電纜中同時傳輸若幹個信道的信號，接收端根據各載波頻率的不同，利用帶通濾波器就可濾出每一個信道的信號。
同樣，在光纖通信係統中也可以采用光的頻分複用的方法來提高係統的傳輸容量，在接收端采用解複用器（等效於光帶通濾波器）將各信號光載波分開。由於在光的頻域上信號頻率差別比較大，人們更喜歡采用波長來定義頻率上的差別，因而這樣的複用方法稱為波分複用。
所謂WDM技術就是為了充分利用單模光纖低損耗區帶來的巨大帶寬資源，根據每一信道光波的頻率（或波長）不同可以將光纖的低損耗窗口劃分成若幹個信道，把光波作為信號的載波，在發送端采用波分複用器（合波器）將不同規定波長的信號光載波合並起來送入一根光纖進行傳輸，在接收端，再由一波分複用器（分波器）將這些不同波長承載不同信號的光載波分開的複用方式。由於不同波長的光載波信號可以看作互相獨立（不考慮光纖非線性時），從而在一根光纖中可實現多路光信號的複用傳輸。雙向傳輸的問題也很容易解決，隻需將兩個方向的信號分別安排在不同波長傳輸即可。根據波分複用器的不同，可以複用的波長數也不同，從幾個至幾十個，甚至上百個不等，現在商用化的一般是8波長和16波長係統，這取決於所允許的光載波波長的間隔大小，右麵是其WDM係統組成圖。