光通信技術(shù)的發(fā)展

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(lái)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(wèn)題。最后，展望了未來(lái)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(lái)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(guò)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(wèn)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(mǎn)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(wèn)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(guò)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(xiàn)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(lèi)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(xiàn)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(guò)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(shuō)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(kāi)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(lèi)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(lái)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(guān)點(diǎn)思考問(wèn)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(chēng)為L(zhǎng)波段，把短于1525nm的波長(zhǎng)范圍稱(chēng)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(chēng)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(lái)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(wàn)倍（見(jiàn)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(méi)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(kāi)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(guò)光/電、電/光變換。也就是說(shuō)，信息從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過(guò)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(lái)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(lái)被認(rèn)為只是提供帶寬傳輸?shù)墓鈱娱_(kāi)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(lái)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(guò)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(guò)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(wèn)題。首先，還沒(méi)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(shuō)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(wèn)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?xún)r(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(kāi)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(wèn)題的解決，未來(lái)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(hù)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(guò)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。

　　 隨著在光域進(jìn)行的信息處理能力的提高，光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)突破了物理層的限制，逐漸進(jìn)入數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。光纖通信系統(tǒng)承載IP協(xié)議的方式也在實(shí)現(xiàn)從IP-ATM-SDH-光網(wǎng)絡(luò)、IP-SDH-光網(wǎng)絡(luò)到IP-MPLS-光網(wǎng)絡(luò)的過(guò)渡（見(jiàn)圖5）。光網(wǎng)絡(luò)為用戶(hù)提供的交叉連接、交換和路由等功能顯著地緩解了傳統(tǒng)電交換網(wǎng)絡(luò)的壓力，為未來(lái)Internet業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了廣闊的空間。

圖5 光網(wǎng)絡(luò)承載IP方式

　　光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的研究和討論剛剛起步，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織Internet Engineering Task Force（IETF）、.International Telecommunications Union（ITU）和Optical Internetworking Forum（OIF）正在分別進(jìn)行G-MPLS、G.709、O-UNI 1.0相關(guān)光網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。現(xiàn)在，關(guān)于光網(wǎng)絡(luò)的討論十分活躍，爭(zhēng)論也十分激烈，但是越來(lái)越多的人們認(rèn)識(shí)到：光網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)電信網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)地位是不會(huì)動(dòng)搖的。因而充分地研究光網(wǎng)絡(luò)和光纖通信單元技術(shù)對(duì)于整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

　　 光時(shí)分復(fù)用（OTDM）技術(shù)和光碼分多址（OCDMA）技術(shù)也是未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)的候選技術(shù)。OTDM和OCDMA在概念上分別與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中TDM和無(wú)線(xiàn)CDMA對(duì)應(yīng)。OTDM技術(shù)可以使一個(gè)固定波長(zhǎng)的光波攜帶信息量十幾倍、幾十倍地增長(zhǎng)，OCDMA則提供一種全光的接入方式。由于OTDM和OCDMA技術(shù)的出現(xiàn)，人們對(duì)光這種信息載體的了解將進(jìn)一步深入，傳輸線(xiàn)路中的光信號(hào)碼型也將從不歸零碼逐漸向歸零碼轉(zhuǎn)變，傳輸系統(tǒng)的調(diào)制方式也由傳統(tǒng)的內(nèi)調(diào)制逐漸發(fā)展為外調(diào)制方式。展望未來(lái)的全光網(wǎng)絡(luò)，OTDM和OCDMA技術(shù)將豐富未來(lái)的WDM全光網(wǎng)絡(luò)的接入方式和業(yè)務(wù)類(lèi)型，同時(shí)提供多種粒度接入和多種服務(wù)質(zhì)量；以WDM技術(shù)為主導(dǎo)、結(jié)合OTDM和OCDMA技術(shù)，將成為未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)架。

　　3 光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

　　讓我們用表1來(lái)理解組建光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　除上述眾多的單元技術(shù)外，光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)還必須包括如何建立完善的全光網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，這將涉及光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究，如波長(zhǎng)路由協(xié)議、光分組格式等標(biāo)準(zhǔn)的制定。如IETF制定的Generalized Multiple Protocol Label Switching（GMPLS）是在傳統(tǒng)MPLS的基礎(chǔ)上，將標(biāo)記的概念進(jìn)一步拓展，引入光波長(zhǎng)和時(shí)隙標(biāo)號(hào)等信道標(biāo)識(shí)作為標(biāo)記，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光信道的路由、交換和管理控制。這些協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)將保證各個(gè)單元技術(shù)之間的兼容性和靈活性。

