光纤通信传输原理详解
所谓光纤，光导纤维的简称，是一种由玻璃或者其他材料制成的光波导。光能够在光纤中传输最基本的原理就是全反射。
图3 光纤的基本结构
那么第一个问题来了， 是不是只要满足全反射这个条件的光都能在光纤中传导下去？答案：不是，还需要满足一个条件：相位匹配条件 。怎么又是相位，哎，没办法，只要涉及到光，涉及到干涉，必定出现相位匹配这个东西！上一期非线性光学中也提到过相位匹配，干涉条件里面也有一项要求是相位差恒定。好，接下来进入高能时间。
首先，光纤中的光传输要求满足全反射条件，即图4中θi角要大于全反射临界角，那么是否所有大于全反射临界角入射的光线都能传输，换句话说，入射角度是否和相位匹配条件有关？好，接下来我们分析图4。
图4 光纤传输相位匹配计算
图4中绿色和紫色的表示某一个角度的一系列平行光，蓝色虚线是等相面（与入射光垂直），我们要的相位匹配条件就是让这系列平行光满足同相位，也就是BC和EF光程差走过的相位差要是2π的倍数，根据公式2π/λ×光程差=相位差，我们得到了以下公式：
上式中为什么多减了2项，那是因为全反射的时候，并不是在界面处就直接反射，而是存在倏逝波，会有一定的深度，这是会引起一定的相位变化，这个相位变化大小与两种材料的折射率有关，是个固定值，所以需要把2次反射的相位差给减掉。然后再根据几何原理计算BC-EF用纤芯直径d和入射角θi表示，于是得到如下公式：
好，公式结束，如果你没看懂，这个不重要，重要的是我们得到了这个相位匹配条件跟什么有关系， 显然，如果光纤确定的情况下（直径d和折射率n），不同的m值，会对应不同的入射角θi，这就是我们所说的多模（式） ，而且这个入射角是离散的。
图5 光纤不同模式光斑分布图（图片来源于网络）
反推，如何实现单模光纤？根据上面公式，让光纤纤芯直径d在某一个范围内，使得m取值只能等于0，不能等于1，那么这根光纤就是单模光纤。 所以正常情况下，单模光纤的纤芯直径较小，在4~10 μm；多模光纤的纤芯直径较大，在50 μm以上 。
光纤特性
前面阐述了光纤的传输原理，接下来再介绍光纤最重要的2个特性。第一个：损耗，即衰减。为什么光纤通信最近几十年才发展起来，因为之前光在材料中损耗太严重，导致没太大的利用价值，直到高琨先生实现了光波损耗在20 dB/km以下的光通信要求。
好，第二个问题来了， 光在光纤中传输的损耗是由什么造成的？很简单，大部分人都能想的到，可以分为三类：吸收、散射以及弯曲。
吸收损耗，就是指材料对光的吸收。制造光纤的二氧化硅材料本身就吸收光，所以会造成一部分的损耗，其次杂质对光的吸收，例如一些有害的金属杂质铜、铁、铬、锰等，所以通过对光纤材料的提纯，可以大大减低光纤的吸收损耗。石英光纤中还有个重要的吸收源：氢氧根（OH-），我们知道水在红外波段有吸收峰，所以氢氧根对光纤的影响也非常大，而且不易被清除。例如，在1.39 μm波段，含量仅为万分之一的氢氧根吸收损耗能高达33 dB/km。
散射，在第8期：光的散射中详细介绍过，光纤中也会有散射，包括瑞利散射，强光下的非线性散射：拉曼散射、布里渊散射等。这是正常的材料散射，另外还有一种就是波段散射，即因为光纤结构的不完善引起的散射衰减，比如光纤熔接时候的散射、光纤本身材质不均匀、有气泡等。
第三种：弯曲。弯曲为什么会产生损耗？因为光在光纤中传输是基于全反射原理，如果弯曲过度会造成弯曲部分会因为不满足全反射角的条件导致一部分光透射到包层中去，从而造成一部分光的损失。
好，前面讲了光的损耗，接下来讲另外一个特性：色散。色散，顾名思义，颜色散开了，也就是不同波长（频率）的光传播速度不一致，导致跑得不一样快，脉冲就会展宽。
图6 材料色散图（图片来源于网络）
其实色散可以分为三种：材料色散、模式色散、波导色散。图5就是材料引起的色散；模式色散是指在不同模式情况下，光走过的路程长短是不一样的，因此到达终点的时间不一致，这也会引起色散；最后一种波导色散是指在同一个模式下，一部分光（与频率无关，所以不是材料色散）因为在纤芯和包层没发生全反射，而在包层和涂覆层之间反射全反射，所以导致这部分光通过了包层然后再回到纤芯中传播，所以与另一部分同频率的光只在纤芯中传播的传输距离不一致，从而导致了同频率光的色散。
光纤传感与通信
接下来，让我们从理论回到现实中吧。光纤最初的用途是用来通信的，所以现在我们来回答第三个问题：通常我们会说，人太帅拖网速，啊不，网速（10M，20M，50M等）有快有慢，那这网速到底指的是什么，由什么决定？
