“三超”光纖通訊系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展與趨勢展望

黃環(huán)昉 王潤祺 張龍飛

摘要：“三超”，就是超高速、超大容量、超長距離。“三超”光纖通訊一直是是光通信乃至整個通信業(yè)一直奮力追求的目標(biāo)。作為新型光學(xué)通信方式，“三超”光通訊刺激著下一代互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)和寬帶光纖傳輸?shù)目焖侔l(fā)展，同時也將成為新時代國際高科技知識產(chǎn)權(quán)競爭的焦點與熱點。

關(guān)鍵詞：超高速;超大容量;超長距離;光纖通信

1.引言

光纖通信作為現(xiàn)代通信的主要傳輸手段，在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著至關(guān)重要作用。自20世紀(jì)70年代初引入光纖通信以來，整個通信行業(yè)經(jīng)歷了革命性的變革，使高速、大容量通信成為了現(xiàn)實。對于光通信網(wǎng)絡(luò)而言，超高速度、超大容量和超長距離一直是人類追求和奮斗的目標(biāo)。全光網(wǎng)絡(luò)則是人類在光通訊方面上的最終目標(biāo)。

目前，光通信網(wǎng)絡(luò)正在迅速發(fā)展，規(guī)模不斷擴大，容量迅速增加，服務(wù)日益增多，應(yīng)用日益靈活，需求日益多樣化。新型的超高速、超大容量和超長距離光傳輸機理與模式已成為未來光通信技術(shù)領(lǐng)域中非常重要的一面。當(dāng)局預(yù)測，到2030年，全球網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量和人均網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量將比2010年增加1000倍。作為互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的光傳輸網(wǎng)絡(luò)將不斷面臨傳輸大量數(shù)據(jù)的壓力，擴大網(wǎng)絡(luò)容量已經(jīng)是勢在必行。作為新型光學(xué)通信方式，“三超”光通訊刺激著下一代互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)和寬帶光纖傳輸?shù)目焖侔l(fā)展，同時也將成為新時代國際高科技知識產(chǎn)權(quán)競爭的焦點與熱點。

2.光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

隨著1977年光纖首次被應(yīng)用在長距離傳輸中，美國電話電報公司（45Mbit/s）和英國郵局（8.4Mbit/s）先后使用多模光纖實現(xiàn)了實時電話信號的傳輸。如果以40年的時間跨度來看，光纖傳輸系統(tǒng)按照主流技術(shù)的發(fā)展可以劃分為4個階段，即電光再生技術(shù)（1977—1995年）、光放大與色散管理技術(shù)（1995—2008年）、相干通信技術(shù)（2008年至今）和空間復(fù)用技術(shù)（2008年至今）。

早期的光纖傳輸系統(tǒng)每經(jīng)過一段光纖都需要采用電學(xué)的方式對光信號進行再生，其容量取決于收發(fā)器的接口速率，即收發(fā)器能夠支持的凈比特率。這種接口速率在商業(yè)系統(tǒng)和研究實驗中的增長都非常緩慢。直到EDFA的發(fā)明以及在20世紀(jì)90年代WDM技術(shù)的出現(xiàn)，商用光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量從20世紀(jì)90年代中期到2000年早期，每年都增加一倍。

3.“三超”傳輸技術(shù)

3.1 波分復(fù)用技術(shù)

波分復(fù)用技術(shù)是光纖通信中非常重要的技術(shù)，也是光纖通信中的重要構(gòu)成部分，該技術(shù)能夠利用激光器的不同頻帶在光纖中同時傳輸不同的信息。因此，波分復(fù)用技術(shù)能夠最大限度地利用單一模式光纖中的低損耗窗的帶寬，但是其中帶寬的利用潛力很大。波分復(fù)用技術(shù)作為尖端的光纖通信技術(shù)，因為能夠在更深的水平上強化光纖傳輸系統(tǒng)的整體傳輸容量，所以正在引起人們的注意。

