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标  题: 世界光纤发展新动向
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标  题: 世界光纤发展新动向
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世界光纤通信发展新动向
中国工程院院士 赵梓森
前 言
    1999年2月23～26日在美国加州San Diego召开了世界光纤通信大会和国际集成光学
光纤通信大会(OFC & IOOC—Optical Fiber Communication Conference & Internatio
nal Conference on Integrated Optics & Optical Fiber Communication)。本文主要
根据这次大会所发表的论文，来介绍当前世界光纤通信发展动向。
  1.超大容量光纤通信试验系统
    这次大会发表的试验系统中，不少系统速率在1Tb/s以上，300Gb/s～600Gb/s的试验
系统则不可胜数。此文仅列举几个有特点的系统供参考。超大容量光纤通信试验系统见
表1。
表1 超大容量光纤通信试验系统
    NTT公司的试验系统容量为3Tb/s，是至今世界容量最大的系统。它采用时分复用(O
TDM)和波分复用(WDM)相结合的方法。先OTDM(16×10Gb/s)，再WDM(19×160Gb/s)。采用
的光纤是零色散波长为1535nm的色散位移光纤，传输距离很短，仅40km。采用了掺碲的
EDFA作光放大，有较好的带宽。
     法国CNET的WDM实验系统，速率为51×20Gb/s=1.02Tb/s，采用了常规的单模光纤(
SMF)，传输距离为1000km(环测)。其结果优良，放大间距为101km。无论放大间距还是频
带利用率，均不低于其他光纤的超大容量试验系统。通常认为SMF色散很大，对减少四波
混频(FWM)引起的干扰有好处，但需要很多的补偿光纤。该系统采用较多的光放大器以克
服补偿光纤的损失，这在工程建设中固然要增加费用，但利用原有SMF线路，与新建线路
相比，还是划算的。Alcatel公司对各种光纤的自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)发
生的效果进行了研究和比较(见图1和图2)，其中粗线表示最坏，细线表示最好情况。表
明SMF(G.652)和DSF(G.653)用于WDM系统时，其SPM，XPM的危害较小，不像想象的那么严
重。
图1 各种光纤的自相位调制的代价
    英国帝国学院(UK Imperial College)研制了宽带的拉曼放大器。受激拉曼放大(St
imulated Raman Amplify)是在常规光纤中直接加入光泵功率，利用光纤的非线性使光信
号放大的，如图3(a)。示意图内是采用单光泵的拉曼放大。单光泵的拉曼放大的增益带
宽较狭，采用波长为1420nm和1450nm两个光泵的拉曼放大器可得到很宽的带宽(1480～1
620nm）。图3(b)的拉曼放大的增益可达30dB，噪声系数小于6dB。光泵功率为860mW。
图2 各种光纤的交叉相位调制的代价
图3（a） 拉曼放大示意图
图3（b） 双泵拉曼放大的增益带宽和噪声
    NTT把拉曼放大与EDFA结合使用，分别用DSF色散位移光纤(G.653)进行了WDM32×10
Gb/s的传输试验，传输距离为640km，放大器间距80余km。过去理论和实验表明DSF光纤
的FWM干扰严重，不宜作WDM系统。然而采用拉曼放大后，其放大作用是沿光纤分布而不
是集中的，因而发送的光功率可减小，从而FWM干扰可降低，因此WDM在DSF光纤中传输仍
能取得较好的效果。
  2. WDM大规模组网问题及其新技术
    WDM大容量系统的试用阶段即将过去，大规模或全面采用WDM系统的时候将要到来。
发达国家和大公司正在规划怎样组建WDM网，WDM网如何管理，需要什么协议和标准，因
特网或IP网又如何与WDM结合等。研究或发明可用于WDM的新技术和新器件具有极其重要
的意义，一种新技术或新器件可使整个系统的性能大大改善，有时会推翻整个旧系统。
因此现在有许多大大小小新的老的公司，都投入了较大力量开发WDM新技术和新的光器件
。
    建WDM网时究竟是2.5Gb/s还是10Gb/s系统好？NTT组织WDM网时，认为这与该节点的
吞吐量有关，如表2。
表2 吞吐量－速率－波长数－光纤端口
    Nortel公司的WDM系列产品，包括长途网、城区网和接入网三大类，供组网选用，概
括如表3。
表3 Nortel WDM系列产品
     WDM系统如何与IP网结合以传送IP信息(通称IP over WDM)，是一个极其重要的问题
，因为不久的将来IP数据业务会占主要地位。NTT的一个IP over WDM方案是：光的通道
开销有两部分，一部分在光容器帧结构内，它对应SONET/SDH的段开销，另一部分不在帧
内，而是用调制的导频(pilot tone)另外传送，光层只具有WDM的复用功能。目前路由寻
