光系统的演变：无处不在的光
2019-11-03 18:07:40
供稿：网友
光系统的演变：无处不在的光<1> 摘要：光网络技术的迅速发展为因特网日益膨胀的信息流量提供了强大的传输支持。更为重要的是，光放大器和波分复用（WDM）技术的出现，不仅强化了光在网络中的地位，而且将其作用逐步扩大到网络边缘。随着光纤价格的逐渐下降以及企业与家庭用户对带宽需求的持续增长，光纤系统将逐步从核心网和城域网向接入网和企业局域网领域发展并显示出强大的生命力。可以预见，光将出现在所有的地方！ 关键词：光网络 WDM 掺铒光纤放大器 无源光网络 早期的光波系统主要用于不同地点间的长途光传输。近年来，为提高点对点链路容量而引进的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，由波长定义的光信道为建立多节点传输网络提供了带宽单元。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。所有这些正是朗讯科技光网络部现有或计划内产品的组成部分。朗讯科技贝尔实验室的研究人员和工程师们在过去25年中在挖掘和推广光的应用过程中扮演了极为重要的角色。 一、高容量传输系统 光波技术目前正以每10年增长100多倍的速度发展着。像其他信息技术的发展一样，光系统在过去的15年里从G（10°）比特时代跨入（10的12次方）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在每条光纤上实现了1Tbit／s的数据传输率。要想体会这一惊人的传输能力，请注意光纤只是一条直径与人的头发相当的玻璃丝，每秒太比特的传输率意味着一根头发丝细的光纤可以以28kbit／s的速率支持4000万个数据连接、2000万个数字语音电话信道或50万个压缩数字电视频道。 为了深入理解光波技术的发展前景，有必要了解光波技术欲取而代之的双绞线及同轴电缆系统数字传输技术。与这些技术相比较，光纤技术具有光缆体积小、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。 美国的首个数字传输系统是1962年出现的T1传送系统，该系统在一条双续铜线上以大约1.5Mbit/s的速率承载24条数字语音信道，再生器间隔约为2km。80年代推出的先进的数字同轴电缆传输系统是T4M系统，该系统采甩直径为0.375英尺的同轴电缆，传输速率为274Mbit/s，再生器间隔为1.6km。而相比之下，基于光纤的典型商用系统中再生器的间隔至少为5.9km，甚至可达几十万米。 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年降低到原来的1／10。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”。 在商用光纤系统发展历程中，首先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45Mbit/s，再生器间隔为7km，采用多模光纤，运行波长为0.82μm，光源为基于砷化镓的半导体激光器。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——连接华盛顿、纽约（1983年）和波士顿（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光纤，并将运行波长转换到1.3μm和1.55μm以实现“低损耗”和“最低损耗”。为了满足单模激光器与单模光纤匹配的要求，人们采用了磷化钿（InP）基片以提供所需波长。1985年出现的FT系列G系统的数据率相继达到了417Mbit／s和1.7Gbit／s，并在较低损耗的环境下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。在过去十年内，全球各地的研究人员创造了一系列世界记录，其中许多都是由贝尔实验室完成的。人们最初主要通过高速电子时分复用（TDM）技术实现光纤容量的增长，并采用运行波长为1.55μm的单模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）激光器的谱控制能力、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10，20Gbit／s和最近的40 Gbit/s。实际上，高速光纤系统的数据传输能力在过去10年内增长了10倍。限制这一增长的主要因素是高速电子设备和高速集成电路能力的提高。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：WDM技术。 目前，在市场需求和技术进步的推动下，计算机的处理能力每10年增长100倍以上，而计算机所依赖的集成电路的速度却只增长了10倍左右。计算机设计者采用了与高级光波系、统设计类似的并行体系结构方案，即使用许多并行的由不同波长承载的高速信道，这就是所谓的WDM。WDM系统与最新开发的掺饵光纤放大器（EDFA）相结合，为光波系统的发展带来另一场革命。它不仅促使光纤容量呈戏剧性增长，而且极大地加长了再生器间隔（海底系统可长达10000km）。WDM在原有的时间和空间上增加了波长这一新线数，从而为网络世界开创了一个新纪元。 WDM技术的出现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，同时需要采用系统和光纤领域全新的理念，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，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。 早期针对WDM系统开展的大规模试验包括1989－1991年间在Roaring Creek进行的现场试验。该试验在840 km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14个间隔为70km的掺饵光纤放大器。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280km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/e。此外，这一创记录的80Gbit/s试验还实现了小于10负13次方的误码率。 1993年以后，光纤系统容量在实验室范围内获得了长足的进展。不久之后，商用化WDM系统又首次得到大规模应用，这就是1995年开始在AT＆T长途网上部署的NGLN系统。继贝尔实验室1993年试验之后，在全球范围内开展了一系列的试验，并向世人演示了越来越大的单一光纤容量，这一趋势目前还在继续。 1996年初，富士通、贝尔实验室和NTT同时宣布进入“太比特时代”。有趣的是，尽管使用的都是WDM技术，三家的具体处理方式却有所不同。富土通公司在150km长、具备色散补偿功能的传统单模光纤上演示了55条WDM信道，单一信道速率为20 Gbit／S；贝尔实验室在长为55km的非零色散光纤上传输25条WDM信道并分极复用到50条独立信道，每条信道的传输率也是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100Gbit/s的单一信道数据率。 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。第一个说明与光孤子传输技术有关。光孤子是某种短脉冲，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的数量标准。由于较高的比特率和较长的再生器间隔将意味着使用较少的光纤和再生器，因此对于超过10000 km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光孤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常距离传输系统的成本。 第二个说明与系统容量极限有关。我们现在已经知道，通过最大程度降低二氧化硅纤维的损耗可以获得约50THz的极限带宽。目前的系统是采用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光纤的数据传输率达到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200Tbit／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研究。 二、光网络 在光纤发展的初期，研究人员就已预想到，光网络将会从简单的点对点系统发展成为多点交换系统，至少是可配置的系统。早期研究人员大多来自射频（RF）和微波领域，他们自然将频分网络作为当然的研究方向。虽然光交换的概念也曾获得极大的关注，但是由于技术尚未成熟，因而当时的研究仍主要集中在光源和检波器上。这些部件当然是支持点对点链路的关键技术，但尚需首先建立后者的技术可行性和经济适用性。另外的一些早期研究还包括了其他的关键光技术和部件，如可调波长滤波器和耦合器、光交换机、可调激光器和星型耦合器等高度功能化的部件，它们终将会在光网络的建设方面发挥作用。 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技术的演变。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，但是由数字革命的驱动，时分复用技术依然在主于传输网络中得到了部署。时分复用技术既非常适合语音信道所需的速率，同时也适合在长距离传输中可以最大限度降低单位比特成本的更高速率。正如我们前面提到的那样，WDM技术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的情况下才得以部署。 与TDM系统对照，WDM技术在系统从简单的点对点向基于波长的多点网络演变的过程中具有相当明显的优势。WDM点对点网络系统在分布区域相当广（300－600 km）的终端之间提供了巨大的容量。一旦WDM传输系统在技术上和经济上变得可行，则只需适当地减少（随后增加）波长，即可在提供更好的网络连接的同时节省大量的费用。此时，波长增／减复用器可以有选择地丢弃某个波长，而且不通过光电子转换直接放过其他波长。
