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全面描述光纤技术发展和实际应用
本文主要介绍了光纤技术发展以及应用问题，介绍了各种光纤技术的发展历程，了解这方面的知识对于相关人员还是很有用处的。
作者：jack来源：赛迪网| 15:56
光纤技术发展还有很多值得学习的地方，这里我们主要介绍各种光纤技术发展，包括介绍在城域网中光纤技术选型的考虑，以及对各种光纤的比较，希望对大家有所帮助。
光纤的传输速率、传输距离受光纤的传输损耗、光纤的色散特性和光纤非线性等的影响。为了进一步提高光纤的传输容量和光纤的传输速率，对光纤技术的设计参数和制造方法进行了进一步的改进。由此，已经制造出色散特性得到改善的、更适合于大容量和长距离传输的新一代光纤技术发展。这些新类型的光纤包括非零色散位移光纤（NZ-DSF，也称作G.655型光纤）、大有效面积G.655型光纤、色散平坦的G.655型光纤和全波光纤等。
一、 各种光纤的发展
1．G.652型光纤
G.652型光纤的损耗特性具有三个特点：(l)在短波长区内的衰减随波长的增加而减小，这是因为在这个区域内，与波长的 4次方成反比的瑞利散射所引起的衰减是主要的；(2)损耗曲线上有羟基( OH-)引起的几个吸收峰，特别是 1.385μm上的的峰；(3)在 1.6μm以上的波长上由于弯曲损耗和二氧化硅的吸收而使衰减有上升的趋势。因此，在G.652型光纤内有3个低损耗窗口的波长，即850nm，1310nm和1550nm。其中损耗最小的波长是1550nm。在G.652型光纤中，其零色散波长为1310nm，也就是在光纤损耗第二小的这个波长上。对损耗最小的1550nm波长而言，其色散系数大约为17ps/(km.nm)。
2．G.655型光纤
G.652型光纤为光信号的传输提供了很高的带宽，但是它的不令人完全满意之处在于其零色散波长在光纤损耗第二小的这个波长上，而没有在损耗最小的1550nm波长上。而这个特性对一个光纤通信系统来说意味着：如果这个光纤通信系统对损耗特性是最优的，那么它对色散限制特性就不是最优的；如果这个光纤通信系统对色散特性是最优，那么它对损耗限制特性就不是最优的。
为了使光纤通信系统对损耗限制特性和色散限制特性都是最优的，人们又研制出色散位移光纤（DSF），即将光纤的零色散波长从1310nm处移动到1550nm处，而光纤的损耗特性不发生变化。也就是将零色散波长移动到损耗最小的波长上。但是零色散波长最大的问题是容易产生四波混频现象，所以为了避免产生四波混频非线性的影响，同时又使1550nm处的色散系数值较小，就产生了NZ-DSF光纤。NZ-DSF光纤的色散值大到足以允许DWDM传输，并且使信道间有害的非线性相互作用减至最低，同时又小到足以使信号以10Gbit/s的速率传输300至400公里而无需色散补偿。
按照光纤在1550nm处的色散系数的正负，G.655型光纤又分为两类：正色散系数G.655型光纤和负色散系数G.655型光纤。典型的G.655光纤在1550nm波长区的色散值为G.652光纤的1/4～1/6，因此色散补偿距离也大致为G.652光纤的4～6倍，色散补偿成本(包括光放大器、色散补偿器和安装调试)远低于G.652光纤。另外，由于G.655光纤采用了新的光纤拉制工艺，具有较小的极化模色散，单根光纤的极化模色散一般不超过0.05ps/km1/2。即便按0.1ps/km1/2考虑，这也可以完成至少400km长的40Gbit/s信号的传输。
3． 大有效面积光纤
高速传输系统的主要性能限制是色散和非线性。通常，线性色散可以用色散补偿的方法来消除，而非线性的影响却不能用简单的线性补偿的方法来消除。光纤的非线性包括自相位调制、交叉相位调制和四波混频，光纤的有效面积是决定光纤非线性的主要因素。
