光纖通信技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
訊石光通訊網
2009/9/1 13:33:02
光纖通信自從問世以來，給整個通信領域帶來了一場革命，它使高速率、大容量的通信成為可能。光纖通信由于具有損耗低、傳輸頻帶寬容量大、體積小、重量輕、抗電磁干擾、不易串音等優(yōu)點而備受業(yè)內人士的青睞，發(fā)展非常迅速。光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量從1980年到2000年這20年間增加了近一萬倍，傳輸速度在過去的10年中大約提高了100倍。目前，我國長途傳輸網的光纖化比例已超過80%，預計到2010午，全國光纜建設長度將再增加約105km，并且將有11個大城市鋪設10G以上的大容量光纖通信網絡。
一、光纖通信技術的現(xiàn)狀
光纖通信的發(fā)展依賴于光纖通信技術的進步。目前，光纖通信技術已有了長足的發(fā)展，新技術也不斷涌現(xiàn)，進而大幅度提高了通信能力，并不斷擴大了光纖通信的應用范圍。
1.波分復用技術
波分復用WDM（Wavelength Division Multiplexing）技術可以充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大帶寬資源。根據(jù)每一信道光波的頻率（或波長）不同，將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道，把光波作為信號的載波，在發(fā)送端采用波分復用器（合波器），將不同規(guī)定波長的信號光載波合并起來送入一根光纖進行傳輸。在接收端，再由一波分復用器（分波器）將這些不同波長承載不同信號的光載波分開。由于不同波長的光載波信號可以看作互相獨立（不考慮光纖非線性時），從而在一根光纖中可實現(xiàn)多路光信號的復用傳輸。自從上個世紀末，波分復用技術出現(xiàn)以來，由于它能極大地提高光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量，迅速得到了廣泛的應用。
1995年以來，為了解決超大容量、超高速率和超長中繼距離傳輸問題，密集波分復用DWDM（Dens Wavelength Division Multiplexing）技術成為國際上的主要研究對象。DWDM光纖通信系統(tǒng)極大地增加了每對光纖的傳輸容量，經濟有效地解決了通信網的瓶頸問題。據(jù)統(tǒng)計，截止到2002年，商用的DWDM系統(tǒng)傳輸容量已達400Gbit/s。以10Gbit/s為基礎的DWDM系統(tǒng)已逐漸成為核心網的主流。DWDM系統(tǒng)除了波長數(shù)和傳輸容量不斷增加外，光傳輸距離也從600km左右大幅度擴展到2000km以上[2]。
與此同時，隨著波分復用技術從長途網向城域網擴展，粗波分復用CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）技術應運而生。CWDM的信道間隔一般為20nm，通過降低對波長的窗口要求而實現(xiàn)全波長范圍內（1260nm～1620nm）的波分復用，并大大降低光器件的成本，可實現(xiàn)在0km～80km內較高的性能價格比，因而受到運營商的歡迎。
2.光纖接入技術
光纖接入網是信息高速公路的“最后一公里”。實現(xiàn)信息傳輸?shù)母咚倩?，滿足大眾的需求，不僅要有寬帶的主干傳輸網絡，用戶接入部分更是關鍵，光纖接入網是高速信息流進千家萬戶的關鍵技術。在光纖寬帶接入中，由于光纖到達位置的不同，有FTTB、FTTC、FTTCab和FTTH等不同的應用，統(tǒng)稱FTTx。
