光纤通信技术的发展

进入９０年代以来，人类社会进入了一个前所未有的信息爆炸时代，ＩＰ业务呈指数式增长，信息传递量迅速膨胀，光纤通信技术也随之飞速发展，传输速率成百倍提高。从信息技术发展趋势来看，光纤作为下一代网络的最下层物理媒介已无可争议。目前密集波分复用（ＤＷＤＭ）技术已发挥作用，光分插复用设备（ＯＡＤＭ）也开始商用，全光网络的发展方向已日趋明朗。充分挖掘光纤巨大带宽资源的设想正逐步得以实现。

１ 光纤增容技术的比较

    增加光纤传输容量的技术有多种，如空分复用（ＳＤＭ）、时分复用（ＴＤＭ）、波分复用（ＷＤＭ）、光时分复用（ＯＴＤＭ）、光码分复用（ＯＣＤＭ）等。目前实用技术主要有ＳＤＭ、ＴＤＭ和ＷＤＭ。

１．１ 空分复用（ＳＤＭ）

    ＳＤＭ是传统的增容技术，它是通过使用新的光纤增开系统来提高传输容量，传输设备也相应成倍增加。它是最简单、最容易实现的一种方式。在光纤富余的情况下，是一种较好的扩容手段。但是为了采用ＳＤＭ而重新敷设光缆，由于工程费用的加大，是得不偿失的。

１．２ 时分复用（ＴＤＭ）

    国际建议的ＳＤＨ系列是以４倍比特率增加，如ＳＴＭ－１（１５５Ｍｂｉｔ／ｓ）、ＳＴＭ－４（６２２Ｍｂｉｔ／ｓ）、ＳＴＭ－１６（２．５Ｇｂｉｔ／ｓ）和ＳＴＭ－６４（１０Ｇｂｉｔ／ｓ）。２．５Ｇｂｉｔ／ｓ系统已相当成熟，１０Ｇｂｉｔ／ｓ系统已投入商用。ＴＤＭ扩容的优点是以２～３倍的价格实现４倍的无缝升级，原有设备可在一定程度上加以利用，升级较容易。但由于电子器件的限制，不可能无限制的升级，４０Ｇｂｉｔ／ｓ的ＴＤＭ已达到电子器件的速率极限，对于１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上的高速率，不同类型的光纤由于非线性效应将产生各种传输限制。

１．３ 波分复用（ＷＤＭ）

    目前的ＷＤＭ系统是在１ ５５０ｎｍ窗口实施多波长的复用技术，使ｎ个不同波长的系统合成在一根光纤中传送。它能够利用光纤的巨大带宽资源，节省大量光纤。由于同一光纤中传送的信号波长相互独立，可以承载多种格式的业务信号，与掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）配合使用，可大大减少中继数量，有效地降低成本。缺点是需要较多的光学器件，增大了失效和故障的概率。

１．４ ＴＤＭ与ＷＤＭ的结合

     利用ＴＤＭ或ＷＤＭ技术进行扩容是不矛盾的，利用两种技术的优点，将其结合起来对光传输容量进行扩容是应用的方向。可以根据不同的光纤类型选择ＴＤＭ的最高速率，如对常规光纤（ＮＤＳＦ Ｇ．６５２光纤），选择２．５Ｇｂｉｔ／ｓ或１０Ｇｂｉｔ／ｓ系统，对于色散位移光纤（ＤＳＦ Ｇ．６５３，Ｇ．６５５等），选择１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上的系统，在这个基础上再根据传输容量的大小选择ＷＤＭ的光信道数，在可能的情况下使用更多的光载波。虽然ＥＤＦＡ的带宽、滤波器和激光器技术、光载波的调制带宽以及光功率的传输距离、光纤的非线性效应等因素对传输容量的升级会有一定的限制，但在单信道ＴＤＭ基础上的ＷＤＭ应该是扩容的最佳选择。

２ 光纤光缆的发展

     中国已敷设的干线光纤光缆几乎都是单模光纤，绝大部分是Ｇ．６５２光纤。由于掺铒放大器放大区域范围为１ ５３０～１ ５６５ｎｍ，所以目前开发的ＤＷＤＭ系统都是在１ ５５０ｎｍ波长工作区内。由于Ｇ．６５２光纤在１ ５５０ｎｍ处色散过大以及Ｇ．６５３光纤在１ ５５０ｎｍ处的零色散等问题，均对ＤＷＤＭ系统造成不利因素，故目前已开发出Ｇ．６５５光纤并在不断改进，以有效的抑制色散、四波混频等非线性效应现象的产生，因此对Ｇ．６５５等新型光纤，主要考虑以下指标：