NZ-DSF光纤大大地改善了光纤的色散特性，但是因为光纤特定折射率的分布与普通的SMF光纤不同，所以，与普通SMF光纤相比，其模场直径变小，相应地，其有效面积也减小。在连接有效面积小的光纤时，更容易产生较大的插入损耗，所以对光纤接头的要求更高；同时，有效面积小的光纤更容易产生非线性。理论研究表明，增加光纤有效面积能减低所有的非线性。所以，增大有效面积是一种减低所有光纤非线性效应，从而改进系统性能的有效方法。 例如，美国康宁公司所生产的Leaf光纤，光纤的有效面积达72μm2以上,与G.652光纤的接近，同时其弯曲性能、极化模色散和衰减性能均可达到常规G.655光纤水平，而且色散系数的下限值已经提高，使之在nm窗口内处于2～6ps/(nm?km)之内，而在nm窗口内处于4.5～11.2ps/(nm?km)之内，从而可以进一步减小四波混合的影响。由于有效面积大大增加，可承受较高的光功率，因而可以更有效地克服非线性影响，若按72μm2面积设计，这至少减少大约1.2dB的非线性影响。按目前的有效面积设计，其光区段长度也可以比普通光纤增加约10km。其主要缺点是有效面积变大后导致色散斜率偏大，约为0.1ps/(nm2?km)，这样在L波段的高端，其色散系数可高达11.2ps/(nm?km)，使高波段通路的色散受限距离缩短，或传输距离很长时功率代价变大；当应用范围从C波段扩展到L波段时需要较复杂的色散补偿技术，这就不得不采用高低波段两个色散补偿模块的方法，从而增加了色散补偿成本。
4．低色散斜率光纤
色散对光脉冲信号传输的影响是促使光脉冲信号的宽度增加。在WDM传输系统中，由于色散的积累，各通路的色散都随传输距离的延长而增大。然而，由于色散斜率的作用，各通路的色散积累量是不同的，其中位于两侧的边缘通路间的色散积累量差别最大。当传输距离超过一定值后，具有较大色散积累量通路的色散值超标，从而限制了整个WDM系统的传输距离。
当DWDM系统的应用范围已经扩展到L波段,全部可用频带可以从nm扩展到nm时，如果色散斜率仍维持原来的数值(大约0.07～0.10ps/(nm2?km))，长距离传输时短波长和长波长之间的色散差异将随距离增长而增加，势必造成L波段高端过大的色散系数，影响10Gbit/s及以上速率信号的传输距离，或者说需要代价较高的色散补偿措施才行，而低波段的色散又嫌太小，多波长传输时不足以压制四波混合和交叉相位调制的影响。
为此，开发低色散斜率的G.655光纤成为必要。通过降低色散斜率，我们可以改进短波长的性能而不必增加长波长的色散，使整个C波段和L波段的色散变化减至最小，同时可以降低C波段和L波段色散补偿的成本和复杂性。
目前，美国贝尔实验室已开发出新一代的低色散斜率G.655光纤(真波RS光纤)，光纤色散斜率已从0.075ps/(nm2?km)降到0.05ps/(nm2?km)以下。典型低色散斜率G.655光纤在nm波长范围的色散值为2.6～6.0ps/(nm?km)，在nm波长范围的色散值为4.0～8.6ps/(nm?km)。其色散随波长的变化幅度比其它非零色散光纤要小35％～55％，从而使光纤在低波段的色散有所增加，最小色散也可达2.6ps/(nm?km)，可以较好地压制四波混合和交叉相位调制影响，而另一方面又可以使高波段的色散不致过大，在低于8.6ps/(nm?km)时仍然可以使10Gbit/s信号传输足够远的距离而无须色散补偿，通信系统的工作波长区可以顺利地从C波段扩展至L波段而不至于引起过大的色散补偿负担，甚至只需一个色散补偿模块即可补偿整个C波段和L波段。
5．全波光纤
全波光纤也可称作无水峰光纤，它几乎完全消除了内部的氢氧根(OH)离子，从而可以比较彻底地消除由之引起的附加水峰衰减。光纤衰减将仅由硅玻璃材料的内部散射损耗决定，在1385nm处的衰减可低至0.31dB/km。由于内部已清除了氢氧根，因而光纤技术即便暴露在氢气环境下也不会形成水峰衰减，具有长期的衰减稳定性。因为它消除了OH损耗所产生的尖峰，所以与普通G.652光纤相比，全波光纤具有以下优势。
（1）在1400nm处存在较高的损耗尖峰，所以普通G.652光纤仅能使用1310nm和1550nm两个窗口。由于1310nm处的色散为零，在这个波长窗口仅能够使用一个波长，所以理想情况下，普通G.652光纤除1310nm窗口外，还可以使用1530nm-1625nm的波分复用窗口。而全波光纤消除了水峰，所以理想情况下，全波光纤覆盖G.652全部波段以外，还可开辟1400nm窗口，所以它能够为波分复用系统（WDM）提供自nm波段的传输通道。
