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标  题: [光电子版范文]光系统的发展—无处不在的光
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Tue May 10 08:54:15 2005)

 
　 早期的光波系统主要用于不同地点之间不间断的长途光传输，最近为提高点对点链路容
量引进的波分复用（ＷＤＭ）技术，为人们迈向光纤层网络开辟了一条新途径。在光网络
中，光纤上由波长定义的光信道提供了建立多节点传输网络所需的带宽单元，构建这些网
络需要复杂的光网元，而这些光网元也同样需要包括光交换结构在内的高度功能化的光器
件。所有这些均为朗讯科技光网络部现有或计划内产品的组成部分。光网络超越主干网和
城域网向接入网和企业局域网（LAN）领域的发展具有相当强的生命力。


高容量传输系统 

光波技术目前正以10年增长100多倍的速度发展。在过去的15年，光系统从G（109）比特时
代跨入到T（1012）比特时代。长距离传输试验于1996年进入T比特时代，当时，包括贝尔
实验室在内的三个实验室宣布实现了每条光纤每秒1T的数据传输率。除了具备惊人的传输
能力外，光纤技术还具有光缆体积小、重量轻以及光电子再生器间隔大等特点，由此产生
的经济优势甚至超过了容量优势。

光波系统容量的戏剧性增长带来长途传输费用的大幅下降。按照Dixon-Clapp原理，单一语
音信道费用与系统容量的平方根成反比。因此传输单一语音信道的技术费用每10年降低10
倍。也就是说，距离在电信经济中扮演的角色越来越微不足道。正如在英国出现的一则电
信广告中所说的那样：“地理已成为历史”。 

1．早期的光纤系统

在商用光纤系统发展历程中，值得一提的进展当属贝尔系统于1980年引进的FT3光波技术，
其数据传输率为45M，再生器间隔为7km，采用多模光纤，运行波长为0.82(m，光源为基于
砷化镓的半导体激光。改进后的FT3C系统，速率达到了每条光纤 90Mbit/s。该技术部署在
美国第一个重要的光波系统——连接首都华盛顿和纽约（1983年）然后到波士顿（1984年
）的东北走廊系统。

东北走廊系统完成后，光波技术出现了重要转折，实现这一突破的基础是相关支持部件技
术研发方面的进展。新的光波生成技术采用了容量更高的单模（SM）光纤，并将运行波长
交换到1.3(m和1.55(m以实现“低损耗”和“最低损耗”。由于要求SM激光与SM光纤匹配，
人们采用了磷化铟（InP）基片以提供所需波长。1985年出现的FT系列G系统的数据速率相
继达到了417Mbit/s和1.7Gbit/s，较低的损耗还将再生器间隔扩大到50km。

现在，让我们将注意力转到光波原型系统试验。人们最初主要通过高速电子时分复用（TD
M）实现光纤容量的增长，并采用运行波长为1.55(m的SM光纤技术实现更大的再生器间隔。
随着色散转换（DS）滤波器、色散补偿、分布式反馈（DFB）激光的谱控制能力、高速调制
、灵敏的高速接收器和高速电子设备等支持技术的出现和发展，研究人员逐渐将光纤系统
的传输容量从1986年的8Gbit/s推进到10Gbit/s、20Gbit/s和最近的40Gbit/s。实际上，高
速光纤系统的数据传输能力在过去10年增长了10倍。限制这一增长的主要因素是人们提供
高速电子设备和高速集成电路（IC）的能力。人们对这一极限的认识导致了光波技术领域
的另一场革命：波分复用技术。 

2．波分复用技术 

使用众多并行的由不同波长承载的高速信道，就是所谓的波分复用（ＷＤＭ）。ＷＤＭ系
统与掺饵光纤放大器（EDFA）相结合，为光波系统的发展带来另一场革命。它不仅导致光
纤容量出现了戏剧性增长，而且带来巨大的再生器间隔（在海底系统可长达一万千米）。


ＷＤＭ要求人们开发高增益的宽带光放大器、波导波长滤波器和复用器以及ＷＤＭ激光源
等支持技术，同时需要系统和光纤领域全新的观念，以抵消光纤中多个信道产生的较大光
功率所导致的非线性影响。为此，人们发明了色散管理技术，通过某种系统设计避免局部
零色散，同时保证全局色散几乎为零。此外，人们还构思出全新的“非零色散”光纤。

