毛 謙 烽火科技集團
摘 要：受到世界經濟低迷的影響，通信業也經歷了極為嚴重的挫折。作為通信網最基本、也是最主要傳輸手段的光纖通信也難逃厄運，似乎光通信再也沒有了發展前景。事實上，光纖通信技術已經在市場經濟的潮流中接受了洗禮，在應用中得到不斷的發展。本文試圖從幾個不同的側面，介紹光纖通信技術如何適應市場需求而不斷發展的情況。
關鍵詞：光通信，光纖通信，同步數字體系（SDH），波分復用（WDM）
0、概述
世界經濟低迷的形勢，影響了各行各業，其中，通信行業受到的影響頗為巨大。從股市的反應即可看出，凡通信股均一落千丈，兩年來美國電信業市值縮水已超過2萬億美元。許多世界通信巨頭虧損嚴重，由運營業到制造業，紛紛裁員、降薪、出售部分產業，有的甚至倒閉。由于在發展過熱時的基礎設施建設超出需求，所以現在地下還有許多"暗光纖"有待"點亮"。于是人們對建設新的光通信系統沒有了熱情，似乎光通信再也沒有了發展前景。
然而，通信畢竟是國民經濟發展的基礎和推動力，世界經濟總會逐漸復蘇，經濟發展必然引起信息需求的快速增長。所謂是"兵馬未動，糧草先行"，通信的發展一般會先于整個經濟的發展。更何況經過這次重創的通信業本身，在擠掉水份和泡沫之后，必將更加理智、健康地繼續向前發展。作為通信網絡中最基本、也是最主要傳輸手段的光纖通信，也會在經過反思之后，由技術驅動為主轉向以市場驅動為主，讓技術適應市場需求，在實際應用中不斷調整技術的發展方向，使之更符合市場發展規律和經濟發展需要。
事實上，光纖通信技術已經在市場經濟的潮流中接受了洗禮，在應用中得到不斷的發展。對許多技術問題的認識，不能只從單方面考慮，而應從不同角度，尤其要從適應使用需求出發。本文試圖從幾個不同的側面，介紹光纖通信技術如何適應市場需求而不斷發展的情況。
對所傳送客戶信號類型變化的適應
光通信從一開始就是為傳送基于電路交換的信息的，所以客戶信號一般是TDM的連續碼流，如PDH、SDH等。隨著計算機網絡，特別是因特網的發展，數據信息的傳送量越來越大，客戶信號中基于包交換的分組信號的比例逐步增加。分組信號與連續碼流的特點完全不同，它具有隨機性、突發性，因此如何傳送這一類信號，就成為光通信技術要解決的重點。例如快速啟動和關閉、快速同步、大的動態范圍、基線浮動等，特別是如何確定一種最適合的信號格式，除傳送客戶信號外，還要傳送監測、控制和網管等信息。所以傳送數據信號的光收發模塊及設備系統，與傳統的傳送連續碼流的光收發模塊及設備系統是有很大區別的。在接入網中，所實現的系統即為ATM-PON、EPON或GPON等。在核心網，實現IP等數據信號在光上（包括在波分復用系統）上的直接承載，就是大家熟知的IP over Optical的技術。現在正在發展的是光因特網。
由于SDH系統的良好特性及已有的大量資源，有時也利用原有的SDH系統來傳送數據信號。起初只考慮了對ATM的承載，后來，隨著對信息需求的快速增長，通過SDH網絡承載的數據信號的類型越來越多，例如FR、ATM、IP、10M-baseT、FE、GE、10GE、DDN、FDDI、Fiber Channel、FICON、ESCON等。于是，人們提出了許多將IP等信號映射進SDH虛容器VC的方法，起初是先將IP或Ethernet裝進ATM，然后再映射進SDH傳輸，即IP/Ethernet over ATM，再over SDH。后來，又把中間過程省去，直接將IP或Ethernet映射進SDH，如PPP、LAPS、SDL、GFP等，即IP over SDH、POS或EOS。
然而，SDH的虛容器VC的大小是固定的，且與IP或以太網分組信號的大小并不匹配。例如100M快速以太網FE信號如果映射進VC4，則約有40%的容量空閑，造成資源浪費。能否將FE映射進50個VC12呢？用直接映射到VC12是不行的。于是，SDH發展了VC級聯的技術，即通過N個VCn的級聯，可以成為容量為N×VCn的等效容器來使用。級聯又有相鄰級聯和虛級聯兩種方式。用了級聯技術以后，分組信號映射進SDH就方便多了。在實際使用級聯技術時，在傳送過程中，還根據分組信號容量的實時變化，采用動態調整級聯的VCn個數的技術，使得SDH通道的利用更加有效。