FTTH（光纖到戶）是光纖寬帶接入的最終方式，它提供全光的接入，因此，可以充分利用光纖的寬帶特性，為用戶提供所需要的不受限制的帶寬，充分滿足寬帶接入的需求。我國從2003年起，在“863”項目的推動下，開始了FTTH的應用和推廣工作。迄今已經在30多個城市建立了試驗網和試商用網，包括居民用戶、企業(yè)用戶、網吧等多種應用類型，也包括運營商主導、駐地網運營商主導、企業(yè)主導、房地產開發(fā)商主導和政府主導等多種模式，發(fā)展勢頭良好。不少城市制訂了FTTH的技術標準和建設標準，有的城市還制訂了相應的優(yōu)惠政策，這些都為FTTH在我國的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。
在FTTH應用中，主要采用兩種技術，即點到點的P2P技術和點到多點的xPON技術，亦可稱為光纖有源接入技術和光纖無源接入技術。P2P技術主要采用通常所說的MC（媒介轉換器）實現(xiàn)用戶和局端的直接連接，它可以為用戶提供高帶寬的接入。目前，國內的技術可以為用戶提供FE或GE的帶寬，對大中型企業(yè)用戶來說，是比較理想的接入方式。
xPON意味著包括多種PON的技術，例如APON（也稱為BPON）、EPON（具有GE能力的稱為GEPON）以及GPON。APON出現(xiàn)最早，我國的“863”項目也成功研發(fā)出了APON，但由于諸多原因，APON在我國基本上沒有應用。目前用得比較多的是EPON中的GEPON，我國的GEPON依然屬于“863”計劃的成果，而且得到廣泛的應用，還出口到日本、獨聯(lián)體、歐洲、東南亞等海外一些國家和地區(qū)。GPON由于芯片開發(fā)出來比較晚，相對不是很成熟。成本還偏高，所以，起步較晚，但在我國已經開始有所應用。由于其效率高、提供TDM業(yè)務比較方便，有較好的QoS保證，所以，很有發(fā)展前景。EPON和GPON各有優(yōu)缺點，EPON更適合于居民用戶的需求，而GPON更適合于企業(yè)用戶的接入[3]。
二、光纖通信技術的發(fā)展趨勢
對光纖通信而言，超高速度、超大容量和超長距離傳輸一直是人們追求的目標，而全光網絡也是人們不懈追求的夢想。
1.超大容量、超長距離傳輸技術
波分復用技術極大地提高了光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量，在未來跨海光傳輸系統(tǒng)中有很大的應用前景，這幾年波分復用系統(tǒng)發(fā)展也確實十分迅猛。目前，1.6Tbit/s的WDM系統(tǒng)已經大量商用，同時，全光傳輸距離也在大幅度擴展。提高傳輸容量的另一種途徑是采用光時分復用（OTDM）技術，與WDM通過增加單根光纖中傳輸?shù)男诺罃?shù)來提高其傳輸容量不同，OTDM技術是通過提高單信道速率提高傳輸容量，其實現(xiàn)的單信道最高速率達640Gbit/s。
僅靠OTDM和WDM來提高光通信系統(tǒng)的容量畢竟有限，可以把多個OTDM信號進行波分復用，從而大大提高傳輸容量。偏振復用（PDM）技術可以明顯減弱相鄰信道的相互作用。由于歸零（RZ）編碼信號在超高速通信系統(tǒng)中占空較小，降低了對色散管理分布的要求，且RZ編碼方式對光纖的非線性和偏振模色散（PMD）的適應能力較強，因此，現(xiàn)在的超大容量WDM/OTDM通信系統(tǒng)基本上都采用RZ編碼傳輸方式。WDM/OTDM混合傳輸系統(tǒng)需要解決的關鍵技術基本上都包括在OTDM和WDM通信系統(tǒng)的關鍵技術中。歐共體的RACE計劃和美國正在執(zhí)行的ARPA計劃在發(fā)展寬帶全光網中都部署了WDM和OTDM混合傳輸方式，以提高通信網絡的帶寬和容量。WDM/OTDM系統(tǒng)已成為未來高速、大容量光纖通信系統(tǒng)的一種發(fā)展趨勢，兩者的適當結合應該是實現(xiàn)Tbit/s以上傳輸?shù)淖罴逊绞?。實際上，最近大多數(shù)超過3Tbit/s的實驗都采用了時分復用（TDM、OTDM、ETDM）和WDM相結合的傳輸方式[4]。