（１）低衰减平坦区要大，使波分复用能承载更多的波长。目前光放大器增益平坦区主要在Ｃ波段（１ ５３０ｎｍ～１ ５６５ｎｍ），但新的高效ＤＢＦＡ放大器业已推出（工作波长为１ ５２８ｎｍ～１ ６１０ｎｍ），因此，对光纤也要有Ｌ波段（１ ５６５ｎｍ～１ ６２５ｎｍ）的指标要求。据悉，新近推出的全波光纤，消除了常规光纤在１ ３８５ｎｍ附近由于ＯＨ根离子吸收造成的损耗峰，使１ ３１０ｎｍ～１ ６１０ｎｍ波长区都趋于平坦。

（２）色散要平坦，即零色散斜率小。在波分复用的工作区内，光纤的色散值要尽量平坦，在１ ３１０ｎｍ～１ ５６５ｎｍ范围内，色散值一般为１．０≤｜Ｄ｜≤６．０ｐｓ／ｎｍ·ｋｍ，相应零色散斜率可做到０．０９２ｐｓ／（ｎｍ２·ｋｍ）有的光纤下限可做到２．０ｐｓ／ｎｍ·ｋｍ，相应零色散斜率做到０．０８５ｐｓ／（ｎｍ２·ｋｍ）。据报道，有的光纤零色散斜率已做到了０．０４５ｐｓ／（ｎｍ２·ｋｍ）。

（３）较低的偏振模色散（ＰＭＤ）。对于１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上的高速ＴＤＭ传输系统，ＰＭＤ将成为限制性能的因素，会引起过大的脉冲展宽或造成过低的载噪比（ＣＮＲ），限制了传输距离。因此，为适应高速率光传输系统的发展，ＰＭＤ也是一个重要的指标。一般情况下，光纤的ＰＭＤ应该达到０．５ｐｓ／ｋｍ１／２，有的做到了０．２ｐｓ／ｋｍ１／２甚至更低。

（４）光纤的有效面积要大。光纤的有效面积（Ａ ｅｆｆ）与传输系统的非线性效应如四波混频（ＦＷＭ）、自相位调制（ＳＰＭ）、互相位调制（ＸＰＭ）等是呈反比关系的。因此，要求光纤的有效面积要尽可能的大，有的光纤做到了７８μｍ２甚至更高。当然，Ａ ｅｆｆ和零色散斜率是互相牵制的。

（５）光纤的几何尺寸性能要好。在光纤衰减值较低的情况下，光纤的熔接衰减将占据传输段衰减值的很大比例，因此，光纤几何尺寸的一致性要好。通常外包层同心度、光纤翘曲度、涂层直径容差等性能要优。

     在目前条件下，可针对不同的光纤采用不同的传输技术。Ｇ．６５２常规单模光纤工艺成熟，价格低廉，适用于中短距离的通信，目前仍是用量最大的光纤。对于已敷设的Ｇ．６５２光纤，可直接采用（８～３２）×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ波分复用系统，将容量扩大到２０～８０Ｇｂｉｔ／ｓ，若要进一步扩容，可采用色散补偿光纤来补偿常规光纤在１ ５５０ｎｍ区的较大色散，用光纤放大器补偿线路的损耗，实现Ｎ×１０Ｇｂｉｔ／ｓ的升级。Ｇ．６５２光纤用于接入网，近期可采用１ ３１０ｎｍ和１ ５５０ｎｍ实现光纤到路边或到大楼，将来可用波分复用无源光网络（ＷＤＭ—ＰＯＮ）实现超宽带信号直接到家庭。

     色散位移光纤Ｇ．６５３对单信道超高速传输是理想的，但用于ＤＷＤＭ，则由于工作区内的零色散点而产生的四波混频效应，影响了系统性能。因此，Ｇ．６５３光纤不适应长距离超大容量ＤＷＤＭ系统，现在长途干线一般不再敷设这种光纤。

