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光纖通信技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

摘要:光纖通信自從問世以來,給整個(gè)通信領(lǐng)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(diǎn)而備受業(yè)內(nèi)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(wǎng)的光纖化比例已超過80%,預(yù)計(jì)到2010午,全國光纜建設(shè)長度將再增加約105km,并且將有11個(gè)大城市鋪設(shè)10G以上的大容量光纖通信網(wǎng)絡(luò)。
   光纖通信自從問世以來,給整個(gè)通信領(lǐng)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(diǎn)而備受業(yè)內(nèi)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(wǎng)的光纖化比例已超過80%,預(yù)計(jì)到2010午,全國光纜建設(shè)長度將再增加約105km,并且將有11個(gè)大城市鋪設(shè)10G以上的大容量光纖通信網(wǎng)絡(luò)。 

一、光纖通信技術(shù)的現(xiàn)狀 

   光纖通信的發(fā)展依賴于光纖通信技術(shù)的進(jìn)步。目前,光纖通信技術(shù)已有了長足的發(fā)展,新技術(shù)也不斷涌現(xiàn),進(jìn)而大幅度提高了通信能力,并不斷擴(kuò)大了光纖通信的應(yīng)用范圍。 

   1.波分復(fù)用技術(shù) 
 
    波分復(fù)用WDM(Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)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(gè)信道,把光波作為信號(hào)的載波,在發(fā)送端采用波分復(fù)用器(合波器),將不同規(guī)定波長的信號(hào)光載波合并起來送入一根光纖進(jìn)行傳輸。在接收端,再由一波分復(fù)用器(分波器)將這些不同波長承載不同信號(hào)的光載波分開。由于不同波長的光載波信號(hào)可以看作互相獨(dú)立(不考慮光纖非線性時(shí)),從而在一根光纖中可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的復(fù)用傳輸。自從上個(gè)世紀(jì)末,波分復(fù)用技術(shù)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(yīng)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(fù)用DWDM(Dens Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)成為國際上的主要研究對(duì)象。DWDM光纖通信系統(tǒng)極大地增加了每對(duì)光纖的傳輸容量,經(jīng)濟(jì)有效地解決了通信網(wǎng)的瓶頸問題。據(jù)統(tǒng)計(jì),截止到2002年,商用的DWDM系統(tǒng)傳輸容量已達(dá)400Gbit/s。以10Gbit/s為基礎(chǔ)的DWDM系統(tǒng)已逐漸成為核心網(wǎng)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(kuò)展到2000km以上[2]。
與此同時(shí),隨著波分復(fù)用技術(shù)從長途網(wǎng)向城域網(wǎng)擴(kuò)展,粗波分復(fù)用CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。CWDM的信道間隔一般為20nm,通過降低對(duì)波長的窗口要求而實(shí)現(xiàn)全波長范圍內(nèi)(1260nm~1620nm)的波分復(fù)用,并大大降低光器件的成本,可實(shí)現(xiàn)在0km~80km內(nèi)較高的性能價(jià)格比,因而受到運(yùn)營商的歡迎。 
 
  2.光纖接入技術(shù) 
 
  光纖接入網(wǎng)是信息高速公路的“最后一公里”。實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)母咚倩瑵M足大眾的需求,不僅要有寬帶的主干傳輸網(wǎng)絡(luò),用戶接入部分更是關(guān)鍵,光纖接入網(wǎng)是高速信息流進(jìn)千家萬戶的關(guān)鍵技術(shù)。在光纖寬帶接入中,由于光纖到達(dá)位置的不同,有FTTB、FTTC、FTTCab和FTTH等不同的應(yīng)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(xiàng)目的推動(dòng)下,開始了FTTH的應(yīng)用和推廣工作。迄今已經(jīng)在30多個(gè)城市建立了試驗(yàn)網(wǎng)和試商用網(wǎng),包括居民用戶、企業(yè)用戶、網(wǎng)吧等多種應(yīng)用類型,也包括運(yùn)營商主導(dǎo)、駐地網(wǎng)運(yùn)營商主導(dǎo)、企業(yè)主導(dǎo)、房地產(chǎn)開發(fā)商主導(dǎo)和政府主導(dǎo)等多種模式,發(fā)展勢(shì)頭良好。不少城市制訂了FTTH的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),有的城市還制訂了相應(yīng)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(yīng)用中,主要采用兩種技術(shù),即點(diǎn)到點(diǎn)的P2P技術(shù)和點(diǎn)到多點(diǎn)的xPON技術(shù),亦可稱為光纖有源接入技術(shù)和光纖無源接入技術(shù)。P2P技術(shù)主要采用通常所說的MC(媒介轉(zhuǎn)換器)實(shí)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(nèi)的技術(shù)可以為用戶提供FE或GE的帶寬,對(duì)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(shù),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(xiàng)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(yīng)用。目前用得比較多的是EPON中的GEPON,我國的GEPON依然屬于“863”計(jì)劃的成果,而且得到廣泛的應(yīng)用,還出口到日本、獨(dú)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(duì)不是很成熟。成本還偏高,所以,起步較晚,但在我國已經(jīng)開始有所應(yīng)用。由于其效率高、提供TDM業(yè)務(wù)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(diǎn),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(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 

   對(duì)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(biāo),而全光網(wǎng)絡(luò)也是人們不懈追求的夢(mèng)想。 