2.光弧子通信
光弧子是一種特殊的ps數(shù)量級上的超短光脈沖，由于它在光纖的反常色散區(qū)，群速度色散和非線性效應相互平衡，因而，經過光纖長距離傳輸后，波形和速度都保持不變。光弧子通信就是利用光弧子作為載體實現(xiàn)長距離無畸變的通信，在零誤碼的情況下信息傳遞可達萬里之遙。
在光弧子通信領域內，由于其具有高容量、長距離、誤碼率低、抗噪聲能力強等優(yōu)點，光弧子通信備受國內外的關注，并大力開展研究工作。美國和日本處于世界領先水平。美國貝爾實驗室已經成功實現(xiàn)了將激光脈沖信號傳輸5 920km，還利用光纖環(huán)實現(xiàn)了5Gbit/s、傳輸15 000km的單信道孤子通信系統(tǒng)和10Gbit/s、傳輸11 000km的雙信道波分復用孤子通信系統(tǒng)；日本利用普通光纜線路成功地進行了超高20Tbit/s、遠距離1 000km的孤立波通信，日本電報電話公司推出了速率為10 Gbit/s、傳輸12 000km的直通光弧子通信實驗系統(tǒng)。在我國，光弧子通信技術的研究也有一定的成果，國家“863”研究項目成功地進行了OTDM光弧子通信關鍵技術的研究，實現(xiàn)了20Gbit/s、105km的傳輸。近年來，時域上的亮孤子、正色散區(qū)的暗孤子、空域上展開的三維光弧子等，由于它們完全由非線性效應決定，不需要任何靜態(tài)介質波導而備受國內外研究人員的重視[5]。
光孤子技術未來的前景是：在傳輸速度方面采用超長距離的高速通信，時域和頻域的超短脈沖控制技術以及超短脈沖的產生和應用技術使?a href="http://www.cnii.com.cn/cnii_zte/index.htm" class="yt" >中興俾?0～20Gbit/s提高到100Gbit/s以上；在增大傳輸距離方面采用重定時、整形、再生技術和減少ASE，光學濾波使傳輸距離提高到100000公里以上；在高性能EDFA方面是獲得低噪聲高輸出EDFA。當然，實際的光孤子通信仍然存在許多技術難題，但目前已取得的突破性進展使我們相信，光孤子通信在超長距離、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系統(tǒng)中，有著光明的發(fā)展前景。
3.全光網絡
未來的高速通信網將是全光網。全光網是光纖通信技術發(fā)展的最高階段，也是理想階段。傳統(tǒng)的光網絡實現(xiàn)了節(jié)點間的全光化，但在網絡結點處仍采用電器件，限制了目前通信網干線總容量的進一步提高，因此，真正的全光網成為一個非常重要的課題。
全光網絡以光節(jié)點代替電節(jié)點，節(jié)點之間也是全光化，信息始終以光的形式進行傳輸與交換，交換機對用戶信息的處理不再按比特進行，而是根據(jù)其波長來決定路由。
全光網絡具有良好的透明性、開放性、兼容性、可靠性、可擴展性，并能提供巨大的帶寬、超大容量、極高的處理速度、較低的誤碼率，網絡結構簡單，組網非常靈活，可以隨時增加新節(jié)點而不必安裝信號的交換和處理設備。當然，全光網絡的發(fā)展并不可能獨立于眾多通信技術之中，它必須要與因特網、ATM網、移動通信網等相融合[6]。
目前全光網絡的發(fā)展仍處于初期階段，但它已顯示出了良好的發(fā)展前景。從發(fā)展趨勢上看，形成一個真正的、以WDM技術與光交換技術為主的光網絡層，建立純粹的全光網絡，消除電光瓶頸已成未來光通信發(fā)展的必然趨勢，更是未來信息網絡的核心，也是通信技術發(fā)展的最高級別，更是理想級別。
三、結束語
