光通信技術(shù)的發(fā)展

在回顧了光纖通信發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，著重介紹了器件技術(shù)的成就、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展和復(fù)用技術(shù)的進(jìn)步；介紹了WDM全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展概況、未來光網(wǎng)絡(luò)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)和亟待解決的技術(shù)問題。最后，展望了未來10年光通信發(fā)展的技術(shù)前景和市場(chǎng)前景，指出了WDM全光網(wǎng)絡(luò)將是未來10年光通信發(fā)展的熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞: 光纖；波分復(fù)用；光時(shí)分復(fù)用（OTDM）；光碼分多址（OCDMA）；全光網(wǎng)絡(luò)

　　1 光通信技術(shù)的逐年進(jìn)步

　　光通信技術(shù)30年成就的主要標(biāo)志是傳輸容量的逐年增長(zhǎng)；技術(shù)進(jìn)步主要表現(xiàn)在光器件、多種復(fù)用方式和新穎的光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

　　光纖是光傳輸?shù)幕久劫|(zhì)。在數(shù)十年的發(fā)展過程中，光纖通信系統(tǒng)經(jīng)歷了三代：（1）工作波長(zhǎng)為0.85μm多模光纖光通信系統(tǒng)；（2）工作波長(zhǎng)為1.3μm多模光纖光通信系統(tǒng)和單模光纖光通信系統(tǒng)；（3）工作波長(zhǎng)為1.55μm單模光纖光通信系統(tǒng)。而色散位移光纖（DSF，G.653）是應(yīng)用于第三代光纖通信系統(tǒng)的一項(xiàng)重要成就。普通單模光纖的零色散點(diǎn)在1.31μm附近，色散位移光纖將零色散點(diǎn)從1.31μm移到1.55μm，有效地解決了1.55μm光通信系統(tǒng)的色散問題。

　　 光纖通信系統(tǒng)中使用的光源經(jīng)歷了從發(fā)光二極管到半導(dǎo)體激光器的進(jìn)步。目前，半導(dǎo)體激光器不僅可以在室溫下工作，而且其直接調(diào)制速率可以達(dá)到10Gbit/s乃至更高，逐漸滿足了高效率、高速率、低啁啾、大功率、長(zhǎng)壽命等要求。光纖與光源的逐年進(jìn)步解決了衰減和色散問題，其結(jié)果是增加了光纖系統(tǒng)的通信容量。

　　20世紀(jì)80年代發(fā)明的光纖放大器是光纖通信的一場(chǎng)革命。它節(jié)省了光電變換的中繼過程，而且實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)透明、速率透明和調(diào)制方式透明的光信號(hào)放大，從而誕生了采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)的新一代光纖系統(tǒng)商用化。

　　光纖放大器的發(fā)明和波分復(fù)用技術(shù)的采用迫使人們面對(duì)光纖的非線性效應(yīng)。于是科學(xué)家、工程師又推出了非零色散位移光纖（NZ-DSF，G.655）。非零色散位移光纖的主要種類包括大有效面積光纖、低色散斜率光纖和反常色散光纖。大有效面積光纖大大增加了光纖的模場(chǎng)直徑，光纖有效面積從55μm2增加到72μm2，在相同的入纖功率時(shí)，減小了光纖的非線性效應(yīng)；低色散斜率光纖的優(yōu)點(diǎn)是色散斜率小，僅為0.045ps/（nm2km），大大低于普通的色散斜率，因而可以用一個(gè)色散補(bǔ)償模塊補(bǔ)償整個(gè)頻帶內(nèi)的色散。為了將工作在1.55μm的采用波分復(fù)用技術(shù)的光纖系統(tǒng)應(yīng)用到已鋪設(shè)的第二代光纖系統(tǒng)（工作波長(zhǎng)為1.3μm）的光纜中去，色散補(bǔ)償光纖也應(yīng)運(yùn)而生。通過色散補(bǔ)償光纖和普通光纖的有效搭配，可以在傳輸鏈路上實(shí)現(xiàn)色散管理傳輸，顯著地增加系統(tǒng)容量和傳輸距離。新近推出的所謂全波光纖（All-wave fiber），消除了常規(guī)光纖在1385nm 附近由于OH 根離子吸收造成的損耗峰，使光纖在1310～1600nm的損耗都趨于平坦。圖1可以大致說明光纖技術(shù)的發(fā)展歷程。

圖1 光纖的發(fā)展歷程

　　在光纖放大器被新一代波分復(fù)用系統(tǒng)廣泛使用的同時(shí)，光纖放大器的研究和開發(fā)也在不斷進(jìn)步。最近五年，技術(shù)上已經(jīng)成熟的多種類型的光放大器（EDFA、GS-EDFA、TDFA、GS-TDFA和RFA）已經(jīng)覆蓋了1365-1650nm波長(zhǎng)范圍，使得在上述范圍內(nèi)實(shí)施波分復(fù)用成為可能。圖2給出了這些技術(shù)的波長(zhǎng)覆蓋。其中，拉曼放大器（RA）利用了光纖中的拉曼散射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大。由于受激拉曼散射效應(yīng)的閾值很高，這項(xiàng)光放大技術(shù)只是在近年來大功率半導(dǎo)體激光器的研制成功后才真正有可能走向?qū)嵱谩?br />