（2）在1400nm波段，全波光纤的色散只有普通光纤在1550nm波段的一半，所以对于高传输速率，全波光纤1400nm波段的无色散补偿传输距离将比传统的1550nm波段的无色散补偿传输距离增加1倍。
（3）因为全波光纤可以使用1310nm、1400nm和1550nm三个窗口，所以全波光纤将有可能实现在单根光纤上传输语音、数据和图象信号，实现三网合一。
（4）全波光纤增加了60％的可用带宽，所以全波光纤为采用粗波分复用系统（CWDM）提供了波长空间。例如，1400nm窗口的波长间距为2.5nm时，就可以提供40个粗波分复用波长，而1550nm窗口提供40个波长时，其波长间距为0.8nm。显然，1400nm粗波分复用的波长间距比传统的间距更宽，而更宽的波长间距使系统对元器件的要求大大降低，所以CWDM的价格低于DWDM的价格，从而使电信运营商的运行成本降低。
目前，全波光纤的标准化工作取得了很大的进展，已经获得了国际技术标准的支持。1999年7月，美国电信协会（TIA）投票通过了低水峰光纤的详细指标。1999年10月，国际电器技术协会（IEC）第一工作组通过了将低水峰光纤纳入B.13新光纤类别。1999年10月，ITU-T第15专家小组在日本奈良通过了将低水峰光纤（全波光纤）纳入到G.652增补项。所以，全波光纤已经解决了缺乏标准支持的问题。
开辟1400nm窗口必须要有一系列有源和无源器件的支持。目前适用于这一波长区的光源有EA、DFB和FP，光接收器件有PD和APD，光放大器有拉曼放大器和量子阱半导体光放大器，无源器件有薄膜滤波器、光纤布拉格光栅等等。因此，开发和利用光纤1400nm传输窗口的条件和时机已比较成熟。
目前，1400nm波段商用化也取得了一定的进展。例如，朗讯科技将有两套使用1400nm窗口的WDM系统面市。一套是在WaveStar AllMetro系统中增加1400nm窗口，此系统可在一根光纤技术中传输nm两窗口的信号。此系统具有光放系统，应用在高速率的大城市骨干环网。第二套是1400nm城市接入网系统Allspectra系统。此系统使用粗波分复用(大约20nm信道间隔)，使用全波光纤可提供16或更多的波长信道，而普通光纤技术只能提供大约10个信道。此粗波分复用产品应用在短距离环网(40公里以内)。&
二、城域网中光纤技术选型的考虑
1．光纤技术选型的原则
由于因特网、IP数据业务和各种新兴业务的推动，全球通讯容量正在发生爆炸性的增长，并促使光纤技术发展达到更大的容量、更高的可靠性和更经济的解决方案。扩大光纤通信系统传输容量有两个方法：一个是采用时分复用TDM技术，另一个是采用波分复用WDM的技术。就目前的技术发展来说，已经达成这样一个共识：WDM技术不仅仅在长途通信中发挥巨大作用，同样它也将被用于本地城域网中，并发挥扩大通信容量的巨大作用。因此，未来城域网络的基础平台就是能提供巨大的网络带宽、具有可灵活扩容的网络结构、对任何业务信号和业务速率均透明的波分复用(WDM)光传送网。
WDM光传输系统的网络结构可以有3种形式：点到点的WDM系统、由具有固定波长上下的光分插复用器构成的WDM环网和具有光交叉连接器的全光网络。这3种网络结构也可以说是WDM光传输系统将经历的3个发展阶段。点到点的WDM系统是目前已经被广泛应用于许多网络提供者的光纤通信系统上的WDM网络结构，它是对通信链路进行直接扩容的一种方式，也是最先被采用的WDM扩容方式。随着具有固定波长上下的光分插复用器（OADM）的出现，目前已开始出现了用OADM来对WDM系统进行组环网的商用WDM产品。
对在本地城域网中引入WDM光传输系统来说，也将根据城域网中通信容量的发展需求，在合适的时间分阶段地引入WDM系统：最先是点到点的WDM系统，然后是WDM光环网，最后实现用波长进行路由选择的光网络。所以，对作为WDM 光网络的物理传送媒质的光纤进行选型时，不仅应考虑各种光纤本身的特性，还应考虑本地网中通信业务量需求的大小、本地网的网络结构、本地网的网络技术和本地网中地区的差异性，并根据现有条件选择在合适的切入时间来铺设新的光缆网络。
