光通信技术的发展

在回顾了光纤通信发展历史的基础上，着重介绍了器件技术的成就、网络协议的发展和复用技术的进步；介绍了WDM全光网络的发展概况、未来光网络中涉及的关键技术和亟待解决的技术问题。最后，展望了未来10年光通信发展的技术前景和市场前景，指出了WDM全光网络将是未来10年光通信发展的热点。

关键词: 光纤；波分复用；光时分复用（OTDM）；光码分多址（OCDMA）；全光网络

　　1 光通信技术的逐年进步

　　光通信技术30年成就的主要标志是传输容量的逐年增长；技术进步主要表现在光器件、多种复用方式和新颖的光网络协议。

　　光纤是光传输的基本媒质。在数十年的发展过程中，光纤通信系统经历了三代：（1）工作波长为0.85μm多模光纤光通信系统；（2）工作波长为1.3μm多模光纤光通信系统和单模光纤光通信系统；（3）工作波长为1.55μm单模光纤光通信系统。而色散位移光纤（DSF，G.653）是应用于第三代光纤通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色散点在1.31μm附近，色散位移光纤将零色散点从1.31μm移到1.55μm，有效地解决了1.55μm光通信系统的色散问题。

　　 光纤通信系统中使用的光源经历了从发光二极管到半导体激光器的进步。目前，半导体激光器不仅可以在室温下工作，而且其直接调制速率可以达到10Gbit/s乃至更高，逐渐满足了高效率、高速率、低啁啾、大功率、长寿命等要求。光纤与光源的逐年进步解决了衰减和色散问题，其结果是增加了光纤系统的通信容量。

　　20世纪80年代发明的光纤放大器是光纤通信的一场革命。它节省了光电变换的中继过程，而且实现了波长透明、速率透明和调制方式透明的光信号放大，从而诞生了采用波分复用（WDM）技术的新一代光纤系统商用化。

　　光纤放大器的发明和波分复用技术的采用迫使人们面对光纤的非线性效应。于是科学家、工程师又推出了非零色散位移光纤（NZ-DSF，G.655）。非零色散位移光纤的主要种类包括大有效面积光纤、低色散斜率光纤和反常色散光纤。大有效面积光纤大大增加了光纤的模场直径，光纤有效面积从55μm2增加到72μm2，在相同的入纤功率时，减小了光纤的非线性效应；低色散斜率光纤的优点是色散斜率小，仅为0.045ps/（nm2km），大大低于普通的色散斜率，因而可以用一个色散补偿模块补偿整个频带内的色散。为了将工作在1.55μm的采用波分复用技术的光纤系统应用到已铺设的第二代光纤系统（工作波长为1.3μm）的光缆中去，色散补偿光纤也应运而生。通过色散补偿光纤和普通光纤的有效搭配，可以在传输链路上实现色散管理传输，显著地增加系统容量和传输距离。新近推出的所谓全波光纤（All-wave fiber），消除了常规光纤在1385nm 附近由于OH 根离子吸收造成的损耗峰，使光纤在1310～1600nm的损耗都趋于平坦。图1可以大致说明光纤技术的发展历程。

图1 光纤的发展历程

　　在光纤放大器被新一代波分复用系统广泛使用的同时，光纤放大器的研究和开发也在不断进步。最近五年，技术上已经成熟的多种类型的光放大器（EDFA、GS-EDFA、TDFA、GS-TDFA和RFA）已经覆盖了1365-1650nm波长范围，使得在上述范围内实施波分复用成为可能。图2给出了这些技术的波长覆盖。其中，拉曼放大器（RA）利用了光纤中的拉曼散射效应实现光信号的放大。由于受激拉曼散射效应的阈值很高，这项光放大技术只是在近年来大功率半导体激光器的研制成功后才真正有可能走向实用。