目前，光纖通信已成為一種最主要的信息傳輸技術，迄今尚未發(fā)現(xiàn)可以取代它的更好的技術。即使是在全球通信行業(yè)處于低迷時期，光纖通信的發(fā)展也從未停滯過，就我國而言，2002年的光通信市場相比2001年仍處增長狀態(tài)。從現(xiàn)代通信的發(fā)展趨勢來看，光纖通信也將成為未來通信發(fā)展的主流。人們期望的真正的全光網絡的時代也會在不遠的將來如愿到來。
一、光纖通信技術的現(xiàn)狀
光纖通信的發(fā)展依賴于光纖通信技術的進步。目前，光纖通信技術已有了長足的發(fā)展，新技術也不斷涌現(xiàn)，進而大幅度提高了通信能力，并不斷擴大了光纖通信的應用范圍。
1.波分復用技術
波分復用WDM（Wavelength Division Multiplexing）技術可以充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大帶寬資源。根據(jù)每一信道光波的頻率（或波長）不同，將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道，把光波作為信號的載波，在發(fā)送端采用波分復用器（合波器），將不同規(guī)定波長的信號光載波合并起來送入一根光纖進行傳輸。在接收端，再由一波分復用器（分波器）將這些不同波長承載不同信號的光載波分開。由于不同波長的光載波信號可以看作互相獨立（不考慮光纖非線性時），從而在一根光纖中可實現(xiàn)多路光信號的復用傳輸。自從上個世紀末，波分復用技術出現(xiàn)以來，由于它能極大地提高光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量，迅速得到了廣泛的應用。
1995年以來，為了解決超大容量、超高速率和超長中繼距離傳輸問題，密集波分復用DWDM（Dens Wavelength Division Multiplexing）技術成為國際上的主要研究對象。DWDM光纖通信系統(tǒng)極大地增加了每對光纖的傳輸容量，經濟有效地解決了通信網的瓶頸問題。據(jù)統(tǒng)計，截止到2002年，商用的DWDM系統(tǒng)傳輸容量已達400Gbit/s。以10Gbit/s為基礎的DWDM系統(tǒng)已逐漸成為核心網的主流。DWDM系統(tǒng)除了波長數(shù)和傳輸容量不斷增加外，光傳輸距離也從600km左右大幅度擴展到2000km以上[2]。
與此同時，隨著波分復用技術從長途網向城域網擴展，粗波分復用CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）技術應運而生。CWDM的信道間隔一般為20nm，通過降低對波長的窗口要求而實現(xiàn)全波長范圍內（1260nm～1620nm）的波分復用，并大大降低光器件的成本，可實現(xiàn)在0km～80km內較高的性能價格比，因而受到運營商的歡迎。
2.光纖接入技術
光纖接入網是信息高速公路的“最后一公里”。實現(xiàn)信息傳輸?shù)母咚倩?，滿足大眾的需求，不僅要有寬帶的主干傳輸網絡，用戶接入部分更是關鍵，光纖接入網是高速信息流進千家萬戶的關鍵技術。在光纖寬帶接入中，由于光纖到達位置的不同，有FTTB、FTTC、FTTCab和FTTH等不同的應用，統(tǒng)稱FTTx。
FTTH（光纖到戶）是光纖寬帶接入的最終方式，它提供全光的接入，因此，可以充分利用光纖的寬帶特性，為用戶提供所需要的不受限制的帶寬，充分滿足寬帶接入的需求。我國從2003年起，在“863”項目的推動下，開始了FTTH的應用和推廣工作。迄今已經在30多個城市建立了試驗網和試商用網，包括居民用戶、企業(yè)用戶、網吧等多種應用類型，也包括運營商主導、駐地網運營商主導、企業(yè)主導、房地產開發(fā)商主導和政府主導等多種模式，發(fā)展勢頭良好。不少城市制訂了FTTH的技術標準和建設標準，有的城市還制訂了相應的優(yōu)惠政策，這些都為FTTH在我國的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。