2． 各种光纤特性的比较
光纤通信系统的传输容量和距离受光纤技术的损耗、光纤技术的色散特性和其非线性等因素的影响。目前，无中继放大器的光信号传输距离可以达到120km，另外，因为出现了以掺铒光纤放大器为代表的光放大器，所以光纤的损耗特性已经不再是限制传输距离的主要因素。目前，限制光纤传输距离和传输容量的主要因素是光纤的色散特性和非线性特性。
（1）G.652光纤
根据理论计算，在普通的单模G.652光纤中，对于以1550nm波长来传输光信号的光纤系统来说，当光纤传输系统传输2.5Gbit/s的光信号时，光纤的色散受限传输距离为960km；当光纤传输系统传输10Gbit/s的光信号时，光纤技术的色散受限传输距离为60km；当光纤传输系统传输40Gbit/s的光信号时，光纤的色散受限传输距离大约为4km。
在北京本地网中采用2.5Gbit/s的速率对传输网进行组网时，因G.652光纤色散受限传输距离为960km，并且北京市区的地理范围有限，WDM环将主要集中在市区，所以在北京本地网中，2.5Gbit/s系统可以组成点到点的WDM系统、WDM环网和全光交叉连接网，而不会受G.652光纤色散特性的影响。当采用10Gbit/s的速率对传输网进行组网时，因其色散受限传输距离为60km，所以在北京本地网（包括郊区）中，完全可以用点到点的WDM系统组成10Gbit/s光传输系统，另外还可以在北京本地网内组成短距离的WDM环网网络结构。对于全光交叉连接网络，因为一个波长信道将跨越多个环网，当采用G.652光纤进行组网时，就必须进行色散补偿，而这个光纤色散补偿的结构和设计将非常复杂。所以北京本地网中，不适合采用G.652光纤组成10Gbit/s全光传输网络。当传输速率达到40Gbit/s，G.652光纤色散受限传输距离为4km，仅能够用于短距离高速传输。
（2）G.655光纤
对非零色散位移G.655光纤来说，在1550nm波长区的典型色散值为G.652光纤的1/4～1/6，因此色散受限距离也大致为G.652光纤技术的4～6倍。另外，由于G.655光纤采用了新的光纤拉制工艺，具有较小的偏振模色散，单根光纤的偏振模色散一般不超过0.05ps/km1/2。即便按0.1ps/km1/2考虑，这也可以实现至少400km长的40Gbit/s信号的传输。就1550nm波长来说，当传输10Gbit/s 的光信号时，G.655光纤的色散受限距离大致为300~400km，因此，可以用G.655光纤在北京本地网中组成10Gbit/s的WDM环网，并且可以在大部分的地理范围内组成10Gbit/s的全光交叉连接WDM网络。
但是，对本地网来说，WDM系统应传输尽可能多的波长信道，而第一代G.655光纤的色散斜率较高，典型数值为0.075ps/(nm2?km)。当DWDM系统的应用范围已经扩展到L波段时，全部可用频带可以从nm扩展到nm时，如果色散斜率仍维持原来的数值，则短波长和长波长之间的色散差异将随距离增长而增加，势必造成L波段高端过大的色散系数，影响10Gbit/s及以上速率信号的传输距离，或者说需要代价较高的色散补偿措施才行，而低波段的色散又嫌太小，多波长传输时不足以压制四波混合和交叉相位调制的影响。考虑到色散系数斜率这个因素，当传输10Gbit/s的光信号时，G.655光纤的色散受限距离缩短为150~180km，这个色散受限距离将限制第一代G.655光纤在全光交叉连接网中的应用范围。因此，在城域网中实现全光交叉连接网时，需要使用新一代低色散斜率的G.655光纤。
另外， G.655光纤中有正色散光纤和负色散光纤。正色散G.655光纤的主要优点是其色散系数较小，但是其缺点是有可能存在调制不稳定性问题。而负色散G.655光纤的主要优点是不存在调制不稳定性问题，可以利用其负色散补偿直接调制激光器所产生的正调制，从而延长光纤色散受限距离。其缺点是1310nm窗口色散较大，色散受限距离短，不利于与北京电信现有光传输设备兼容。此外，这类光纤的零色散波长处于1640nm附近，在L波段的色散系数较小，将产生四波混频问题，不利于开拓L波段应用。