举个例子，10M的带宽，下载速度就是10Mbit/s，对应网速就是1.25MByte/s。所以如果要提高网速，其实就是要增加光纤的带宽。那带宽又是啥？很好理解，带宽就是频率带的宽度，也就是光在光纤中传输的时候，我们最基本的要求肯定是传输信号要正确的，不能误码，否则不就出错了嘛。但是由于色散特性的存在，不同频率的光跑得不一样快，所以在时域频带会展宽，这导致各码元之间会重叠，为了保证正确性，就需要加大码元之间的时间间隔，自然会降低容量。 所以，影响光纤带宽的因素是光纤的色散特性，光纤的色散愈小，光纤的带宽愈宽。
最后一个问题，光纤除了传输光信号，还能用来做啥？用来做传感，检测各种物理条件。小的时候，我经常在想，你把光缆全部埋在地底下或者海洋底下，如果某一点坏了，你怎么知道哪里坏了？
图7 光纤瑞利散射回波信号图
从图7可以看到，利用瑞利散射的特性，我们可以得到散射回来光信号的分布图，损耗是随着距离增大逐渐增加的，如果在某一处有跳变，说明这个地方损耗比较严重，应该是节点之类的。如果在某个节点彻底断了，没有回波信号，那么根据距离=速度*时间的原理，通过测得这个点回来信号的时间，就能大致计算出这个断点的位置。
另外，光纤所在的外部环境：压力或者温度都会对光纤的衰减产生一定的影响，所以就可以利用这一特性来检测外部环境条件。以分布式布里渊散射传感为例，众所周知，当在强光作用下光纤会产生非弹性散射，包括布里渊散射，而布里渊散射会受到压力和温度的影响。所以，我们根据布里渊频移的量，就能得到一个方程，关于压力和温度的二元一次方程。如果要解出这二个变量，我们还需要再来一个不相关的函数，否则谁知道压力和温度这二个量变化的贡献大小。恰好，瑞利散射强度也会随着压力和温度的变化而变化，而布里渊散射的强度刚好是瑞利散射强度的常数（理论证明是一个定值）倍，这样联立这2个方程组，我们就能解出压力和温度这2个未知数。
大话光网络（传输网）
1966年，华人科学家高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文，该论文开创性的提出利用玻璃纤维代替导线进行传输，自此拉开了光通信的大门。
在初中物理课上，我们就学习到光在不同介质当中传播的速度是不同的，设真空中的光的传播速度为C，在其他透明介质的传播速度为Cλ，则该物质的折射率为n=C/Cλ。折射率大的介质我们叫做光密物质，折射率小的物质我们叫做光疏物质。光在两种不同的介质交界处会产生折射和反射，如下图所示：
光从光密物质传播到光疏物质，当入射角大于一个临界值的时候，折射光会消失，这时发生了全反射。这就是光纤通信的基本原理，光信号以一定的角度投射到光纤当中，光纤由多层介质包裹，经过多次全反射，最终到达目的地，完成信息传输。
先在的光通信市场可以划为三大类：光通信系统、光器件、光纤光缆。光纤光缆是光通信的介质，研发技术含量不高，主要厂商有康宁、长飞、恒通光电、藤仓等，中国的光纤光缆产量占到了全球的50%左右。由于现在的通信设备都是电子设备，内部的通信信号是电信号，由光纤传递过来的信号是光信号，把光信号转换成电信号、信号衰减了我们需要进行放大等，完成这部分功能的器件我们叫做光器件。该部分技术含量较高，主要厂家有Finisar、Avago、JDSU，以及国内唯一进入全球前五的光迅科技，国内厂家实力相对薄弱，以光模块为例，100G的商用高速光模块基本依靠进口。利用光信号进行数据传输的设备我们叫做光通信系统，设备厂家采购通用的器件、芯片，设计和制造光通信设备，其中高端芯片主要依靠进口，中低端芯片国内厂商可以自给。主要厂商有华为、中兴、诺基亚、讯远通信、烽火通信，占据了全球80%以上的份额。光通信设备从最早的PDH演进到SDH，WDM到OTN，以及现在承载网使用的PTN/IPRAN、接入PON网络，该部分是本文介绍的重点内容。
PDH：准同步数字系列（Plesiochronous Digital Hierarchy），在数字通信系统中传输的都是数字化的脉冲序列，设备之间保持速率一致的过程我们叫做同步，时钟的精度在可接收的范围内，我们叫做准同步。客户的低速信号进入系统，相同低速信号复用成高速信号进行传输，到另外一端进行解复用，再传给客户。PDH没有一个统一的世界性标准（北美1.5Mbps，日本1.5Mbps和6.3Mbps、欧洲2Mbps），造成国际通信困难，不利于通信发展。