3.2 正交頻分復(fù)用

鑒于OFDM的技術(shù)優(yōu)勢，將其引入到光纖通信系統(tǒng)中是近年來的一個研究熱點，實驗表明在不采用任何補償?shù)那闆r下，采用OFDM技術(shù)的單模光纖通信系統(tǒng)可以將10Ghi/s信號傳輸100km以上，可見OFDM技術(shù)的引人可明顯改善光纖通信系統(tǒng)性能。

3.3 光時分復(fù)用

OTDM可以克服放大器級聯(lián)帶來的增益不均勻和光纖非線性的限制。在未來的全光交換和全光路由網(wǎng)絡(luò)中，OTDM技術(shù)的一些特點使其作為全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一更具吸引力，如方便的上、下聲道，可應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)和骨干網(wǎng)。目前，基于OTDM的傳輸速率可以達(dá)到每秒兆位。但是，OTDM必須采用超短脈沖歸零碼，占用較寬的頻段，色散和色散斜率的影響相對較大。OTDM傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括超短光脈沖產(chǎn)生技術(shù)、全光時分復(fù)用/多路復(fù)用技術(shù)和超高速時間測定技術(shù)。因此，人們正在開發(fā)各種高速邏輯單元的全光控制，如皮秒級速度的超高速全光開關(guān)。

3.4 偏振復(fù)用

根據(jù)單模光纖中光傳輸?shù)钠裉匦裕瑢鬏敳ㄩL的兩個相互獨立且正交的偏振態(tài)作為獨立的信道，分別傳輸兩個信號，這樣可使系統(tǒng)容量和頻譜利用率成倍提高。偏振復(fù)用后，兩偏振光的偏振狀態(tài)信號將改變纖維應(yīng)力的影響下，在偏振模色散（PMD）偏振相關(guān)損耗（PDL）長距離光纖傳輸后和其他因素作用下，使光信號的偏振狀態(tài)到達(dá)接收端隨時間迅速變化。這就要求多路復(fù)用器能夠自動調(diào)整自身，從而能夠分辨出兩個彼此正交的極化通道。目前，極化復(fù)用技術(shù)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何實現(xiàn)信號的多路復(fù)用。

4 結(jié)語

目前大型商用光纖通信系統(tǒng)的傳輸速度從45Mbps增加到10Gbps，光纖通信技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是將來10年間光纖通信速度提高到2000倍?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是提高傳輸速度，超高速傳輸技術(shù)是未來光纖通信的趨勢。在光纖通信信息傳輸?shù)耐局?，在通常情況下，如果傳輸效率提高4倍，則會削減3至4成的成本，因此今后的光纖通信技術(shù)將不斷提高通信傳輸速度，提高傳輸效率，同時提高集成度，降低成本，提高效率。提高人對信息傳輸?shù)男枨蟆?/p>

現(xiàn)在，金屬網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的容量幾乎技術(shù)性地不能提高了，升級的余地剩余少了，要提高通信容量，必須大量研究和開發(fā)光纖通信技術(shù)，開發(fā)光纖可用性。大面積，建設(shè)高容量光纖通信系統(tǒng)，將成為今后長期通信技術(shù)發(fā)展的主要方向。

隨著與日聚進的信息化服務(wù)和人類社會的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)和多媒體網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量正在以指數(shù)級的速度迅速膨脹增長。光纖通訊系統(tǒng)，作為大數(shù)據(jù)信息平臺，將未來的信息社會發(fā)揮非常重要的作用。光纖通信技術(shù)的發(fā)展也在穩(wěn)步增長。根據(jù)當(dāng)前光纖通訊的發(fā)展趨勢來，隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展與不斷推進，光纖通信的無疑將成為未來發(fā)展的主潮流，“三超”光纖通訊系統(tǒng)更是重中之重。隨著人類技術(shù)水平的不斷提高，一個真正的全光網(wǎng)絡(luò)時代也將到來。

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