现代电子技术
MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE
2003年 第1卷 第16期

1　引 言
　　光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命，光通信正以超摩尔定律的速度向前发展，仅光纤容量及光电子器件的性能，每9个月就会翻一番。据有关资料报导，国外容量达16 Tb／s的光通信系统已经在实验水平上实现。目前世界上80％以上的信息是通过光纤传送的，可见光纤应用于未来传送网是不容置疑的。
2　光纤通信的现状与发展方向
2．1　光纤的应用从干线网一步步延伸到接入网
　　光纤最早应用于干线网，近几年，干线网核心部分无论是交换还是传输都更新了好几代；不久将成为软件主宰和控制的高度集成和智能化的网络。而另一方面，现存的接入网90％以上仍是以双绞线铜缆为主的原始落后的模拟系统，干线网和接入网在技术上的巨大反差，说明接入网确实成为制约全网进一步发展的瓶颈。尽管目前已出现了一系列解决这一瓶颈问题的技术手段，如双绞线的XDSL系统、同轴电缆上的HFC系统、宽带无线接入系统和以太网接入等，尤其是xDSL系统由于能够充分利用现有铜线资源，具有性价比高、可靠性强等优势，近几年得到了迅速发展。但这些技术都是过渡性的解决方案，惟一能够彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段是光接入网。所谓FTTC，FTTB等，就是根据光纤深入用户的程度而定义。
2．2　光纤通信已从传统的PDH系列转为SDH系列
　　光纤通信技术自20世纪80年代投入商用以来经历了准同步数字体系（PDH）和同步数字体系（SDH）两个阶段。由于PDH体制本身具有的不可克服的局限性,ITU-T于1988年通过了第一批SDH建议，从此传输网发展进入了一个新的时期。
　　SDH传输体制是一套完整而严密的传送网技术体制，由于他具有同步复用、标准接口、强大网络管理能力等显著特点，因此一经诞生就获得了广泛的支持。我国从1995年开始在干线网上全面转向SDH体制，目前建成世界第一大SDH网络，干线网上大约90％的业务量已由SDH系统所携带。但是SDH网络的高可靠性尚未得到充分发掘，我国省际干线主要仍是点到点线路系统，尚未敷设联网节点数字交叉连接器（DXC）而终未构成自愈网。SDH环网的建设才刚刚开始，因此SDH网的建设和完善是一项不可忽视的重要SDH技术的主要发展方向之一是速率继续向高、低端扩展。高端是指传输速率向高速率方向发展，目前10 Gb／s系统已开始大批量装备网络，不少电信公司已开发出40 Gb／s的系统，实验室水平已达到160 Gb／s，但是单路波长的传输速率受限于集成电路硅材料和砷化镓材料的电子迁移率、传输媒介的色散和极化模色散，以及所开发系统的性能价格比是否有商用经济价值。因此，进一步扩容的现实出路是转达向WDM方式；低端则是向低于155 Mb／s和52 Mb／s的方向扩展，主要应用于接入网，乃至用户驻地网，由于接入网对成本的高度敏感性和运行环境的恶劣性，因此适用于接入网的SDH设备必须是高度紧凑、低功耗和低成本的。近来开发成功的甚短距离SDH技术（VSR）就是这一应用趋势的具体体现。其次，随着IP逐渐成为网络的主导业务，SDH的最新发展趋势是支持IP接入，可利用部分SDH净负荷来传送IP业务，从而使SDH也能支持IP的接入。
2．3　在光波复用技术方面
　　光纤通信系统复用技术方面已从电时分复用（ETDM）系统向波分复用（WDM）系统、光频分复用（OFDM）系统、光时分复用（OTDM）系统、光码分复用（OCDM）系统等方向发展。
    （1）ETDM