為了識別在SDH上承載的是什么客戶信號，在SDH的通道開銷中，又設置了信號標簽。給不同客戶信號以不同的信號標簽的編碼，隨通道開銷傳送，在網中就不會發生信號失配的錯誤。可見客戶信號類型的變化推動了光通信技術的發展。
1、信道容量對應用的適應
一般都希望光通信系統的傳送容量越大越好，可以承載更多的信息，從降低單位信息的傳送成本來看，是十分有利的。所以光通信系統能從PDH發展到SDH，從155Mb/s發展到10 Gb/s。近來，40GB/s已實現商品化，即將步入商用。同時，還正在探討更大容量的系統，如160Gb/s（單波道）系統已在實驗室研制開發成功，正在考慮將其列入標準。此外，利用波分復用等信道復用技術，還可以將系統容量提高得更大。目前32×10Gb/s（即320 Gb/s）的DWDM系統已普遍應用，160×10Gb/s（即1.6Tb/s）的的系統也投入了商用，實驗室中超過10Tb/s的系統已在多家公司開發出來。光時分復用OTDM、孤子技術等已有很大進展。毫無疑問，這些對于骨干網的傳輸是非常有利的。
然而，對于相當一部分應用，并不一定需要特大容量傳輸，而是滿足需要即可。例如有些支線（特別是客戶分散又偏遠的地區）、有些專網、移動通信的基站等，只需要低速率的信號傳送。所以，STM-0甚至sSTM-0的系統已經足夠，有些系統至今還選用PDH的8Mb/s，也是很好的例證。這對降低組網成本，便于運行維護和管理都有很大好處。
2、信號傳送距離
從宏觀來說，對光纖傳輸的要求肯定是傳的距離越遠越好，所有研究光纖通信技術的機構，都在這方面下了很大的工夫。特別是在光纖放大器出現以后，這方面的記錄接連不斷。不僅每個跨距的長度不斷增加，例如，由當初的20km、40km，最多為80km，增加到120km、160km。而且，總的無再生中繼距離也在不斷增加，如從600 km左右增加到3000km、4000km。從需求的角度來看，這主要是在傳送網絡發展到一定階段，為了通路組織更方便，除了像"穿糖葫蘆串"那樣的沿途分插業務的形式外，對于特大樞紐節點之間往往需要大容量的直達通路。這樣可以減少再生中繼器的數量，降低建設和運行維護成本，提高可靠性。從技術的角度看，由于光纖放大器的出現，尤其在拉曼光纖放大器實用之后，為增大無再生中繼距離創造了條件。同時，采用有利于長距離傳送的線路編碼，如RZ或CS-RZ碼；采用FEC、EFEC或SFEC等技術提高接收靈敏度；用色散補償和PMD補償技術解決光通道代價和選用合適的光纖及光器件等措施，已經可以實現超過STM-64或基于10Gb/s的DWDM系統，4000km無電再生中繼器的超長距離傳輸。
然而，事物總是一分為二的。在實際應用中，不僅有長距離傳送的需求，還有短距離或甚短距離傳送的需求，例如，樓內機房到機房之間、機架到機架之間、機框到機框之間、機盤到機盤之間、甚至機盤內部或計算機內部的連接，都會用到光連接。這些連接之所以需要光傳輸技術是因為需要傳送的信號速率高，用電纜連接已經不適應。例如機房之間和機架之間可能傳10Gb/s或40Gb/s，對于DWDM系統可能是數百Gb/s或數Tb/s的速率。在設備內部由于總速率的提高，所以信號總線的速率也越來越高。如40Gb/s設備內部就要用到2.5Gb/s以上速率的總線，采用光總線的需求日趨迫切；目前，計算機中CPU的速度已超過3GHz，所以計算機內部也希望用光互連。這些光的連接方式與長途光傳輸有很大的不同，甚至不一定采用串行傳送而該用并行傳送的方式，以降低每根光纖上的傳送速率，降低對光器件的要求，減少連接成本。
3、WDM的波長間隔