人们早期针对ＷＤＭ系统开展的大规模试验包括1989至1991年间在 Roaring Creek进行的
现场试验。该试验在840km长的光纤上完成了4个ＷＤＭ信道的数据传输，每信道速率为1.
7Gbit/s，同时采用了14个间隔为70km的EDFA。同期，贝尔实验室在一项研究试验中演示了
8个ＷＤＭ信道的数据传输，每信道速率达 2.5Gbit/s，并随后于1993年在280千米色散管
理光纤上演示了8个ＷＤＭ信道的数据传输，每信道速率达10Gbit/s。此外，这一创记录的
80Gbit/s试验还实现了小于10-13的误码率。1995年商业化ＷＤＭ系统首次得到大规模应用
，这就是在AT＆T长途网上部署的NGLN系统。  

1996年初，富士通、贝尔实验室和NTT同时宣布进入“太比特时代”。尽管使用的都是ＷＤ
Ｍ技术，三家的具体处理方式却有所不同。富士通采用长度为150km、具备色散补偿功能的
传统SM光纤，演示了55条ＷＤＭ信道，单一信道速率为20Gbit/s；贝尔实验室采用长为55
km的非零色散光纤，传输25条ＷＤＭ信道并分极复用到50条独立信道，每条信道的传输率
是20Gbit/s；NTT则使用40km 长的DS光纤，传输10条ＷＤＭ信道，并采用光时分复用技术
实现了100Gbit/s的单一信道数据率。

3．光纤的非线性特性 

在结束有关长距离传输的讨论之前，有必要针对光纤的非线性特性做两点说明。 

（l）与孤立子传输技术有关。孤立子是某种短脉冲，光纤色散和光纤非线性在此作出某种
平衡以便在长距离中维持较短的短脉冲宽度。人们通常以比特率与距离的乘积作为衡量完
成给定传输任务所需再生器数量的标准。由于较高的比特率和较长的再生器间隔，意味着
使用较少的光纤和再生器，因此对于长达上万千米的跨海系统，这一衡量标准尤其重要。
人们在实验室内开发的孤立子系统曾经创下与这一衡量标准有关的若干世界记录，可望有
效降低未来超长距离传输系统的成本。 

（2）与系统容量极限有关。我们现在已经知道，通过充分降低二氧化硅纤维的损耗可以获
得约50THz的极限带宽。目前的系统采用了二进位调幅并实现了最高约0.4bit/s/Hz的频谱
效率，这在理论上可以使单一纤维数据传输率达到20Tbit/s。Shannon定理指出，频谱效率
的提高可以通过增强信号功率实现。例如，其他低比特率技术（例如无线）所采用的多重
正交调幅（QAM）系统可以实现约4bit/s/Hz的频谱效率。原则上讲，这样的高级编码技术
可以使传输速率达到200bit/s。但是，提高光纤信号功率将导致更强的非线性效应，而这
些影响的最终极限还有待进一步了解。

光网络

从本质上讲，网络就是资源共享。光网络可以多种形式建立，这依赖于传输和分配过程中
光的共享或复用的演变。尽管许多早期贝尔实验室的研究人员倾向于采用频率复用共享传
输资源，但由数字革命驱动的时分复用（TDM）技术在主干传输网络中得到部署，波长复用
的部署只有在传输损耗严重限制了TDM速率的提高以及光放大器使ＷＤＭ具备更高的性能价
格比时才得以实现。与TDM系统相比，从简单的点对点系统向基于波长的多点网络的演变相
当明显。ＷＤＭ点对点网络系统在分布区域相当广（300到600km）的终端之间提供了巨大
的容量。 

下一步就是引进以波长信道为基础在节点间供应带宽并保护网络的ＷＤＭ环路，或进一步
将简单的ＷＤＭ环路交互连接以形成一个环路网。还可以利用一个通过基于波长的路径或
电路交互连接的大量节点构成的网络，以便当光纤和设备出现故障时，保持业务的连续性
并提供网络恢复功能。构建灵活的基于波长信道的光传输网络所需的网元包括波长增／减
复用器和基于波长的光交叉连接。从功能上看，两种网元非常相似，均在网络控制下提供
了将输入光纤中任意输入波长（光信道）传送到任意输出光纤或丢弃信道的能力，主要区
别仅体现在处理的输入光纤数量上。相关网元还实现功率水平设定、波长控制以及连接认
证等。此外，网络还可作为光信道的入口，在网络控制下，可以将增加的光信道交换到任
何一个输出端口。创建多点光网络所需的网元，首先需要高度功能化的光设备。事实上，
创建稳健的可以重新配置的ＷＤＭ网络，需要波长控制器、动态增益平衡器、光交换设备
以及波长转换器等一大批光器件。幸运的是，由于较早地认识到光网络将依赖于高度功能
化的光器件，集成光的概念得以较早地形成。二十世纪六十年代末期，贝尔实验室的研究
人员提出了集成光的概念，其想法是在单一光学基片上借助有源和无源波导功能器件构建
光波导电路，器件之间采用波导互连，最终形成一个单芯片光子系统。 