（3）全波光纤技术发展
全波光纤技术除了消除内部氢氧根(OH)离子所引起的附加水峰衰减外，其它特性完全与普通G.652光纤技术的特性相同。所以，在C波段和L波段，全波光纤技术与G.652光纤的色散受限距离完全相同。但是，与G.652光纤不同的是，全波光纤开放了1400nm的窗口，增加了60％的可用带宽，所以全波光纤为采用粗波分复用系统（CWDM）提供了波长空间。例如，1400nm窗口的波长间距为2.5nm时，就可以提供40个粗波分复用波长，而1550nm窗口提供40个波长时，其波长间距为0.8nm。显然，1400nm粗波分复用的波长间距比传统的间距更宽，而更宽的波长间距使系统对元器件的要求大大降低，使CWDM的价格将低于DWDM的价格，从而使电信运营商的运行成本降低。另外，在1400nm波段，全波光纤的色散只有G.652光纤在1550nm波段的一半，所以对于高传输速率，全波光纤1400nm波段的无色散补偿传输距离将比传统的1550nm波段的无色散补偿传输距离增加1倍。因此，在传输2.5Gbit/s的光信号时，可以用全波光纤技术发展在城域网中实现全光交叉连接网；在传输10Gbit/s的光信号时，可以用全波光纤在城域网中实现点到点的WDM网络，而与G.652光纤相比，全波光纤的可以波长范围却增加了100nm，所以我们应积极跟踪全波光纤的发展。
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摘要：在我国，光纤通信一直都是信息传达过程中所使用的主要方法。这一技术主要是将光波作为信息的载体，将光纤当做传输介质来满足人们通信需求的一种方法。本文通过叙述光纤通信自身的特点，介绍了这一技术在我国的发展现状与发展前景。
关键词：光纤通信，现状，前景
信息时代的竞争，多数是信息传输的竞争。谁能先别人一步了解到最新的消息，谁就能赢在起跑线上。在现阶段，我国的大部分信息容量都是利用光缆线路来进行传输的。在我国的信息传输过程中，光纤线路占据着十分重要的位置。
一、光纤通信的特点
20世纪70年代起，我国开始进行光纤技术的相关研究。现阶段，我国自主的光纤通信技术已经不仅能够满足大量的国内的网络建设的不同需求，还在逐步地走向国际社会中通信网络的建设。光纤通信能够得到如此迅速的发展是因为它具有以下的特点。第一，光纤通信的宽带信息的容量非常大。光纤通信的容量非常大，不仅如此，对于传输宽度来讲，光纤的传输宽度与传统的电缆线或铜线相比要大得多。但是由于光线系统多是单波长的，这就使终端的设备受到了非常大的限制，从而无法将光纤传输的宽度的优点发挥出来。所以，它还需要相应的科学技术来使传输的容量得到增加。第二，光纤通信的损耗较低，可以进行长距离的传送。与普通的通信耗损率相比而言，光纤通信的耗损率要低得多。光纤通信不仅耗损率比较低，而且还能够进行较长距离的通信。就现阶段而言，最长的通信距离能够达到万米以上。所以，光纤通信对于现代的社会网络来说，实用性更加高。同时，光纤通信具有比较高的性价比，安全性也比较好。第三，光纤通信的抗电磁干扰能力非常强。光纤是以石英为主要原材料制成的绝缘体材料。石英的绝缘性非常好，并且不容易被其他材料所腐蚀。较强的抗电磁干扰能力是光纤通信最重要的特点，它不会被太阳黑子的活动所干扰，不会受到雷电以及电离层变化的干扰，还不会被人为的电磁活动干扰。由于它的工作不会被电磁脉冲的效益所影响，光纤通信的系统还可以在军事领域中得到应用。第四，光纤通信的保密性能与安全性能非常好。在传统的电磁波传输过程中经常会发生信息泄露的现象，这样的情况会给传输系统造成各种各样的干扰，传统的传输方式性能也不是非常好。光纤通信是通过使用光波来进行信号传输的。由于光波导的结构能够将光信号完全的控制住，并且其他已泄露的射线都会由光纤线外部的包皮所吸收，所以，即便在条件较差的环境里或是各种拐角处，都很少发生光波泄露这样的现象。除以上特点外，还具有原材料资源丰富、成本较低，重量小、易铺设并且稳定性好，使用寿命较长等特点。
