引入

我们为什么选择光通信呢？光的主要优势在于它的速度，即每秒 30 万公里。它传播得非常快。有发射器，有接收器，要将光从一段传输到另一端，就需要一个可以束缚光的通道，即，光纤。

要使用光纤束缚光，就需要制造全反射。实现全内反射的前提条件是，纤芯的折射率应大于包层的折射率（$n_1>n_2$）。

对于任何的通信系统，最重要的三个组件，是发射器、接收器，中间是光纤。因此，接下来的Part2将会讨论这三个部分：

发射器：讨论LED和激光
接收器：PIN 和其他类型的接收器，及
光纤：光纤类型与传输放大器等

光网络拓补

总览

核心光网络 Core optical network：国家与国家、城市与城市之间的超大容量光纤链路，例如从新加坡到旧金山。节点间距离：1000-10000 km

城域光网络 Metro optical network：这一层是承上启下的 “中间层”，覆盖一个城市、一个城市群或者一个省份。接入网里所有用户的流量，都会先汇总到城域网里；同时城域网也会把从核心网过来的流量，分发到各个接入网点。节点间距离：< 1000 km

接入光网络 Access optical network：这一层是 “最后一公里”，是光网络和我们终端用户直接接触的部分。比如NTU中的网络。覆盖距离：~100 m - 10 km

网络层级	单光波长（optical wave length）传输速率	典型传输距离	核心定位
Core 核心网	40-100 Gbit/s 每波长	> 1000 km	长途骨干、超大容量传输
Metro 城域网	1-40 Gbit/s 每波长	< 1000 km	本地汇聚、承上启下
Access 接入网	< 1 Gbit/s 每波长	< 10 km	终端用户接入、最后一公里

网络拓补的类型

P2P 拓补

点对点拓扑是所有网络拓扑中最简单的。在这种方法中，网络由两个端点之间的直接连接组成。

优势：

因为有直接连接，所以它比其他类型的连接更快、非常可靠。
不需要网络操作系统。
不需要昂贵的服务器，因为由个人工作站用于访问文件。
不需要任何专职的网络技术人员（dedicated network technicians），因为每个用户自己设置权限。

劣势：

最大的缺点是它只能用于最终用户距离很近的小范围区域。
无法集中备份文件和文件夹。
除了权限之外没有其他安全保障。

P2P拓补对于不同的应用，链路长度可以从一公里到数千公里不等。

对于距离较短的终端之间的数据链路（<10公里），光纤的损耗和带宽不是主要考虑因素。
对于跨洋数据链路，长度通常为数千公里。我们需要光纤既低损耗又高带宽

点对点通可以用于小范围低成本，换句话说，就是短距离。这仅仅是因为它更容易布置。例如NTU，每隔五六年，NTU 就会升级通信系统。在这种情况下，成本是首要考虑因素。所以如果我们想让你设计一个系统，使用P2P相对来说更容易。

对于点对点链路，比特率-距离乘积（BL乘积）通常用作系统性能的衡量标准。BL 产品取决于工作波长，因为光纤损耗和光纤色散都依赖于波长。

第一代光波系统的波长为 0.85 μm，BL乘积约为 1 (Gb/s)-km；第二代波长为 1.3 μm，BL乘积约为 25 (Gb/s)-km；第三代波长为 1.55 μm，BL乘积约为 1000 (Gb/s)-km。

Bus拓补

Bus拓扑使用一根连接所有节点的电缆。主电缆作为整个网络的骨干。

优势：

与其他拓扑相比，线缆成本非常低，因此广泛用于构建小型网络。
便宜且易于安装。
广泛用于小型、简单或临时的网络安装。
是一种无源拓扑，总线上的用户只负责监听发送的数据，不负责传输数据。

劣势：

如果公共主线缆发生故障，则整个系统将崩溃。
当网络流量很大时，会在网络中产生冲突。
当网络流量大或节点过多时，网络性能会显著下降。
线缆总是受到长度限制

Ring拓补

在环形网络中，每个设备恰好有两个相邻设备用于通信。由于其形成像一个环，每个节点连接到另一个节点，首尾相连，所有消息沿同一方向传输。

优势：

易于安装和重新配置。
为网络上的所有计算机提供平等的访问权限。
具有更快的错误检查和确认机制。

劣势：

流量通常是单向的。
单个环的断裂可能会导致整个网络中断的风险。
信号在环中持续循环，会产生不必要的功耗。
添加或删除节点会干扰网络活动。

Ring拓补在实际工程中有所应用，这被称为Fiber Distributed Data Interface (FDDI)：FDDI 使用双环架构，每个环上的流量沿相反方向流动（称为反向旋转 counter-rotating）。双环包括主环和辅助环。在正常操作过程中，主环用于数据传输，而辅助环保持空闲，一旦主环无法工作，副环就会接管。两个环的结构都是一样的，双环的主要目的是提供更高的可靠性和稳健性。