WDM系統由于其可以在一根光纖上同時傳送多個波長的信號，而被用做提高傳送容量的重要手段。從WDM系統的原理來看，相鄰波長之間的間隔越小，在一定波長范圍內能夠傳送的波長數就越多，總的傳送容量越大。因此人們一直在努力提高光的MUX/DEMUX器件的技術，以減小波長間隔。如目前的DWDM系統中，已經可以從最初的200GHz甚至400GHz的間隔減小到100GHz、50GHz甚至25GHz。同時，還在努力提高可利用的波長范圍，以求容納更多的波長。一方面提高光纖的水平，實現"全波"光纖，即G.652C光纖，在1260nm到1675nm范圍內的O、E、S、C、L、U等6個波段內都可以進行低衰減的傳輸。另一方面，努力改進光纖放大器在波段內的平坦特性，并實現多個波段的放大。現在商用DWDM的波長數已達到160個，而實驗室已做到超過1000個波長。
但是，在實際應用中，人們感到，波長間隔越小，實現的技術難度越大。如隨著波長間隔的減小，對光源的波長準確性、穩定性要求也逐漸提高，從而各種溫度控制、波長反饋控制技術的應用使系統的復雜性和成本也不斷提高。對于長途傳送來說，主要建設成本在線路，所以設備、系統成本的提高相對比例不大，可以接受。而對于城域網、接入網等短距離傳送系統來說，線路成本的比例大大下降，因此對設備、系統的成本就特別敏感。于是人們想到，用增大波長間隔的方法，可以大大降低對波長準確性、穩定性的要求，從而使用普通的、無致冷的激光器；盡可能不用光纖放大器等，降低系統成本，適應于城域網和接入網中的應用。于是，CWDM系統應運而生，目前CWDM系統已在城域網中實現了商用。
4、集成與小型化
這里的集成有兩重含義，即微電子的集成和光子/光電子的集成。微電子的集成主要是專用超大規模集成電路（ASIC）和單片系統SOC的實現。
目前的微電子技術和工藝水平，使其能很好地支持光纖通信系統和設備滿足應用的需求。例如，現在的SDH設備中的大部分功能都是用ASIC來實現的，如映射、定位、復用/去復用、指針處理、開銷處理、定時、級聯、接口等等。ASIC的規模已經達到數百萬門，甚至一千萬門。超大規模集成對提高設備和系統的穩定可靠性、降低設備成本、便于維護等都有很大作用。而進一步的發展是實現單片系統SOC，國際上已經實現了將一個2.5Gb/s系統或一個10Gb/s系統集成在一片芯片上。國內目前正在進行155Mb/s系統的SOC開發，除了可以解決155Mb/s的小型化問題之外，還可以提高高速率設備的支路組裝密度，滿足應用要求。
光通信的核心技術在于光器件和光電器件技術，許多系統技術的實現是建立在器件技術進步的基礎上的。光器件和光電器件技術的發展方向是光集成（PIC）和光電集成（OEIC），這也是應用提出的要求。例如，從單個的光發送/接收器件到現在流行的光收發模塊，使得進入光通信設備制造的門檻大大降低。在超高速率傳送的情況下，對激光器的直接調制極其困難，需采用外調制的方式。如果采用電吸收型調制器，則可以與LD集成在一起，成為DFB-LD+EA的集成器件，以便于使用。此外。
為了便于DWDM系統使用的可調諧激光器陳列，可以把8～16個或者更多的可調諧LD集成在一起，每個LD可以調諧到99個ITU-T規定的波長柵格上，無論對于設備制造還是維護備用都是很方便的。無源器件的集成，如AWG、PLC等，以及有無源的混合集成都使系統設計、制造變得簡單。進一步，將光器件和電子電路集成在一起的光電集成，例如，將驅動電路與LD集成的光發送機，將光檢測器與前置放大器、限幅放大器、判決電路等集成在一起得光接收機等，都是發展得重要方向。
設備和系統的體積對于運營商和最終用戶都很重要。對運營商來說，減小設備體積等于減小了機房占用面積，減少了運營成本。設備體積和數量的減少，帶來的是可靠性的提高、能耗的降低和維護活動的減少，因此對提高服務質量、降低維護成本都是有好處的。減小設備和系統體積主要依賴于微電子的集成和光子/光電子的集成，同時，依賴于軟件技術的進步，使得原來需要用硬件實現的功能，可以通過軟件來實現，不僅解決了減少設備體積和數量的問題，還使設備的智能化水平更高，對系統運行和維護等更加便利。
光傳輸與交換技術的融合
