光通信技術的發展

在回顧了光纖通信發展歷史的基礎上，著重介紹了器件技術的成就、網絡協議的發展和復用技術的進步；介紹了WDM全光網絡的發展概況、未來光網絡中涉及的關鍵技術和亟待解決的技術問題。最后，展望了未來10年光通信發展的技術前景和市場前景，指出了WDM全光網絡將是未來10年光通信發展的熱點。

關鍵詞: 光纖；波分復用；光時分復用（OTDM）；光碼分多址（OCDMA）；全光網絡

　　1 光通信技術的逐年進步

　　光通信技術30年成就的主要標志是傳輸容量的逐年增長；技術進步主要表現在光器件、多種復用方式和新穎的光網絡協議。

　　光纖是光傳輸的基本媒質。在數十年的發展過程中，光纖通信系統經歷了三代：（1）工作波長為0.85μm多模光纖光通信系統；（2）工作波長為1.3μm多模光纖光通信系統和單模光纖光通信系統；（3）工作波長為1.55μm單模光纖光通信系統。而色散位移光纖（DSF，G.653）是應用于第三代光纖通信系統的一項重要成就。普通單模光纖的零色散點在1.31μm附近，色散位移光纖將零色散點從1.31μm移到1.55μm，有效地解決了1.55μm光通信系統的色散問題。

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

　　20世紀80年代發明的光纖放大器是光纖通信的一場革命。它節省了光電變換的中繼過程，而且實現了波長透明、速率透明和調制方式透明的光信號放大，從而誕生了采用波分復用（WDM）技術的新一代光纖系統商用化。

　　光纖放大器的發明和波分復用技術的采用迫使人們面對光纖的非線性效應。于是科學家、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直徑，光纖有效面積從55μm2增加到72μm2，在相同的入纖功率時，減小了光纖的非線性效應；低色散斜率光纖的優點是色散斜率小，僅為0.045ps/（nm2km），大大低于普通的色散斜率，因而可以用一個色散補償模塊補償整個頻帶內的色散。為了將工作在1.55μm的采用波分復用技術的光纖系統應用到已鋪設的第二代光纖系統（工作波長為1.3μm）的光纜中去，色散補償光纖也應運而生。通過色散補償光纖和普通光纖的有效搭配，可以在傳輸鏈路上實現色散管理傳輸，顯著地增加系統容量和傳輸距離。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的發展歷程。

圖1 光纖的發展歷程

　　在光纖放大器被新一代波分復用系統廣泛使用的同時，光纖放大器的研究和開發也在不斷進步。最近五年，技術上已經成熟的多種類型的光放大器（EDFA、GS-EDFA、TDFA、GS-TDFA和RFA）已經覆蓋了1365-1650nm波長范圍，使得在上述范圍內實施波分復用成為可能。圖2給出了這些技術的波長覆蓋。其中，拉曼放大器（RA）利用了光纖中的拉曼散射效應實現光信號的放大。由于受激拉曼散射效應的閾值很高，這項光放大技術只是在近年來大功率半導體激光器的研制成功后才真正有可能走向實用。
?

　　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

　　用波分復用的技術觀點思考問題，我們就又有了一個對光通信窗口的新認識。我們把1570-1604nm的波長范圍稱為L波段，把短于1525nm的波長范圍稱為S波段。這個波段因為全波光纖的研制成功可以擴展到1365nm。這兩個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 全光網絡

圖4 光纖通信系統發展

　　 從1980年以來的20年間，隨著光器件的發展和光系統的演進，光傳輸系統的容量已從Mbit/s發展到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系統改變了光傳輸系統容量的增長方式，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用、光時分復用和光碼分復用等復用技術，但上述的復用技術分別從空間域、時間域和碼字域的角度拓展了光通信系統的容量，豐富了光信號交換和控制的方式，開拓了全光放大和全光網絡的新篇章。

　　 從理論上講，全光網絡是指光信息流在網絡中的傳輸及交換始終以光的形式實現，而不需要經過光/電、電/光變換。也就是說，信息從源節點到目的節點的傳輸過程中始終在光域內。

　　 在光網絡協議標準方面，同步數字序列（SDH）、異步傳遞模式（ATM）、傳輸控制協議/因特網協議（TCP/IP）以及近期確定的多標記協議交換（MPLS），都是最近十幾年來具有里程碑意義的技術成果，是目前人們組建全光網絡的主要依據。