Star拓补

所有节点在集线器（中心节点）的帮助下连接。

优势：

便宜且易于安装，易于故障排除、设置和修改。
只有一个节点故障时，只有该节点受影响，其他节点仍可工作。
在节点少和网络流量低的情况下性能极快。
易于添加、删除和移动设备。

劣势：

如果集线器或集中器发生故障，连接的节点都将失效。
安装星形拓扑的成本较高。
整体性能完全取决于集线器的容量。

根据中心节点是有源还是无源设备，可分为有源星形或无源星形网络。

在有源星型中，所有进入的光信号都通过光接收器转换为电信号。然后，电信号被分配到各个节点发射器。
无源星形中，集线器只会将光信号分配给相邻节点。转换由每个节点完成。

一般来说，有源星成本更低。因为对于无源星，需要更多的设备来执行光电转换。

无源星形的功率

与总线拓扑 (Bus Topology) 类似，无源星形局域网能够支持的用户数量是有限的。这个限制主要来自于分配损耗。因为在无源网络中，光信号需要被物理分割并分发给所有的用户节点，用户数量越多，每个节点分到的信号功率就越弱。

无源星形配置中，功率分布取决于用户数量，对于NxN的星形，理想的到达每个节点的功率为 $P_{T}/N$（忽略传输损耗）。

在实际的物理设备中，星形耦合器通常是由多个更小的基础元件——定向耦合器（Directional Couplers）级联组合而成的，而这些内部组件本身会“吃掉”一部分光信号。定向耦合器的输出功率公式为：

$P_{N}=(P_{T}/N)(1-\delta)^{log_{2}N}$

其中$\delta$是每个定向耦合器的插入损耗 (Insertion Loss)。即信号每经过一个内部物理元件，就会额外损失掉的功率比例。

Mesh拓补

网络上的每台计算机都连接到其他所有计算机。它在网络的所有设备之间建立了P2P（点对点）连接，分为部分网状 (Partial Mesh) 和全网状 (Full Mesh)。

优势：

提供了高水平的冗余，即使一根网线出现故障，数据仍有替代路径到达目的地。
扩展网络时不会干扰当前用户。
节点拥有专用链路，因此不存在流量拥堵问题。
如果单一路线受阻，可以使用其他路线，系统非常稳健。
每个系统都有自己的隐私和安全性。

劣势：

安装复杂，因为每个节点都要连接到所有其他节点。
由于使用更多线缆导致成本昂贵，系统也没有得到适当利用。
需要巨大的空间来容纳和布设线缆。

Tree 拓补

树形拓扑有一个根节点，所有其他连接的节点形成一个层次结构（因此也称为分层拓扑 hierarchical topology）。它将多个星形拓扑组合在一条单一总线上，这是一种类似于总线和星形拓扑组合的常见网络（星型-总线拓扑），因此它的优势和劣势与他们俩也一样。

优势：

一个节点的故障永远不会影响网络的其余部分。
节点扩展快速且容易。
错误检测的过程非常容易。
易于管理和维护。

劣势：

是一种需要大量布线的拓扑结构。
如果添加了过多的节点，其维护工作会变得困难。
如果集线器或集中器发生故障，连接的节点也会随之失效。

Hybrid拓补

混合拓扑结合了两种或更多种基础网络拓扑。当两种不同的基本网络拓扑连接时，就是混合拓补。

优势：

提供了最简单的错误检测和故障排除方法。
是一种极其（most）有效和灵活的网络拓扑。
具有可扩展性，可以随时增加网络规模。

劣势：

混合拓扑的设计非常复杂。
成本在所有拓扑中是最高的。

如何选择网络拓补

总线拓扑 (Bus topology) 在安装网络时绝对是成本最低的。
如果您想使用较短的线缆，或者您计划在未来扩展网络，那么星形拓扑 (star topology) 是您的最佳选择。
全网状拓扑 (Fully mesh topology) 在理论上是一个理想的选择，因为每个设备都与其他所有设备相连。
如果您想使用双绞线进行网络连接，那么您应该构建星形拓扑 (star topologies)。