　　EDFA：掺铒光纤放大器；GS-EDFA：增益位移掺铒光纤放大器

　　TDFA：掺铥光纤放大器；GS-TDFA：增益位移掺铥光纤放大器；RFA：拉曼放大器

图2 光放大器增益范围

　　用波分复用的技术观点思考问题，我们就又有了一个对光通信窗口的新认识。我们把1570-1604nm的波长范围称为L波段，把短于1525nm的波长范围称为S波段。这个波段因为全波光纤的研制成功可以扩展到1365nm。这两个波段又可以分别称为光通信的第4窗口和第5窗口，如图3所示。

图3 光纤的通信窗口

　　2 全光网络

图4 光纤通信系统发展

　　 从1980年以来的20年间，随着光器件的发展和光系统的演进，光传输系统的容量已从Mbit/s发展到Tbit/s，提高了近10万倍（见图4）。从图4中我们能清楚地看到采用WDM系统改变了光传输系统容量的增长方式，突破了电子瓶颈或电子极限的限制。虽然图4中没有涉及到光空分复用、光时分复用和光码分复用等复用技术，但上述的复用技术分别从空间域、时间域和码字域的角度拓展了光通信系统的容量，丰富了光信号交换和控制的方式，开拓了全光放大和全光网络的新篇章。

　　 从理论上讲，全光网络是指光信息流在网络中的传输及交换始终以光的形式实现，而不需要经过光/电、电/光变换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内。

　　 在光网络协议标准方面，同步数字序列（SDH）、异步传递模式（ATM）、传输控制协议/因特网协议（TCP/IP）以及近期确定的多标记协议交换（MPLS），都是最近十几年来具有里程碑意义的技术成果，是目前人们组建全光网络的主要依据。

　　在波分复用技术提出以后，波长本身成为组网（分插、交换、路由）的资源。伴随着光分插复用（OADM）和光交叉联接（OXC）技术的逐步成熟，原来被认为只是提供带宽传输的光层开始有了组网能力，因此成为最近几年光通信研发的热点。一旦组网成功，光通信技术将不仅仅提供巨大带宽，同时衍生出一系列的可优化使用这些带宽的组网资源。这种组网资源目前集中在波长上，将来会细化到光时隙上或光分组上。

　　WDM全光网络是基于WDM技术，以波长作为组网资源，灵活可靠、性能稳定的光网络，它可以划分为长途骨干网、区域网和城域网三个等级。本地数据业务通过本地节点提供的业务接口，如以太网接口、SDH接口、ATM接口等，接入WDM全光网络。WDM全光网络通过波长路由机制实现路由选择，具有良好的可扩展性、可重构性和可操作性。

　　当然，从具体技术角度看，WDM全光网络还存在着许多亟待解决的问题。首先，还没有光逻辑器件，这就使得电层的许多结论和应用方案必须要加上许多限制条件才能用到光层上；其次，光集成技术可以说刚刚起步，还很难预测其发展速度和对光网络建设的影响力；第三，光节点技术本身的稳定性、成本还是个难于确知的问题；第四，技术竞争和市场竞争都是复杂的事情，网络功能的增强一般是以增加复杂性和成本为代价的，要取得较好的性价比不是容易的事情；最后，兼容现有网络、充分利用已铺设的光纤资源和开拓全新的建网思想，两者之间还具有许多冲突。随着这些问题的解决，未来的全光网络将进入Tbit/s容量的网络时代，同时为用户提供速率透明、性能可靠的多业务（包括IP业务）接入。

　　据统计，IP业务每年翻一番，而语音业务每年增长7%；2000年，北美地区的IP业务已超过语音业务。IP业务的发展迫使传统的以语音业务为主的电信网络发生深刻的变革，ATM、千兆以太网和MPLS等宽带技术逐渐成为骨干网络的核心技术。这些核心技术的应用和发展需要光通信技术的支持。光纤通信系统为宽带网络提供了更高速率、更高可靠性的链路传输，同时光网络提供的组网能力进一步提高了现有网络和协议的灵活性和可扩展性。