二、我国的发展现状
现在，我国的光纤通信得到了越来越广泛的应用。1、单模与多模光纤。科技是促进生产力进步的重要手段这一观点已被人们所接收，近些年来，我国的通信技术与设备得到了快速的发展，市场与科研对于传输所运用的需求量也越来越大。单模光纤适用于长距离、多地域的使用，多模光纤由于价格更经济，大多用在中断距离的传输信号作业中。2、光纤接入技术。光纤接入技术的普遍应用可以满足人们的日常生活要求，也可以使信息传输的高速化得到实现。这种技术可以将宽带的特性充分的利用起来，为用户提供不被任何环境限制的宽带。在2003年，这种技术在我国开始投入使用，现在在全国有数十个城市建立了实验网。
三、光纤通信的发展前景
目前，我国的光纤通信技术主要发展前景体现于以下几方面。1、光纤的性能得到不断的完善。在现在，光纤通信主要采用石英来制作光纤，但石英光纤的发展已经与理论数值十分接近，所以，现在人们正在探索是否可以使用卤化物玻璃纤维、氟化物以及重金属氧化物作为原材料来制作光纤。这一技术如果得到应用，会对网际通信等带来十分重要的意义与价值。2、扩大光纤通信的容量。随着光纤通信技术的不断发展与进步，如果能够同时将数个波长不同的光信号在同一个光纤上来进行传输作业，这样不仅能够使光纤的传输容量得到有效的增加，还能够同时使光纤的使用效率得到增加。3、新的光纤接入及技术。随着科技的进步，IP、通信业务的业务量也得到了不断的增长，人们对它的需求也越来越高。现在，人们不仅要求使用语音服务业务，还要求互动视频、高速数据以及高保真音乐等多媒体业务。通过对光纤接入的技术进行研究，就可以使未来互联中如何实现多种业务的高效接入的问题得到解决。
四、结束语
通过人们对光纤通信技术的不断地研究，在将来的信息时代中这一技术将会占据十分重要的位置，我国不仅要将其在国内得到广泛的应用，还要让我国的这一技术走向全球。
参考文献：
[1]毛谦.我国光纤通信技术发展的现状和前景[J].电信科学，2006，22(8)：1-4.DOI：10.3969/j.issn.06.08.001.
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[3]马勇，梅松.我国光纤通信的现状及发展前景[J].江苏科技信息，2012，(4)：25-27.DOI：10.3969/j.issn.12.04.010.
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光纤通信技术的发展
Ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
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。关键字:光纤通信 全光网 增容技术 发展趋势
英文摘要: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．英文关键字:Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
Ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ
Ｃａｐａｃｉ-ｔｙ－ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｄｅｖｅｌ-ｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ
&&&& 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）
蒋力三，高级工程师，安徽省邮电管理局计划建设处处长，安徽省通信学会常务理事，安徽省地下空间学会副理事长。一直从事通信网的规划、设计和技术管理工作，享受政府特殊津贴。
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