　　EDFA：摻鉺光纖放大器；GS-EDFA：增益位移摻鉺光纖放大器

　　TDFA：摻銩光纖放大器；GS-TDFA：增益位移摻銩光纖放大器；RFA：拉曼放大器

圖2 光放大器增益范圍

　　用波分復(fù)用的技術(shù)觀點(diǎn)思考問題，我們就又有了一個(gè)對(duì)光通信窗口的新認(rèn)識(shí)。我們把1570-1604nm的波長(zhǎng)范圍稱為L(zhǎng)波段，把短于1525nm的波長(zhǎng)范圍稱為S波段。這個(gè)波段因?yàn)槿ü饫w的研制成功可以擴(kuò)展到1365nm。這兩個(gè)波段又可以分別稱為光通信的第4窗口和第5窗口，如圖3所示。

圖3 光纖的通信窗口

　　2 全光網(wǎng)絡(luò)

圖4 光纖通信系統(tǒng)發(fā)展

　　 從1980年以來的20年間，隨著光器件的發(fā)展和光系統(tǒng)的演進(jìn)，光傳輸系統(tǒng)的容量已從Mbit/s發(fā)展到Tbit/s，提高了近10萬倍（見圖4）。從圖4中我們能清楚地看到采用WDM系統(tǒng)改變了光傳輸系統(tǒng)容量的增長(zhǎng)方式，突破了電子瓶頸或電子極限的限制。雖然圖4中沒有涉及到光空分復(fù)用、光時(shí)分復(fù)用和光碼分復(fù)用等復(fù)用技術(shù)，但上述的復(fù)用技術(shù)分別從空間域、時(shí)間域和碼字域的角度拓展了光通信系統(tǒng)的容量，豐富了光信號(hào)交換和控制的方式，開拓了全光放大和全光網(wǎng)絡(luò)的新篇章。

　　 從理論上講，全光網(wǎng)絡(luò)是指光信息流在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸及交換始終以光的形式實(shí)現(xiàn)，而不需要經(jīng)過光/電、電/光變換。也就是說，信息從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程中始終在光域內(nèi)。

　　 在光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)方面，同步數(shù)字序列（SDH）、異步傳遞模式（ATM）、傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議（TCP/IP）以及近期確定的多標(biāo)記協(xié)議交換（MPLS），都是最近十幾年來具有里程碑意義的技術(shù)成果，是目前人們組建全光網(wǎng)絡(luò)的主要依據(jù)。

　　在波分復(fù)用技術(shù)提出以后，波長(zhǎng)本身成為組網(wǎng)（分插、交換、路由）的資源。伴隨著光分插復(fù)用（OADM）和光交叉聯(lián)接（OXC）技術(shù)的逐步成熟，原來被認(rèn)為只是提供帶寬傳輸?shù)墓鈱娱_始有了組網(wǎng)能力，因此成為最近幾年光通信研發(fā)的熱點(diǎn)。一旦組網(wǎng)成功，光通信技術(shù)將不僅僅提供巨大帶寬，同時(shí)衍生出一系列的可優(yōu)化使用這些帶寬的組網(wǎng)資源。這種組網(wǎng)資源目前集中在波長(zhǎng)上，將來會(huì)細(xì)化到光時(shí)隙上或光分組上。

　　WDM全光網(wǎng)絡(luò)是基于WDM技術(shù)，以波長(zhǎng)作為組網(wǎng)資源，靈活可靠、性能穩(wěn)定的光網(wǎng)絡(luò)，它可以劃分為長(zhǎng)途骨干網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)和城域網(wǎng)三個(gè)等級(jí)。本地?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過本地節(jié)點(diǎn)提供的業(yè)務(wù)接口，如以太網(wǎng)接口、SDH接口、ATM接口等，接入WDM全光網(wǎng)絡(luò)。WDM全光網(wǎng)絡(luò)通過波長(zhǎng)路由機(jī)制實(shí)現(xiàn)路由選擇，具有良好的可擴(kuò)展性、可重構(gòu)性和可操作性。

　　當(dāng)然，從具體技術(shù)角度看，WDM全光網(wǎng)絡(luò)還存在著許多亟待解決的問題。首先，還沒有光邏輯器件，這就使得電層的許多結(jié)論和應(yīng)用方案必須要加上許多限制條件才能用到光層上；其次，光集成技術(shù)可以說剛剛起步，還很難預(yù)測(cè)其發(fā)展速度和對(duì)光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的影響力；第三，光節(jié)點(diǎn)技術(shù)本身的穩(wěn)定性、成本還是個(gè)難于確知的問題；第四，技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)都是復(fù)雜的事情，網(wǎng)絡(luò)功能的增強(qiáng)一般是以增加復(fù)雜性和成本為代價(jià)的，要取得較好的性價(jià)比不是容易的事情；最后，兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、充分利用已鋪設(shè)的光纖資源和開拓全新的建網(wǎng)思想，兩者之間還具有許多沖突。隨著這些問題的解決，未來的全光網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)入Tbit/s容量的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，同時(shí)為用戶提供速率透明、性能可靠的多業(yè)務(wù)（包括IP業(yè)務(wù)）接入。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，IP業(yè)務(wù)每年翻一番，而語(yǔ)音業(yè)務(wù)每年增長(zhǎng)7%；2000年，北美地區(qū)的IP業(yè)務(wù)已超過語(yǔ)音業(yè)務(wù)。IP業(yè)務(wù)的發(fā)展迫使傳統(tǒng)的以語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主的電信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生深刻的變革，ATM、千兆以太網(wǎng)和MPLS等寬帶技術(shù)逐漸成為骨干網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。這些核心技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展需要光通信技術(shù)的支持。光纖通信系統(tǒng)為寬帶網(wǎng)絡(luò)提供了更高速率、更高可靠性的鏈路傳輸，同時(shí)光網(wǎng)絡(luò)提供的組網(wǎng)能力進(jìn)一步提高了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議的靈活性和可擴(kuò)展性。