贝尔实验室又在八十年代中期提出创建基于ＷＤＭ的局域网的可能性。尽管这一工作未能
实现商业化，但它为滤波器、可调光源和ＷＤＭ复用器等主要ＷＤＭ光器件的研究提供了
动力和检验基础，并直接导致了全光网络财团的建立。在贝尔实验室、MIT林肯实验室以及
DEC 公司（现属康柏公司）共同努力下建立的全光网络财团，曾演示了基于无源波长选路
创建局域或城域ＷＤＭ网络的技术可行性。 

继全光网络财团之后，美国国防高等研究计划署（DARPA）协同AT＆T、朗讯科技及几家贝
尔电话公司等组成了多波长光网络（MONET）财团，其目的是验证以长距离ＷＤＭ传输以及
波长交叉连接和增／减技术为基础建立全国范围端到端波长路由网络的可行性。一期工程
在新泽西州建立了三个试验床，分别用于局域交换ＷＤＭ环路。光交叉连接以及长距离Ｗ
ＤＭ传输。二期工程在首都华盛顿建立了通过一对光交叉连接设备交连的双ＷＤＭ环路网
络。在网络建造过程中，MONET 使用了光波增／减及交叉连接网元，相应的原型产品将在
现场全面运行。MONET网络于1999年秋季竣工，并用于承载政府机构间的业务。 

光接入网络 

光网络发展的一个趋势就是将光从网络核心推向边缘顾客。 

1．光接入网的部分应用 

大中型商业用户通常可以通过中低速同步光纤网（SONET）/同步数字体系（SDH）TDM复用
器连接核心网，并按环路形式部署以保护投资。人们已经开发出一大批高性价比的 TDM复
用器，其支流速率可以低至T1（1.5Mbit/s），干线速率则在OC-3（155Mbit／ s）和OC- 
48（2.5Gbit/s）之  间。最近，由于价格的下降和需求的增加，人们还为网络接入推出若
干经济型ＷＤＭ系统，借助ＷＤＭ的协议独立性，在单一光纤上同时传输包括OC-12（622
Mbit/s）和千兆位以太网（1Gbit/s）在内的多种信号。 

光纤链路还越来越多地被用于交互连接LAN和校园网环境中的企业数据路由器和交换机。随
着校园主干从10M转向100M或千兆位以太网速率，人们开发出一大批价格低廉的光纤接口。
这些光纤链路通常是通过两个分开的光纤双向运行的单波长链路，可以在铜双绞线的传输
极限（约100m）以外传输宽带信号。对于基于光纤的千兆位以太网来说，目前流行的标准
采用850m垂直空穴表面发射激光（VCSEL）以及传输距离约为250m 的多模光纤。另一个流
行标准基于1310m边缘发射激光，在SM光纤上传输约5km。业内有望于2002年推出一个用于
10GB以太网的标准并在2001年左右推出早期产品。 

目前，通过数字环路承载（DLC）系统，光纤已被广泛部署在家庭电话环路设施。这些系统
利用光纤将中心办公室（CO）连接到远程终端，后者将光信号转换为电子信号，并将其传
输到双绞线为上千上万的用户提供服务。原本针对语音服务设计的DLC实际上可以提供更高
的容量，升级的途径包括在连接用户的双绞线上部署某种形式的数字用户线（DSL）技术，
或借助光纤提供的较大带宽将DLC单元连接到CO等。 