系统传输容量

光通信系统的迭代

第一代光通信系统

第一代通信系统是点对点连接的。其可以用LED，可以用激光器，传输中间也有再生器。传输模式也分单模多模。然而，这种点对点配置，无法满足数据传输的要求。

第二代通信系统：复用技术

为了解决GEN1的问题，出现了第二代光通信系统。第二代系统中引入了复用技术

对于复用技术而言，有时分、码分、空分、波分（频分）四种。只有时分和波分适合光纤传输。在早期使用TDM，而后期几乎都使用WDM了。

WDM技术

下图是一个WDM系统的实际拓补图。WDM技术标志着光网络真正开始：

WDM光谱中的每个波长可以遵循不同的光路一一从而实现沿网络路径的光学信号路由。
通过使用受激辐射原理对信号进行放大——无需光电转换，实现全光网络
可通过定期部署称为色散补偿光纤(DCF)的特殊光纤来补偿色散
放大器和DCF可以同时处理多个波长

在上图中，核心网使用了DWDM，这是什么呢？实际上，WDM有两种类型，一种是Coarse WDM（CWDM）（粗WDM），一种是Dense WDM（DWDM）（密集WDM）

CWDM

这里的“粗”指的是波长之间的间隔比较宽。CWDM 就像是在高速公路上划分了比较宽的专用车道，车道数量相对较少，但对车辆（激光器）的精度要求不高。CWDM的波长间隔通常为 20 nm。

因为信道间隔很宽，所以不需要高精度的激光器。它使用非制冷激光器（不需要复杂的温度控制系统来防止波长漂移），设备成本和功耗都比较低。

IUT G.694.2为CWDM推荐在1270nm-1610nm之间划分16个信道

DWDM

这里的“密集”指的是波长之间的间隔非常窄。DWDM 就像是在高速公路上画了极其密集的车道，车道数量极多，但要求车辆必须走得极其精准，不能有丝毫偏移。DWDM的波长间隔非常小，通常为 0.8 nm (100 GHz) 甚至 0.4 nm (50 GHz) 或更低。

它可以在一根光纤中复用 40、80、96 甚至 160 个以上的信道。它主要集中在 1550 nm 附近的波段（C 波段和 L 波段，通常是C段）。因为波长挨得太近，必须使用极其精确的制冷型激光器，确保波长不会因为温度变化而发生漂移，否则会导致相邻信道互相干扰。因此，设备成本和功耗都显著高于 CWDM。

CWDM vs DWDM

对于 DWDM，它有 80 个通道，但只覆盖了一个小的波长范围。所以这些通道在这个小的波长范围内是是密集的。对于 CWDM，只有 18 个通道，却覆盖了很宽的范围。因此，相对来说，更容易选择组件。对于 CWDM，它的成本更低。

粗波分复用 (Coarse WDM)	密集波分复用 (Dense WDM)
低成本设备	用途更广（更昂贵）
城域网	城域网和核心网
点对点 (P2P) 拓扑	P2P、环形、网状拓扑
最多支持 16 个信道，20 nm 间距	支持 >80 个信道，50 GHz 间距
传输距离最远约 80 公里（20 dB 衰减）	传输距离可达数千公里
无光放大	可使用 EDFA（掺铒光纤放大器）进行光放大
有时不支持 10G 波长	支持 100/400G 信道

CWDM和DWDM的放大器

光放大器可以在无需将光信号转换为电信号（O-E-O）的情况下，直接在光域上对信号进行功率补偿。

DWDM 的信道非常密集，且主要集中在 1550 nm 附近的 C 波段（1530 nm - 1565 nm）和 L 波段。巧合的是，EDFA（掺铒光纤放大器）的工作增益谱恰好也完美覆盖了这一区域，因此DWDM通常使用EDFA。而EDFA根本覆盖不完 CWDM的1270 nm 到 1610 nm，因此它对CWDM完全不适配。

当 CWDM 确实需要突破距离限制进行放大时，SOA（半导体光放大器）通常是唯一的选择。与 EDFA 依赖特定的稀土元素（铒）发光不同，SOA 是基于半导体材料的带隙发光。这意味着我们可以通过改变半导体的材料组分，将 SOA 制造在任意所需的波段（例如 1310 nm 窗口，这是 EDFA 绝对做不到的）。尽管 SOA 解决了 CWDM 的放大问题，但它存在噪声指数较高、输出功率较低以及强烈的非线性效应（容易引起信道间的串扰）等物理缺陷，因此在实际的长途传输中应用不如 EDFA 广泛。