在FTTH應用中，主要采用兩種技術，即點到點的P2P技術和點到多點的xPON技術，亦可稱為光纖有源接入技術和光纖無源接入技術。P2P技術主要采用通常所說的MC（媒介轉換器）實現(xiàn)用戶和局端的直接連接，它可以為用戶提供高帶寬的接入。目前，國內的技術可以為用戶提供FE或GE的帶寬，對大中型企業(yè)用戶來說，是比較理想的接入方式。
xPON意味著包括多種PON的技術，例如APON（也稱為BPON）、EPON（具有GE能力的稱為GEPON）以及GPON。APON出現(xiàn)最早，我國的“863”項目也成功研發(fā)出了APON，但由于諸多原因，APON在我國基本上沒有應用。目前用得比較多的是EPON中的GEPON，我國的GEPON依然屬于“863”計劃的成果，而且得到廣泛的應用，還出口到日本、獨聯(lián)體、歐洲、東南亞等海外一些國家和地區(qū)。GPON由于芯片開發(fā)出來比較晚，相對不是很成熟。成本還偏高，所以，起步較晚，但在我國已經開始有所應用。由于其效率高、提供TDM業(yè)務比較方便，有較好的QoS保證，所以，很有發(fā)展前景。EPON和GPON各有優(yōu)缺點，EPON更適合于居民用戶的需求，而GPON更適合于企業(yè)用戶的接入[3]。
二、光纖通信技術的發(fā)展趨勢
對光纖通信而言，超高速度、超大容量和超長距離傳輸一直是人們追求的目標，而全光網絡也是人們不懈追求的夢想。
1.超大容量、超長距離傳輸技術
波分復用技術極大地提高了光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量，在未來跨海光傳輸系統(tǒng)中有很大的應用前景，這幾年波分復用系統(tǒng)發(fā)展也確實十分迅猛。目前，1.6Tbit/s的WDM系統(tǒng)已經大量商用，同時，全光傳輸距離也在大幅度擴展。提高傳輸容量的另一種途徑是采用光時分復用（OTDM）技術，與WDM通過增加單根光纖中傳輸?shù)男诺罃?shù)來提高其傳輸容量不同，OTDM技術是通過提高單信道速率提高傳輸容量，其實現(xiàn)的單信道最高速率達640Gbit/s。
僅靠OTDM和WDM來提高光通信系統(tǒng)的容量畢竟有限，可以把多個OTDM信號進行波分復用，從而大大提高傳輸容量。偏振復用（PDM）技術可以明顯減弱相鄰信道的相互作用。由于歸零（RZ）編碼信號在超高速通信系統(tǒng)中占空較小，降低了對色散管理分布的要求，且RZ編碼方式對光纖的非線性和偏振模色散（PMD）的適應能力較強，因此，現(xiàn)在的超大容量WDM/OTDM通信系統(tǒng)基本上都采用RZ編碼傳輸方式。WDM/OTDM混合傳輸系統(tǒng)需要解決的關鍵技術基本上都包括在OTDM和WDM通信系統(tǒng)的關鍵技術中。歐共體的RACE計劃和美國正在執(zhí)行的ARPA計劃在發(fā)展寬帶全光網中都部署了WDM和OTDM混合傳輸方式，以提高通信網絡的帶寬和容量。WDM/OTDM系統(tǒng)已成為未來高速、大容量光纖通信系統(tǒng)的一種發(fā)展趨勢，兩者的適當結合應該是實現(xiàn)Tbit/s以上傳輸?shù)淖罴逊绞?。實際上，最近大多數(shù)超過3Tbit/s的實驗都采用了時分復用（TDM、OTDM、ETDM）和WDM相結合的傳輸方式[4]。
2.光弧子通信
光弧子是一種特殊的ps數(shù)量級上的超短光脈沖，由于它在光纖的反常色散區(qū)，群速度色散和非線性效應相互平衡，因而，經過光纖長距離傳輸后，波形和速度都保持不變。光弧子通信就是利用光弧子作為載體實現(xiàn)長距離無畸變的通信，在零誤碼的情況下信息傳遞可達萬里之遙。