SDH：同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy），SDH 规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级、接口码型等特性，提供了一个在国际上得到支持的框架，在此基础上就可以发展并建成一种灵活、可靠、便于管理的世界电信传输网。它将E1信号（2Mbit）复用到STM-N（STM-N=N*63*E1,N=1/4/14/64）当中，它能与现有的PDH兼容，易扩展。无论是SDH还是PDH都是时分复用TDM，就是将一个标准时长（1秒）分成若干段小的时间段（8000），每一个时间段（1/8000=125us）传输一路信号。这样的好处是信息传输可靠，时延低。无论该时段是否有客户数据，通道都为客户预留，是以牺牲链路资源实现的。后来为适配以太网业务，SDH客户侧可以接入以太网信号，这就是MSTP（Multi-Service Transfer Platform：多业务传送平台）。
WDM:波分复用（Wavelength Division Multiplexing），在一根光纤上传输不同波长的信号，扩宽了信道，复用的速率为2.5Gbit、10Gbit，中间还有进行信号补偿的OA放大器，使得远距离、大容量通信成为可能。WDM在设计之初没有加入管理信道，通信波道划分之后全程都要求是同一波道，除非经过了高速段（光再生段），才能更换波道。针对以上缺点，OTN应运而生。
OTN：光传送网(OpticalTransportNetwork）,OTN是在WDM的基础上添加了管理信号OAM、灵活的调度（光层、电层调度），规定了统一大小的传输单元，根据需求提高发送频率、完善的保护方式等。
PTN/IPRAN：介绍这两种设备之前我们现介绍一下MPLS（多协议标签交换，Multi-Protocol Label Switching）协议，在mac头部和ip头部中间插入了标签，标签可以多层嵌套（各个厂家处理的可能不同，有的是将客户过来的数据全部当成载荷，在外层添加自己的mac头部和标签，客户的数据从进入到出运营商的MPLS网络连mac都不会发生变化，这就是透明传输）。以标签代替IP进行数据转发，定义了CE(客户侧设备)、PE（MPLS网络边缘设备）、P（MPLS核心设备）。对数据有三种动作：当数据从CE设备传递给PE设备时，将标签压入（PUSH），经过中间P节点进行标签交换（SAWP），当数据到达另外一端的PE设备时将标签弹出（POP）。
是的无论是PTN还是IPRAN都是以采用的MPLS技术，那么两种设备构成的静态网络和动态网络有什么不同呢？我认为最大的不同在于两者对标签分发的方式不同。静态网络中利用网管，采用手工分发标签；而动态网络则是依靠设备间的协议（RSVP、LDP）来进行标签分发，如果数据的传递为A—>B，那么B是A的下游（Downstream），A是B的上游（Upstream），要注意的是标签分发的方向与数据传递的方向相反，总是下游给上游分配标签。
运营商为什么会选择MPLS进行数据传输呢，相比与以太网有哪些优势？
MPLS控制平面采用无连接，传输平面采用面向连接，可靠性高。能严格约束路由，对数据QOS可以进行映射调度，使得流量工程成为可能。支持多种网络技术，使得各种不同的网络层传输技术可以统一在同一MPLS平台。下面以LTE回传业务为例，现网如何部署一张MPLS网络：
网络拓扑：运营商网络承载的业务主要是无线（2G、4G）回传业务、集客专线、OLT（家庭宽带业务，流量大一般采用裸纤或OTN接入），现在网络中的主要流量是LTE回传业务。手机用户访问无线基站（eNodeB），无线基站上联GE端口到MPLS网络，再通过MPLS网络连接到核心网（LTE核心网（EPC）主要有三类设备：MME，进行信令控制；SGW，处理用户数据；OMC，管理无线基站）。LTE业务定义了两种连接：S1，访问核心网的流量；X2，基站之间互通的流量。该业务的流量特点就是下载的数据多（访问核心网）；X2主要用于相邻基站的切换和互通，这种流量较小。由于这种业务特点，MPLS网络采取层次化的网络拓扑：接入、汇聚、核心，便于网络扩展。每个层次的拓扑形成环网和上层网络进行嵌套。接入层带宽1G、10G，汇聚核心层从10G、40G到100G，汇聚核心节点之间根据距离原理采取裸纤或OTN进行承载。以上是我从业以来的经验和总结，因笔者知识水平有限，文中有误的地方，欢迎各位专家批评指正。
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