2．无源光网络 

为实现更高的带宽，人们还可以通过无源光网络（PON）以更经济的方式将光纤拉近用户。
在PON 中，人们采用单一光纤将CO连接到无源光分解器，后者将信号分配给大约16个光网
单元（ONU），ONU则负责光到电子的转换并为用户提供服务。如果ONU 位于家庭，就是所
谓的FTTH（光纤到户）系统；如果ONU 由若干（大约4-24个）用户分享，这就是所谓的FT
TC系统。由于CO光电子设备以及CO到无源分解器之间光纤的成本由多个用户分担，与将光
纤连接到所有ONU相比，PON具有更高的性能价格比。 

多用户共享光纤将带来光纤带宽如何分配的问题。最简单的处理方式就是所有用户都使用
相同的波长频带并共享带宽。在从CO到ONU的所谓下行方向，就是时分复用（TDM）；而在
上行方向，被称作时分多址（TDMA）。与用户之间距离很近的LAN环境不同， TDMA PON很
难方便地探测到随机发送用户导致的冲突。因此，人们通常使用某种可以确保上行传送器
具备在特定时间发送的绝对优先权的协议。 

如果PON依据波长分离用户业务流，那么无需引进复杂的协议即可实现更高的数据吞吐量。
例如在ＷＤＭ PON，人们可以用依赖于波长的路由器取代不依赖于波长的光分解器，并允
许所有ONU以原有波长与CO通信，从而避免带宽共享。然而，昂贵的ＷＤＭ器件（特别是O
NU不能共享的激光器）使这一处理根本不可行。为此，人们提出了一个利用光调制器取代
ONU 激光器的迂回解决方案。在这一“环路回送”系统中，人们使用CO中的单频率激光器
，通过照亮ONU调制器允许其发送上行数据。 

一些运营商已经联手建立了所谓的全服务接入网络（FSAN）财团，旨在通过指定可供众多
运营商购买的通用接入平台，促进PON系统价格的下降。FSAN网络是一个粗糙ＷＤＭ（CＷ
ＤＭ）PON。上/下行传输使用 1.3/1.5(m频段以及 155Mbit/s基带信号；TDMA协议用于上
行传输；语音和数据服务则以异步传输模式（ATM）打包。FSAN 网络带来一系列的试验并
在FTTC和FTTH系统中得到小规模部署。FSAN为比较各种高带宽PON 体系结构的可行性提供
了有用的标准。在一项研究中，人们比较了各种替代技术，并假设FSAN型光网中的每个ON
U上下行分别要求10M和155M的带宽。结果发现，ＷＤＭ PON借助目前的商业化器件不能提
供这种水平的服务；环路回送系统未能实现人们预想的目标并对ＷＤＭ路由器提出了不合
适的要求。最具有性能价格比的ＷＤＭ PON基础结构被认为是一种所谓的复合PON（CPON）
。在上行方向CPON是一个TDMA PON（所有ONU共享整个1.3(m频段）；而在下行方向，CPON
为每一ONU在1.5(m频段提供了一个独立的波长。

3．混合光纤同轴网 

典型的CATV网络使用同轴电缆和RF放大器，通过将CATV信号以光的形式传输到光纤节点，
并在这些节点为500到2000个使用单位提供光到电子的转换，放大器数量为3-5个，容量、
可靠性和图像质量较以往要高得多。与电话使用的基带数字信号相比，CATV模拟信号相当
脆弱，因此在实际中必须使用特殊的光。

为了通过电缆调制解调器提供数据服务，CATV公司现在需要将只支持下行广播的单行网络
变为双通道网络，以便为用户提供有针对性的数据服务。实现目标的一个方法是通过FTTC
或FTTH将光纤拉近用户。这一方案的优势是可以有效防止噪音的进入，并提供包括模拟CA
TV、视频点播、通过电缆调制解调器的高速互联网接入、电话等全套服务。 

在CATV中提供更多双向带宽的另一处理方式，就是将使用高功率 1.5(m EDFA在众多接收器
上放大和分解的广播模拟下行信号与8条 DＷＤＭ信道（其中每一条以 QAM子承载格式传输
多达1G数字数据）结合起来。在远程节点上，单个ＤＷＤＭ波长将被分解并与模拟信号的
一部分融合在一起，并将混合信号送往8个独立的光纤节点。也就是说，每个光纤节点将接
收到广播模拟信号以及专为某用户提供的数字信号。当然，如果需要的话，ＤＷＤＭ还可
被用于上行方向以提高上行容量。这一处理方式既可以独立实施，也可以作为将光纤拉近
用户的整体计划的一部分实施。 
 
 

　

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