在光弧子通信領域內，由于其具有高容量、長距離、誤碼率低、抗噪聲能力強等優(yōu)點，光弧子通信備受國內外的關注，并大力開展研究工作。美國和日本處于世界領先水平。美國貝爾實驗室已經成功實現(xiàn)了將激光脈沖信號傳輸5 920km，還利用光纖環(huán)實現(xiàn)了5Gbit/s、傳輸15 000km的單信道孤子通信系統(tǒng)和10Gbit/s、傳輸11 000km的雙信道波分復用孤子通信系統(tǒng)；日本利用普通光纜線路成功地進行了超高20Tbit/s、遠距離1 000km的孤立波通信，日本電報電話公司推出了速率為10 Gbit/s、傳輸12 000km的直通光弧子通信實驗系統(tǒng)。在我國，光弧子通信技術的研究也有一定的成果，國家“863”研究項目成功地進行了OTDM光弧子通信關鍵技術的研究，實現(xiàn)了20Gbit/s、105km的傳輸。近年來，時域上的亮孤子、正色散區(qū)的暗孤子、空域上展開的三維光弧子等，由于它們完全由非線性效應決定，不需要任何靜態(tài)介質波導而備受國內外研究人員的重視[5]。
光孤子技術未來的前景是：在傳輸速度方面采用超長距離的高速通信，時域和頻域的超短脈沖控制技術以及超短脈沖的產生和應用技術使?a href="http://www.cnii.com.cn/cnii_zte/index.htm" class="yt" >中興俾?0～20Gbit/s提高到100Gbit/s以上；在增大傳輸距離方面采用重定時、整形、再生技術和減少ASE，光學濾波使傳輸距離提高到100000公里以上；在高性能EDFA方面是獲得低噪聲高輸出EDFA。當然，實際的光孤子通信仍然存在許多技術難題，但目前已取得的突破性進展使我們相信，光孤子通信在超長距離、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系統(tǒng)中，有著光明的發(fā)展前景。
3.全光網絡
未來的高速通信網將是全光網。全光網是光纖通信技術發(fā)展的最高階段，也是理想階段。傳統(tǒng)的光網絡實現(xiàn)了節(jié)點間的全光化，但在網絡結點處仍采用電器件，限制了目前通信網干線總容量的進一步提高，因此，真正的全光網成為一個非常重要的課題。
全光網絡以光節(jié)點代替電節(jié)點，節(jié)點之間也是全光化，信息始終以光的形式進行傳輸與交換，交換機對用戶信息的處理不再按比特進行，而是根據(jù)其波長來決定路由。
全光網絡具有良好的透明性、開放性、兼容性、可靠性、可擴展性，并能提供巨大的帶寬、超大容量、極高的處理速度、較低的誤碼率，網絡結構簡單，組網非常靈活，可以隨時增加新節(jié)點而不必安裝信號的交換和處理設備。當然，全光網絡的發(fā)展并不可能獨立于眾多通信技術之中，它必須要與因特網、ATM網、移動通信網等相融合[6]。
目前全光網絡的發(fā)展仍處于初期階段，但它已顯示出了良好的發(fā)展前景。從發(fā)展趨勢上看，形成一個真正的、以WDM技術與光交換技術為主的光網絡層，建立純粹的全光網絡，消除電光瓶頸已成未來光通信發(fā)展的必然趨勢，更是未來信息網絡的核心，也是通信技術發(fā)展的最高級別，更是理想級別。
三、結束語
目前，光纖通信已成為一種最主要的信息傳輸技術，迄今尚未發(fā)現(xiàn)可以取代它的更好的技術。即使是在全球通信行業(yè)處于低迷時期，光纖通信的發(fā)展也從未停滯過，就我國而言，2002年的光通信市場相比2001年仍處增長狀態(tài)。從現(xiàn)代通信的發(fā)展趨勢來看，光纖通信也將成為未來通信發(fā)展的主流。人們期望的真正的全光網絡的時代也會在不遠的將來如愿到來。
新聞來源：訊石光通訊網