址(routing)仍在电层。IP信息包经电层(PPP-ATM层)映射到光通道净荷中。该IP over
WDM方案需要开发设备，即NTT所称的PTS(photonic transport system)来实现以上功能
。NTT另一个用WDM传送IP的方案是：由波长路由器把某波长送到指定的地区，如图4。
图4 一种WDM传送IP的方案
    通常WDM工作在波长1530～1560nm，常称为C波段。后来在长波长方向延伸至1560～
1620nm，称为L波段。NTT提出还可延伸到较短的波段，并且重新划分波段如下：
    NTT对S波段进行了实验，发现光纤通信系统在S波段中传输的损伤代价(penalty)较
小，表明S波段是完全可用的。
    色散补偿是长距离大容量WDM系统必然遇到的问题。如果想得到一个又宽又平的波段
，那么对色散补偿器件的色散和色散斜率同时有一定要求。Lucent提出色散补偿器件新
参数：斜率比(RDS)=色散斜率S/色散D。优良的补偿光纤DCF1、DCF2与常规单模光纤的R
DS基本相等，如表4。
表4 色散和色散斜率比
（a）计算模式
S：信道间隔 2B：调制的光载波占据的带宽 2A：光载波容许的频率漂移范围
（b）结果
图5 波长间隔的关系曲线
    WDM对光波长的稳定度有严格的要求。光波长的稳定容限与传输速率，波长间隔等有
关。NTT提出的光波长的稳定度与传输速率，波长间隔的关系曲线如图5，可供制作者参
考。
3.光电器件和集成光电器件
    ●可调的色散补偿器件——Lucent开发了一种可调的色散补偿器件。在光纤光栅色
散补偿器上镀金属电阻膜，如在电阻膜上施加电流产生温度，可改变光纤光栅的色散，
如图6。
图6 可调的色散补偿器件
    ●光滤波器是 祝模图际 的关键器件，应有高度稳定的性能，特别是要保证其中心
波长不能漂移。通常可通过检测光波长偏差并施加反馈来纠正。但是简单的检测方法难
以区分波长是正偏差还是负偏差，往往不论正或负偏差均检测到较小的幅值。加拿大国
家研究所采用在偏转型光滤波器内设置A，B波导的方法，可检测光波长是正偏差还是负
偏差，如图7。
图7 可检测光波长差的光滤波器
    ●在大规模使用WDM组网时，特别是通道调度时，可能需要把某一波长变换为另一波
长，或者需要整个波段的变换。Lucent研制的光波段变换器如图8。光波导是周期极状L
iNbO3光波导(Periodically poled waveguide)。它是利用LiNbO3的二阶非线性系数χ(
2):χ(2)对光波长进行变换的。图中λP=1556nm是光泵波长，ωS是光信号波长。输出波
长=2ωP-ωS。当输入波长为A，B，C，D(1550～1560nm波段)时，经变换后其输出波长为
A’，B’，C’，D’(1565～1575nm波段)。
图8 光波段变换器
    ●在大规模使用WDM组网时，特别是通道调度时，可能需要把某一波长的高次群数字
信号变换为几个不同波长较低速的子群信号。瑞士研制了OTDM/WDM变换器(主/子群变换
器)，其速率为40Gb/s→4×10Gb/s，如图9。它由平面光波导上的MZ干涉器件和半导体光
放大器构成。输入波长为l0速率40Gb/s的光数字信号，施加波长为λ1，λ2，λ3，λ4
的时钟源，调节各处延时△τ，就可得到波长为λ1，λ2，λ3，λ4的数字信号。
图9 OTDM/WDM变换器
    ●高速取样开关——赫茨实验室研制了速度极高的光开关，它可在160Gb/s的光数据
流中取样。其工作原理是：利用波长分别为1302nm、1312nm的两个光脉冲在半导体光放
大器中产生的四波混频可对照检查1550nm的光信号脉冲取样。实验装置如图10。其中PC
是偏振控制器。调节其中的延时可以正确地取样。图10中下方小图是在160Gb/s光数据流
中取得的111100001111码。这种高速开关适用于未来从光IP信号中直接提取路由地址，
以便实现光IP(IP over Optical)。
图10 高速取样开关
    ●集成光电器件是进一步发展光纤通信的重要措施。如同集成电子器件那样，它可
以缩小体积，提高可靠性，降低成本，它对光纤到家庭尤其重要。法国CNET研制了在一
个芯片上实现收发光信号的集成器件如图11。在芯片左端是激光器，右端是光检测器。
其输出波长为1.3μm，检测波长为1.55μm。可用于光纤到家庭单纤双向传输。
图11 单纤双向传输的收发光集成器件
    ●古河公司把12个激光器和光检测器集成在一个模块里，如图12。它有一个可与12
芯光纤带连接的活动连接插接件，供连接使用。
图12 12个激光器和光检测器集成模块具有12芯光纤带的活动连接插接件
    ●HP公司的商用混合集成模块系列见表5。
表5 HP公司的商用的混合集成模块系列
注：LD－激光器，LED－发光管，VCSEL－垂直腔面发射激光器
    HP公司已生产可出用于WDM-LAN的4波长模块。短波长系列的波长为：820nm，835nm
，850nm，865nm。长波长系列的波长为：1280nm，1300nm，1320nm，1340nm。速率为2.