　　在波分復用技術提出以后，波長本身成為組網（分插、交換、路由）的資源。伴隨著光分插復用（OADM）和光交叉聯接（OXC）技術的逐步成熟，原來被認為只是提供帶寬傳輸的光層開始有了組網能力，因此成為最近幾年光通信研發的熱點。一旦組網成功，光通信技術將不僅僅提供巨大帶寬，同時衍生出一系列的可優化使用這些帶寬的組網資源。這種組網資源目前集中在波長上，將來會細化到光時隙上或光分組上。

　　WDM全光網絡是基于WDM技術，以波長作為組網資源，靈活可靠、性能穩定的光網絡，它可以劃分為長途骨干網、區域網和城域網三個等級。本地數據業務通過本地節點提供的業務接口，如以太網接口、SDH接口、ATM接口等，接入WDM全光網絡。WDM全光網絡通過波長路由機制實現路由選擇，具有良好的可擴展性、可重構性和可操作性。

　　當然，從具體技術角度看，WDM全光網絡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論和應用方案必須要加上許多限制條件才能用到光層上；其次，光集成技術可以說剛剛起步，還很難預測其發展速度和對光網絡建設的影響力；第三，光節點技術本身的穩定性、成本還是個難于確知的問題；第四，技術競爭和市場競爭都是復雜的事情，網絡功能的增強一般是以增加復雜性和成本為代價的，要取得較好的性價比不是容易的事情；最后，兼容現有網絡、充分利用已鋪設的光纖資源和開拓全新的建網思想，兩者之間還具有許多沖突。隨著這些問題的解決，未來的全光網絡將進入Tbit/s容量的網絡時代，同時為用戶提供速率透明、性能可靠的多業務（包括IP業務）接入。

　　據統計，IP業務每年翻一番，而語音業務每年增長7%；2000年，北美地區的IP業務已超過語音業務。IP業務的發展迫使傳統的以語音業務為主的電信網絡發生深刻的變革，ATM、千兆以太網和MPLS等寬帶技術逐漸成為骨干網絡的核心技術。這些核心技術的應用和發展需要光通信技術的支持。光纖通信系統為寬帶網絡提供了更高速率、更高可靠性的鏈路傳輸，同時光網絡提供的組網能力進一步提高了現有網絡和協議的靈活性和可擴展性。

　　 隨著在光域進行的信息處理能力的提高，光網絡技術突破了物理層的限制，逐漸進入數據鏈路層和網絡層。光纖通信系統承載IP協議的方式也在實現從IP-ATM-SDH-光網絡、IP-SDH-光網絡到IP-MPLS-光網絡的過渡（見圖5）。光網絡為用戶提供的交叉連接、交換和路由等功能顯著地緩解了傳統電交換網絡的壓力，為未來Internet業務的發展提供了廣闊的空間。

圖5 光網絡承載IP方式

　　光網絡協議和標準的研究和討論剛剛起步，國際標準化組織Internet Engineering Task Force（IETF）、.International Telecommunications Union（ITU）和Optical Internetworking Forum（OIF）正在分別進行G-MPLS、G.709、O-UNI 1.0相關光網絡標準的制定工作。現在，關于光網絡的討論十分活躍，爭論也十分激烈，但是越來越多的人們認識到：光網絡在整個電信網絡中的基礎地位是不會動搖的。因而充分地研究光網絡和光纖通信單元技術對于整個通信網絡的發展具有重要的戰略意義。

　　 光時分復用（OTDM）技術和光碼分多址（OCDMA）技術也是未來全光網絡的候選技術。OTDM和OCDMA在概念上分別與傳統通信網絡中TDM和無線CDMA對應。OTDM技術可以使一個固定波長的光波攜帶信息量十幾倍、幾十倍地增長，OCDMA則提供一種全光的接入方式。由于OTDM和OCDMA技術的出現，人們對光這種信息載體的了解將進一步深入，傳輸線路中的光信號碼型也將從不歸零碼逐漸向歸零碼轉變，傳輸系統的調制方式也由傳統的內調制逐漸發展為外調制方式。展望未來的全光網絡，OTDM和OCDMA技術將豐富未來的WDM全光網絡的接入方式和業務類型，同時提供多種粒度接入和多種服務質量；以WDM技術為主導、結合OTDM和OCDMA技術，將成為未來全光網絡的主要構架。