   1.超大容量、超長距離傳輸技術(shù) 

   波分復(fù)用技術(shù)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(yīng)用前景,這幾年波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展也確實(shí)十分迅猛。目前,1.6Tbit/s的WDM系統(tǒng)已經(jīng)大量商用,同時(shí),全光傳輸距離也在大幅度擴(kuò)展。提高傳輸容量的另一種途徑是采用光時(shí)分復(fù)用(OTDM)技術(shù),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(shù)是通過提高單信道速率提高傳輸容量,其實(shí)現(xiàn)的單信道最高速率達(dá)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(gè)OTDM信號(hào)進(jìn)行波分復(fù)用,從而大大提高傳輸容量。偏振復(fù)用(PDM)技術(shù)可以明顯減弱相鄰信道的相互作用。由于歸零(RZ)編碼信號(hào)在超高速通信系統(tǒng)中占空較小,降低了對(duì)色散管理分布的要求,且RZ編碼方式對(duì)光纖的非線性和偏振模色散(PMD)的適應(yīng)能力較強(qiáng),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(guān)鍵技術(shù)基本上都包括在OTDM和WDM通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)中。歐共體的RACE計(jì)劃和美國正在執(zhí)行的ARPA計(jì)劃在發(fā)展寬帶全光網(wǎng)中都部署了WDM和OTDM混合傳輸方式,以提高通信網(wǎng)絡(luò)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(shì),兩者的適當(dāng)結(jié)合應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)Tbit/s以上傳輸?shù)淖罴逊绞健?shí)際上,最近大多數(shù)超過3Tbit/s的實(shí)驗(yàn)都采用了時(shí)分復(fù)用(TDM、OTDM、ETDM)和WDM相結(jié)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(jí)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(yīng)相互平衡,因而,經(jīng)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(shí)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(dá)萬里之遙。 

   在光弧子通信領(lǐng)域內(nèi),由于其具有高容量、長距離、誤碼率低、抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),光弧子通信備受國內(nèi)外的關(guān)注,并大力開展研究工作。美國和日本處于世界領(lǐng)先水平。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了將激光脈沖信號(hào)傳輸5 920km,還利用光纖環(huán)實(shí)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(fù)用孤子通信系統(tǒng);日本利用普通光纜線路成功地進(jìn)行了超高20Tbit/s、遠(yuǎn)距離1 000km的孤立波通信,日本電報(bào)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在我國,光弧子通信技術(shù)的研究也有一定的成果,國家“863”研究項(xiàng)目成功地進(jìn)行了OTDM光弧子通信關(guān)鍵技術(shù)的研究,實(shí)現(xiàn)了20Gbit/s、105km的傳輸。近年來,時(shí)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(yīng)決定,不需要任何靜態(tài)介質(zhì)波導(dǎo)而備受國內(nèi)外研究人員的重視[5]。 

   光孤子技術(shù)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(shí)域和頻域的超短脈沖控制技術(shù)以及超短脈沖的產(chǎn)生和應(yīng)用技術(shù)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(shí)、整形、再生技術(shù)和減少ASE,光學(xué)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(dāng)然,實(shí)際的光孤子通信仍然存在許多技術(shù)難題,但目前已取得的突破性進(jìn)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(wǎng)絡(luò) 
 
  未來的高速通信網(wǎng)將是全光網(wǎng)。全光網(wǎng)是光纖通信技術(shù)發(fā)展的最高階段,也是理想階段。傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的全光化,但在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)處仍采用電器件,限制了目前通信網(wǎng)干線總?cè)萘康倪M(jìn)一步提高,因此,真正的全光網(wǎng)成為一個(gè)非常重要的課題。 
 
  全光網(wǎng)絡(luò)以光節(jié)點(diǎn)代替電節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)之間也是全光化,信息始終以光的形式進(jìn)行傳輸與交換,交換機(jī)對(duì)用戶信息的處理不再按比特進(jìn)行,而是根據(jù)其波長來決定路由。 
 
  全光網(wǎng)絡(luò)具有良好的透明性、開放性、兼容性、可靠性、可擴(kuò)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單,組網(wǎng)非常靈活,可以隨時(shí)增加新節(jié)點(diǎn)而不必安裝信號(hào)的交換和處理設(shè)備。當(dāng)然,全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展并不可能獨(dú)立于眾多通信技術(shù)之中,它必須要與因特網(wǎng)、ATM網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等相融合[6]。 

   目前全光網(wǎng)絡(luò)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(shì)上看,形成一個(gè)真正的、以WDM技術(shù)與光交換技術(shù)為主的光網(wǎng)絡(luò)層,建立純粹的全光網(wǎng)絡(luò),消除電光瓶頸已成未來光通信發(fā)展的必然趨勢(shì),更是未來信息網(wǎng)絡(luò)的核心,也是通信技術(shù)發(fā)展的最高級(jí)別,更是理想級(jí)別。 

三、結(jié)束語 

   目前,光纖通信已成為一種最主要的信息傳輸技術(shù),迄今尚未發(fā)現(xiàn)可以取代它的更好的技術(shù)。即使是在全球通信行業(yè)處于低迷時(shí)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(shì)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(wǎng)絡(luò)的時(shí)代也會(huì)在不遠(yuǎn)的將來如愿到來。
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