    非零色散光纤（Ｇ．６５５）在整个光纤放大器的工作范围内色散极小但不为零，可有效地避免四波混频现象，既可用于Ｎ×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ系统，又可用于Ｎ×１０Ｇｂｉｔ／ｓ系统，是当前最理想的长距离超高速信号的传输媒介。Ｇ．６５５光纤的各种性能指标还有待进一步完善，国家一、二级干线已开始采用这种光纤。

３ 传输网络的发展

     传输网是各种电信业务网的基础网，主要作为各种信息的传送平台，因此要适应电信业务的新变化。原有的传输网传送的主要是话音业务，传输系统是时分复用的同步传送模式（ＳＴＭ）。而当前ＩＰ业务爆炸式的增长趋势，推动了电信网技术的演进，迫使电信运营商要考虑设计新的网络，以适应未来数据业务发展的需求。

     从电信技术发展的趋势看，ＩＰ将可能成为电信网上的主导通信协议。ＩＰ网由于技术新、容量大、成本低、效率高，经过近２０年的发展，特别是近几年，已逐步成为世界上覆盖面最广、规模最大、信息资源最丰富的网络。因此，ＩＰ协议已成为事实上的标准，目前，人们已试图将所有的应用，不管是传统的数据，还是语音或视频信号，都归结到ＩＰ数据包进行传送。这种网络互联协议比ＯＳＩ七层协议大为简化。网络层采用ＩＰ协议，那么下两层就是数据链路层和物理层。在物理层，目前较为一致的看法是，物理介质用光纤，由于光纤的高品质、大带宽及低成本，成为首选的物理介质已无可争议，目前真正的焦点集中在数据链路层的实现，也就是在ＩＰ层和物理层之间采用什么方式传送。目前较为流行的ＩＰ传送技术有３种，即ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ、ＩＰ ｏｖｅｒ ＳＤＨ和ＩＰ ｏｖｅｒ ＷＤＭ。但不管什么样的传输技术，光纤通信、ＤＷＤＭ以及全光网络将成为传输网的最基础层面。

     全光网络是光传输网的发展方向，全光网络就是实现光子域的交换、传送，向用户提供的接口全部是光波光路，全光网络的组成结构见图１。全光网络技术目前正处于发展阶段，一些电路层应用的概念正被移植到光路层的单元中，一些术语、功能体系、设备构成、网络结构等与ＳＤＨ技术基本相似，如光通道层、光复用段层、网络保护体系、采用光分插复用设备（ＯＡＤＭ）组成环形网及采用光交叉连接设备（ＯＸＣ）组成格形网等。全光网络的关键技术有光波分复用、光分插复用、光交叉连接、光交换（波长转换）以及光滤波器、光放大器技术等。目前全光网络技术还不成熟，很多技术问题，如独立的全光网络（ＡＯＮ）规划，光交叉连接设备（ＯＸＣ）的保护恢复，光分插复用器（ＯＡＤＭ）组建全光自愈环，光监控网络系统等问题，都有待深入地研究和解决。但全光网络走向实用化，只是个时间问题。目前ＤＷＤＭ已开始实用化，ＯＡＤＭ也已开始推向商用。

    发展全光网络大体上可分为三个阶段：

（１）建立点到点的ＤＷＤＭ系统，结合光放大器技术，逐步将点到点的链路改造成为ＤＷＤＭ系统，见图２。

（２）在ＤＷＤＭ的基础上，引入光分插复用技术，用ＯＡＤＭ组成光自愈环网，实现基于波长的通道级保护倒换功能，见图３。

（３）在ＯＡＤＭ组网的基础上，采用光交叉连接及光波长转换技术，将多个单一的光环网连接起来，使用相应的网管系统，实现光网络的保护恢复及网间互通调度，组成高层次的全光网络，见图４。

在实现全光网络的过程中，根据技术发展和业务需求，可将ＩＰ业务和ＡＴＭ业务直接进入光网络，而不必经过ＳＤＨ设备的转换接入。

（收稿日期：１９９９－０８－２３）

[摘要] 为适应信息技术革命的发展需求，光纤光缆、光传输系统正处于深刻的变革之中。文章叙述了光通信技术的发展趋势。

[关键词] 光纤通信 全光网 增容技术 发展趋势

[Abstract] Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｕｎｄｅｒｇｏｉｎｇ ｇｒｅａｔ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｋｅｅｐ ｕｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈ-ｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．

[Keywords] Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃａｐａｃｉ-ｔｙ－ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｄｅｖｅｌ-ｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