　　3 光網絡的關鍵技術

　　讓我們用表1來理解組建光網絡的關鍵技術。

　　除上述眾多的單元技術外，光網絡的關鍵技術還必須包括如何建立完善的全光網絡管理系統，這將涉及光網絡協議的研究，如波長路由協議、光分組格式等標準的制定。如IETF制定的Generalized Multiple Protocol Label Switching（GMPLS）是在傳統MPLS的基礎上，將標記的概念進一步拓展，引入光波長和時隙標號等信道標識作為標記，以實現對光信道的路由、交換和管理控制。這些協議和標準將保證各個單元技術之間的兼容性和靈活性。

　　 4 10年展望

圖6 光通信與傳統電信實現的網絡功能

　　 在傳統電通信網絡130多年的發展過程中，我們已經完成了電信號產生和傳輸、信號控制、組網和自支持四個功能等級，實現了電子計算機網絡和電子通信網絡。僅有30多年歷史的光通信的發展也將經歷同樣的過程。目前我們已經完全掌握了光信號的產生與傳輸，正在掌握光信號控制這個技術環節，下一個目標是組建全光網絡。

　　 我們相信，光通信技術的發展速度將超越電技術。期望再通過10年的時間實現光組網。在未來的10年里，WDM光網絡將成為通信產業發展的技術和通信的熱點。盡管實現光網絡自支持技術，如光開關、光邏輯處理和光計算，還不成熟，進入自支持階段還需要一段時間，但實現光網絡的自支持和自主導終將是未來光網絡發展的方向。

　　 展望未來10年，WDM技術將仍然處于主導地位，WDM、OTDM和OCDM等技術的結合將構成未來光網絡的基本框架。由于光通信第4和5個窗口的開發，WDM光網絡的信道數目將進一步增加，將有能力在整個通信窗口中提供1000個波長。光交換機和光路由器將成為組建核心WDM光網絡的首選設備，其交換容量將突破Tbit/s的量級。WDM光網絡承載的業務種將會多樣化，并提供更多的寬帶業務，如視頻點播等。

WDM：波分復用；OTDM：光時分復用；OCDMA：光碼分多址；GMPLS：通用多協議標記交換；

　　 OADM：光分插復用器；OXC：光交叉連接；ISDN：綜合業務數字網；ATM-PON：ATM無源光網絡

圖7 未來10年光通信發展預測

　　用戶接入網也將進入光纖化時代，多種接入方式并存仍然是未來10年接入解決方案的特征。但是各種接入技術中光纖技術的含量將不斷提升。光網絡的覆蓋范圍將從核心擴展到城域網和接入網。當全光網絡悄悄地進入樓區、街道、住宅，成功地完成進行了向本地、向用戶的延伸時，未來家庭也就進入了一個多媒體的暢想時代。

　　 5 結束語

　　一項產業的發展，技術是推動力，市場是牽引力。光通信技術已經經歷了30年的發展，技術的進步使得全光網絡的發展成為可能。而以IP為主流的數據業務爆炸性地增長是發展全光網絡的市場需求。今后10年光通信產業的發展速度、新技術進步的快慢，本質上是由通信的市場需求來決定的。

　　 技術進步固然是創新，新業務的推出也是一種發明。對于電信網絡運營商來說，豐富多彩的業務類型，以及價格的優勢、高靈活性、服務質量是拓展光網絡市場的關鍵。

　　隨著全光網絡的規模逐漸擴大，對網絡的管理和控制顯得越來越重要。通過網絡管理軟件，用戶才能對整個網絡進行操作和控制，實現網絡的配置管理、安全管理、告警管理、計費管理和性能管理。因此，軟件技術在全光網絡的發展中的作用舉足輕重。

　　全光網絡的發展實際上會強烈地依賴網絡現狀。正如經濟學中"路徑依賴"描述的那樣，"在收益遞增的知識密集產業中，一種技術和產品由于某些歷史的既成原因會成為主流，盡管它可能并不是最有效的技術。"全光網絡以哪種路徑演進，很大程度上依賴現在的網絡狀況。目前，WDM技術在眾多技術中應用范圍最廣，基于WDM的光網絡研究也最為深入。因此，WDM技術將在未來幾年的全光網絡發展中地位穩固。

　　最后，或許是最重要的，我們必須考慮到法規對全光網絡演進的影響，標準和通信規范的制定往往能夠影響和改變通信網絡的發展過程和演進方向。因此，政府的相關部門、國際國內標準化組織責任重大。