　　 4 10年展望

圖6 光通信與傳統(tǒng)電信實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能

　　 在傳統(tǒng)電通信網(wǎng)絡(luò)130多年的發(fā)展過(guò)程中，我們已經(jīng)完成了電信號(hào)產(chǎn)生和傳輸、信號(hào)控制、組網(wǎng)和自支持四個(gè)功能等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了電子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和電子通信網(wǎng)絡(luò)。僅有30多年歷史的光通信的發(fā)展也將經(jīng)歷同樣的過(guò)程。目前我們已經(jīng)完全掌握了光信號(hào)的產(chǎn)生與傳輸，正在掌握光信號(hào)控制這個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，下一個(gè)目標(biāo)是組建全光網(wǎng)絡(luò)。

　　 我們相信，光通信技術(shù)的發(fā)展速度將超越電技術(shù)。期望再通過(guò)10年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)光組網(wǎng)。在未來(lái)的10年里，WDM光網(wǎng)絡(luò)將成為通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)和通信的熱點(diǎn)。盡管實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)自支持技術(shù)，如光開(kāi)關(guān)、光邏輯處理和光計(jì)算，還不成熟，進(jìn)入自支持階段還需要一段時(shí)間，但實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的自支持和自主導(dǎo)終將是未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向。

　　 展望未來(lái)10年，WDM技術(shù)將仍然處于主導(dǎo)地位，WDM、OTDM和OCDM等技術(shù)的結(jié)合將構(gòu)成未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)的基本框架。由于光通信第4和5個(gè)窗口的開(kāi)發(fā)，WDM光網(wǎng)絡(luò)的信道數(shù)目將進(jìn)一步增加，將有能力在整個(gè)通信窗口中提供1000個(gè)波長(zhǎng)。光交換機(jī)和光路由器將成為組建核心WDM光網(wǎng)絡(luò)的首選設(shè)備，其交換容量將突破Tbit/s的量級(jí)。WDM光網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)種將會(huì)多樣化，并提供更多的寬帶業(yè)務(wù)，如視頻點(diǎn)播等。

WDM：波分復(fù)用；OTDM：光時(shí)分復(fù)用；OCDMA：光碼分多址；GMPLS：通用多協(xié)議標(biāo)記交換；

　　 OADM：光分插復(fù)用器；OXC：光交叉連接；ISDN：綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)；ATM-PON：ATM無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)

圖7 未來(lái)10年光通信發(fā)展預(yù)測(cè)

　　用戶(hù)接入網(wǎng)也將進(jìn)入光纖化時(shí)代，多種接入方式并存仍然是未來(lái)10年接入解決方案的特征。但是各種接入技術(shù)中光纖技術(shù)的含量將不斷提升。光網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍將從核心擴(kuò)展到城域網(wǎng)和接入網(wǎng)。當(dāng)全光網(wǎng)絡(luò)悄悄地進(jìn)入樓區(qū)、街道、住宅，成功地完成進(jìn)行了向本地、向用戶(hù)的延伸時(shí)，未來(lái)家庭也就進(jìn)入了一個(gè)多媒體的暢想時(shí)代。

　　 5 結(jié)束語(yǔ)

　　一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，技術(shù)是推動(dòng)力，市場(chǎng)是牽引力。光通信技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了30年的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步使得全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展成為可能。而以IP為主流的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆炸性地增長(zhǎng)是發(fā)展全光網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)需求。今后10年光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度、新技術(shù)進(jìn)步的快慢，本質(zhì)上是由通信的市場(chǎng)需求來(lái)決定的。

　　 技術(shù)進(jìn)步固然是創(chuàng)新，新業(yè)務(wù)的推出也是一種發(fā)明。對(duì)于電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，豐富多彩的業(yè)務(wù)類(lèi)型，以及價(jià)格的優(yōu)勢(shì)、高靈活性、服務(wù)質(zhì)量是拓展光網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的關(guān)鍵。

　　隨著全光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理和控制顯得越來(lái)越重要。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理軟件，用戶(hù)才能對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作和控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的配置管理、安全管理、告警管理、計(jì)費(fèi)管理和性能管理。因此，軟件技術(shù)在全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中的作用舉足輕重。

　　全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展實(shí)際上會(huì)強(qiáng)烈地依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀。正如經(jīng)濟(jì)學(xué)中"路徑依賴(lài)"描述的那樣，"在收益遞增的知識(shí)密集產(chǎn)業(yè)中，一種技術(shù)和產(chǎn)品由于某些歷史的既成原因會(huì)成為主流，盡管它可能并不是最有效的技術(shù)。"全光網(wǎng)絡(luò)以哪種路徑演進(jìn)，很大程度上依賴(lài)現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)狀況。目前，WDM技術(shù)在眾多技術(shù)中應(yīng)用范圍最廣，基于WDM的光網(wǎng)絡(luò)研究也最為深入。因此，WDM技術(shù)將在未來(lái)幾年的全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中地位穩(wěn)固。

　　最后，或許是最重要的，我們必須考慮到法規(guī)對(duì)全光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的影響，標(biāo)準(zhǔn)和通信規(guī)范的制定往往能夠影響和改變通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程和演進(jìn)方向。因此，政府的相關(guān)部門(mén)、國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織責(zé)任重大。