　　准同步传输体系PDH、同步传输体系SDH都是使用ETDM技术，速率从STM-1(155Mb/s),STM-4(622Mb/s),STM-16(2488Mb/s),STM-64(10Gb/s)发展到STM-256(40Gb/s),采用ETDM技术的10Gb/s SDH系统已商用。目前，实验速率已达40 Gb／s，再提高则受到电子瓶颈的限制，现有微电子工艺难以支持。
    （2）WDM／OFDM
　　波分复用（WDM）是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。光波分复用的实质是在光纤上进行光频分复用，只是因为光波通常采用波长而不用频率来描述、监测与控制，在波分复用技术高度发展，以及每个光载波占用的频段极窄、光源发光频率极其精确的前提下，或许使用光频分复用（OFDM）来描述更恰当些。人们把在同一窗口中信道间隔较小的WDM称为密集波分复用DWDM，目前该系统是在1 550 nm波长段，同时用8，16或更多个波长在一对光纤（也可以采用单光纤）构成的光通信系统，其中每个波长之间间隔为1．6 nm，0．8 nm或更低，对应约200 GHz，100 GHz或更窄的带宽。
    由于目前网络业务量的爆涨与生存性的需要，要求迅速提高网络通信容量或传输带宽，而“暗”光纤，又由于单波长系统电子器件速率瓶颈的限制，敷设新光缆成本昂贵，多数难以承受，WDM技术被普遍认为是最佳的网络升级扩容方式。因为光纤具有巨大带宽的潜力，目前只利用了不到1％，99％尚未挖掘；掺铒光纤放大器EDFA以及拉曼光纤放大器的开发，促进了波分复用技术的快速发展。
　　目前1．6 Tb／s的WDM系统已开始大量商用，日本NEC和法国阿尔卡特公司分别实现了总容量为10．9 Tb／s（273×40 Gb／s），10．2 Tb／s（256×40 Gb／s）的最新世界纪录。实验室里，波分复用的波道数达到1 022波，甚至有公司宣布做出了65 536波的系统，80波乃至160波的系统已经达到商用水平。总之，网络容量将不会受限于传输链路，焦点将集中在网络节点上。
    （3）OCDM
　　OCDMA是采用光纤信道，利用单极性扩频码序列对信息进行编解码，使低速率的数据信息复用成高速率的光脉冲序列传输或解复用，实现多用户共享信道、随机异步接入、高速率透明的通信方式。是码分多址扩频通信在光纤通信领域的应用，集CDMA通信与光纤通信之所长，具有天然保密性和安全性、用户随机异步接入网等优点，是一种很有发展潜力的通信方式。无论DWDM还是OTDM本身，由于技术的限制，都不可能将信道数做到无限大，因此总容量和总速率受到一定的限制。如果将DWDM与OTDM结合使用，则可发挥两者的各自优势，从而极大地提高总容量和总速率。如NTT进行的3 Tb／s OTDM／WDM的传输实验，就是先用OTDM把每个波道速率提高到160 Gb／s（16×10 Gb／s），再将19个波道的160 Gb／s采用波分复用，得到3 Tb／s的信号。
　　单利用OTDM／WDM方式还不能充分利用光纤100 Tb／s的带宽资源，如果在每个时隙采用OCDM，然后进行OTDM，最后进行DWDM，即OCDM／OTDM／DWDM的方式，则总速率可达数十Tb／s以上，就相对接近可利用带宽了。
2．4　光纤通信向全光通信方向发展
　　随着1 300～1 650 nm全波光纤的开发、光线路放大器EDFA、拉曼光纤放大器及各种复用技术、SDH光传送网技术的发展，使通信网实现全光化成为可能。
　　全光网是指信息从源节点到目的节点的传输完全在光域进行，即全部采用光波技术完成信息的传输和交换的宽带网络。他包括光传输、光放大、光再生、光选路、光交换、光存储、光信息处理等先进的全光技6术。
    全光网有如下特点：
　　（1）充分利用了光纤的带宽资源，有极大的传输容量和极好的传输质量；