5Gb/s。现在光纤的价格便宜，该模块采用双纤方案，连同连接器的成本可能比单纤双向
所用的光滤波器便宜。发送采用单模光纤，接收采用多模光纤，这样有利于耦合。模块
的衬底是高分子Polymer材料。为了降低成本，模块不用致冷和隔离器。外形如图13。
图13 HP公司生产可用于WDM－LAN的4波长模块
    从以上情况可知：HP公司根据市场需求来开发产品，以低成本廉价取胜。HP公司声
称：现在10Gb/s的模块的价格可低于100美元。
    ●用混合集成工艺制成的平面光波导32波长选择器件(OWS optical wavelength se
lector-NTT)如图14。其损失平均为2.3dB，偏振有关损失＜1dB，串话＜-45dB，升降时
间＜1ns。显然OWS对WDM网是十分有用的。
图14 用混合集成工艺制成的平面光波导32波长选择器件
注：SOA－半导体光放大器，PLC－平面光线路（planner lightwave circuit）。
    ●高分子数字交换器件。近来采用Polymer高分子材料制作的光波导器件正趋于成熟
。高分子材料易于加工，成本低。日立公司研制的高分子数字交换器件如图15。在电极
上施加电压可以控制光信号通过或不通过此光波导。其工作波长为1550nm，插入损失为
6.5dB，消光比为18.4dB，控制电压为10V，功耗为300mW。已级联成1×8光数字交换开关
。目前存在问题是：易于从它的衬底硅片上脱落，还有吸水和老化问题。
图15 采用Polymer高分子材料制作的光波导数字交换器件
    ●微机械可变光衰减器。 Lucent公司利用半导体工艺制作出微机械可变光衰减器如
图16。其工作原理是利用静电引力改变微机械中的遮蔽片的位置，以遮蔽光纤的导光面
积，从而改变光衰减。该器件是由光信号控制的。图16(a)是由30个光电池串接的电能发
生器件，它产生的电压施加于电容片上，产生引力以带动微机械。图16(b)是微机械光纤
遮蔽片。这种微机械器件可用以制作：光衰减器，光功率稳定器，光功率均衡器和光波
段开关。
图16 微机械可变光衰减器
    ●微机械光交叉连接器。 AT&T利用微机械制成的光交叉连接器如图17。控制信号可
使某微镜片直立或倒下即可使光信号传送到某光纤输出端或者不作用。在各光纤输出端
有45°光分束器和光检测器可检测光信号连接结果。一个8×8的微机械光交叉连接器的
尺寸为1cm×1cm。
图17 微机械光交叉连接器
  4.光接入网和光纤到家庭
    光纤到家庭目前所需要的成本计算如图18，接入距离为300m(意大利CSELT)。图18中
列出了采用各种不同的光源和光纤的成本，其中以发光管和多模光纤组成的系统较廉。
从中可知目前成本主要在光电器件和光纤。接入距离为300m时成本小于300美元。CSELT
也对接入距离为50m时的成本进行了计算，算出成本为80美元，比铜线贵。
图18 光纤到家目前所需要的成本
    ●财务策略部门(Pac Bell financial strategies group)计算认为目前光纤到家庭
太贵。预计在2002年时可以实现。
    ●HFC光纤电缆混合系统有新进展。HFC系统用光纤把宽带的光信号送到光节点，然
后再用电缆接入用户。HFC系统可提供60路模拟电视和260路压缩数字电视，还可提供42
MHz的上行数据信道，从功能方面看，FHC比较理想。电视广播部门试图改造闭路电视网
成为HFC网。但是由于改造闭路电视网为双向困难很大，HFC系统的发展一度停滞不前。
近来有些公司主张不再进行双向改造，原有闭路电视网维持传送模拟电视，而另外加一
条电缆作双向传输，如图19。下行传输数字电视，上行传送数据，可用带宽为1GHz。这
种方法，需要采用一种微光节点mFN(mini Fiber Node)。mFN构造简单，成本低。一个m
FN可接入50个家庭点，一个光节点FN，连接许多mFN后，可供1200个家庭，与原HFC系统
相当。
图19 HFC的微光纤节点
5.结 论
    ●WDM技术已获得进一步发展并开始大规模使用；
    ●SMF，DSF和Raman放大也可用于WDM；
    ●IP over Optical正在开始；
    ●OTDM开始界入；
    ●HFC有所进展；
    ●因特网所用光技术和器件百花齐放；
    ●各种WDM光器件层出不穷；
    ●混合集成光PLC器件即将成熟；
    ●Polymer器件大有进展；
    ●微机械器件异军突起。

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(Observation deck)
    Sam:  It's you...
  Annie:  It's me.
    Sam:  I saw you in the street.
  Jonah:  Are you Annie?
    Sam:  You are Annie?

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