隨著對光通信的需求由骨干網逐步向城域網轉移，光傳輸逐漸靠近業務節點。在應用中人們覺得光通信僅僅作為一種傳輸手段尚未能完全適應城域網的需要。作為業務節點，比較靠近用戶，特別對于數據業務的用戶，希望光通信既能提供傳輸功能，又能提供多種業務的接入功能。這樣的光通信技術實際上可以看作是傳輸與交換的融合。目前已廣泛使用的基于SDH的多業務傳送平臺MSTP，就是一個典型的示例。基于SDH的MSTP 是指在SDH的平臺上，同時實現TDM、 ATM 、以太網等業務的接入處理和傳送，提供統一網管的多業務節點設備。基于SDH的MSTP除應具有標準SDH設備所具有的功能外還應具有：TDM業務、ATM業務或以太網業務的接入功能；TDM業務、ATM業務或以太網業務的傳送功能，包括點到點的透明傳送功能；ATM業務或以太網業務的帶寬統計復用功能；ATM業務或以太網業務映射到SDH虛容器的指配功能等。例如，其中的以太網業務接口，除了可以通過PPP或LAPS映射進VC從而實現透明傳輸以外，還可以通過MSTP中嵌入的以太網2層甚至3層交換功能，直接掛接10/100M以太網端口。提供LAN的接入。實際上，有些MSTP設備除了提供上述業務外，還可以提供FR、FDDI、Fiber Channel、FICON、ESCON等眾多類型的業務。
除了基于SDH的MSTP之外，還可以有基于WDM的MSTP。實際上是將WDM的每個波道分別用作各個業務的通道，即可以用透傳的方式，也可以支持各種業務的接入處理，如在FE、GE等端口中嵌入以太網2層甚至3層交換功能等，使WDM系統不僅僅具有傳送功能，而且具有業務提供功能。
進一步在光層網絡中，將傳輸與交換功能相結合的結果，則導出了自動交換光網絡ASON的概念。ASON除了原有的光傳送平面和管理平面之外，還增加了控制平面，除了能實現原來光傳送網的指配型連接（硬連接）外，在信令的控制下，可以實現交換的連接（軟連接）和混合連接。即除了傳送功能外，還有交換功能。ASON的詳細內容已有許多文獻介紹過，這里不在贅述。
5、結 語
以上僅略述了光纖通信為滿足實際應用中的要求，推動了本身技術發展的幾個典型示例。其實類似的例子還有很多，如FTTH、VCSEL、光纖放大器技術、VOA、可調諧濾光器、OXC、OADM以至全光網、光網絡管理技術等都是在應用需求的推動下應運而生的。還有正在研發的polymer器件、光子晶體器件與光纖等也是為了進一步降低成本，特別是為適應光接入網的需要而進行的。除此之外，光通信工程的設計、施工技術和運行維護技術也在實踐中不斷進步。
現在有一股思潮，認為已建光通信網絡的容量已經很大，許多能力還在閑置，因此不需要再建設光網絡，所以光通信技術也沒有再發展的需要了。實際上，社會經濟必然不斷發展，作為經濟發展先導的信息需求必然不斷增長，一定會超過現有網絡能力，推動通信網絡的繼續發展。同時，原有的光通信網絡設施也是有一定壽命期的，也需要更新換代。更新換代意味著并不是在原有水平上的重復，而是用新一代的技術取代原來的技術。所以，在應用需求的推動下，光通信技術一定會不斷進步。這也需要同仁們不懈的努力和貢獻，才能使光通信技術得到長足發展，跟上時代進步的步伐。
作者簡介：1943年生于浙江省江山市。1964年畢業于武漢郵電學院，1982年于武漢郵電科學研究院獲工學碩士學位。常年從事數字通信及光纖通信設備、系統和光傳送網絡、光接入網的研究、開發工作。現任武漢郵電科學研究院副院長兼總工程師；教授級高級工程師；烽火科技學院院長；信息產業部光通信產品質量監督檢驗中心主任、總工程師；中國網銳實驗室主任；國際電聯ITU-T SG15 中國專家組成員；信息產業部郵電科技委委員；中國通信學會會士；中國通信學會光通信專業委員會主任；湖北省通信學會常務理事，光通信委員會主任委員，學術委員會副主任委員；信息產業部傳送網與接入網標準研究組副主席；湖北省電子學會副理事長；湖北省標準協會信息委員會主任委員；獲國家有突出貢獻的中青年專家稱號和政府特殊津貼。