　　（2）全光网最重要的优点是他的开放性。全光网络的本质是完全透明的，即对不同速率、协议、调制频率和制式的信号同时兼容，并允许几代设备PDH／SDH／ATM甚至于IP技术共存于一个光纤基础设施。
　　（3）全光网不仅扩大了网络容量，利用OADM可实现在不同的节点灵活地上、下波长，利用OXC实现波长路由选择动态重构、网间互连、自愈功能。
　　（4）采用虚波长通道VWP技术，解决了网络的可扩展性，节约网络资源。
　　但目前WDM系统的最大传输距离还只有600～640 km（多跨度系统），要传更长的距离，还需要借助电再生方式，同时路由交换的实现有待时日。另外目前各种光学器件性能还不是很理想，节点结构设计还有待完善，这些都会给全光网性能产生不利影响，使光信号在传输过程中质量不断下降。所以全光网是发展方向，目前只能从光传送层做起，首先应用于局域网、城域网等内部的光路由选择，采用的技术主要是基于WDM和宽带的EDFA。从长远来说，全光网的发展趋势必然向波分、时分、与空分3种方式结合的方向发展。因此全光网是光纤通信技术发展的最高阶段，也是理想阶段。
3　我国光纤通信技术发展的近况
　　经过“85”和“95”期间大规模的光缆建设和系统扩容，中国电信一级传输干线网已经形成纵贯南北、横跨东西的“八纵八横”的网络格局，覆盖了我国大陆包括拉萨在内的所有省会级城市，为我国各种电信业务的开展提供了一个具有较大规模的传输平台和发展空间。1997年以来，8，16，32，64波道甚至128波道WDM系统相继出现，传输速率也从20G～1．28Tb／s。1998年12月，武汉邮电科学研究院（WRI）自主开发的我国第一个具有完全自主知识产权的8×2．5 Gb／sDWDM系统，标志着我国已成为世界上少数能够提供WDM设备商用产品的国家之一；2000年又推出了32×2．5 Gb／s DWDM系统，并在加紧研制8×10 Gb／s DWDM系统及32×10 Gb／s DWDM系统。
　　在光纤光缆方面，江苏法尔胜光子有限公司承担国家重点攻关项目——预制棒产业化开发，独创的“改进型化学气相沉积法加外部气相沉积法”混合工艺生产的光纤预制棒工艺创新且质量达到国际同类产品的先进水平，打破了长期以来我国光纤生产买棒拉纤的格局。
　　2002年3月28日，中国电信／中天科技股分有限公司，作为我国第一家拥有全自主权海底光缆厂商，通过了国家信息产业部生产定型鉴定后，经实际运行效果良好，成为世界上具备批量供应海底光缆能力的少数几个国家之一。
　　目前，WRI应用MCVD工艺进行了大有效面积非零色散位移光纤的研究开发。如何在增大光纤有效面积的同时能保持较低的弯曲损耗、传输损耗、非零小色散和低的色散斜率等是大有效面积光纤比较关注的问题。研究人员正致力于降低大有效面积光纤色散斜率的研究，以能满足WDM通信系统的要求。WRI同时开发了用于掺铒光纤放大器制造的掺铒光纤；用于1 300 nm光通信系统的升级扩容的色散补偿光纤；用于相干光通信、偏振复用光通信、光纤传感器等的单模偏振保持光纤以及用于传输大于10 Gb／s的长距离系统、1 550 nm窗口DWDM系统。
　　我国的光纤、光缆技术应该说与国际水平差距不大，因此我们作为世界第二的光缆大国，应该把开发具有自主知识产权的技术作为我们工作的重中之重，争取创造更多的光纤光缆专利。
4　结　论
　　基于上述光纤通信几个方面的发展现状与趋势，光纤通信进入了一个涉及范围更广、技术更新更难、影响力和影响面更宽的新高潮。他的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业未来的大格局，也将对21世纪社会经济的发展产生巨大的影响。

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