2002—2003年光纤通信技术的进步

中国工程院院士赵梓森

　　由于2001年IT行业，更确切地说是通信行业有泡沫，使通信行业的市场在2002～2003年不景气。于是今年光纤通信技术的进步不大，当然也有一定的进步。本文简略讨论2003年光纤通信技术的进步。

　　1. 光纤通信系统技术的进步

　　2001年，世界光纤通信传输试验系统的最高速率为10Tb/s，至今也仍然如此。但也有如下一些进步：

　　●光差分相移键控(DPSK)系统的研究(ThE1)

　　采用DPSK系统可以压缩传输频带，使频带利用率提高到0.8bit/Hz(一般0.4bit/Hz)。系统比较复杂，在大容量长距离传输的情况下才显示其经济性。这里以 Lucent 的归零码差分相移键控RZ-DPSK试验系统为例来说明其工作原理，参阅图1（ThE3）。所谓归零码差分相移键控RZ-DPSK，即前后2个信号的载波相位相同是信号“1”；前后2个信号的载波相位相反是信号“0”,光作为载波，见图1右下角。在发送端，某波长的光，经过AWG光滤波器，进入马赫曾德调制器MZM-PC(Mach Zehnder Modulator-Pulse Carver)，产生10Gb/s的光脉冲串。再经过MZM-DM 数据调制，成为光RZ-DPSK信号，又经过色散预补偿Precomp进入环测线路。环测线路是由声光开关AOS、真波低色散斜率光纤TWRS、色散补偿光纤DCF、动态增益均衡滤波器DGEF所组成。在接收端，光信号经过后色散补偿Postcomp进入光带通滤波器BPF，再经过延迟干涉器DI和平衡接收机可把RZ-DPSK信号检测还原成通常的二进制信号。BERT是误码检测仪。该系统工作波长范围为1555～1580nm，50GHz 间隔。采用光RZ-DPSK调制的好处是：比通常的二进制光开关键控OOK(On-Off Keying)调制的S/N比好3dB，同时可减少非线性交叉相位调制XPM的影响。

　　日本NTT研究的CS-DPSK(Carrier Suppressed DPSK) 系统，是对载波频带再压缩，其原理大同小异。相比较可得到1dB的代价改善。



　　●UL波段在城域网使用（MF-75）

　　许多大城市使用光纤通信比较早。早期的光纤的水含量比较多，在短波长S处，损耗比较大。在需要用DWDM扩大容量时，可以采用长波长L和超长波长UL波段。巴西某工程使用了1525～1565nm的波长。线路全长75km。该线路还采用了UL波段的Raman放大器，UL Raman放大比其他波段信噪比优1dB，但光泵功率要求大15%。光泵：用1480nm泵入的。线路的特性和有UL-Raman放大的线路损耗如表1和图2所示：




　　●日本第一个波长路由试验线(ThAA5)

　　日本在北海道的Chitose市（千岁市）进行了采用波长可变路由器的工程应用试验，如图3所示。采用了全网格WDM（full mesh WDM），波长范围 1535.82～1560.61nm，0.8 nm 间隔(ITU-T)。速率：2.5Gb/s（节点1-3）。共有43个终端节点，但试用了5个节点，5km半径。用SMF星形连接，内无光电变换。 器件采用 AWG 32×32。

　　该网络用于多业务，包括在VOD系统中提供的8Mb/s的MPEG-2视频流、HD-SDI 高分辨串行数字接口和专用网等。需要多协议：包括SDH、ATM、IP、GbE。网络管理由东京以西距离千岁市约1000km的NTT R&D中心控制。该网络的优点是：灵活，速度易改变，如1～40Gb/s，网络交换可在光层扩大到100×100，采用波长可调光源，传输目的地可方便改变。



　　●光纤到家庭——采用光无源以太网的试验网FTTH-EPON（ThAA2）

　　日本KDDI的FTTH试验网如图4所示。在450个用户中，96个用户用EPON/每户1光纤。连接中心局用Gb-Ethernet。光节点单元ONU间隔距离20km。用户下行带宽：100Mb/s，用户上行带宽：2～100Mb/s(采用动态带宽设定：ITU-T G983.4)。视频流速率8Mb/s。在该网络进行了业务量的测定。观察到在20:00～22:00时，视频流瞬间超过500Mb/s。(图内英文缩写：FE—Fast Ethernet（快速以太网)，HGW—Home Gateway（家庭网关），RGW—Residential Gateway（住宅网关），OLT—Optical Line Terminal（光线路终端），ONU—Optical Network Unit（光网络单元））



　　●光包交换

　　●光网技术的发展（WH1）

　　日本NTT光网技术的发展进程如下：

　　1997～2001年：技术上采用DWDM-p to p，点对点网络（图5），容量100Gb/s。



　　2001～2003年：采用DWDM-Ring(图6)，具有OADM的环形网络技术，容量约100Gb/s。


　　2003～2004年：采用具有OXC-OADM的网络技术(图7)，容量1～10Tb/s。


　　2005年以后：采用光突发路由技术，容量>10Tb/s。日本NTT已经开始对光包交换以及光标签交换路由器进行研究(FS1)。

　　（注：原作者预计NTT的进度是开发时间，笔者认为商用可能要慢2～3年）

　　●对光纤到家庭FTTH的看法（Cominet；PFI；TuR1）

　　长期以来，人们都认为光纤到家庭（FTTH）是最理想的接入网技术，因为FTTH具有极大的带宽。但过去因为光电子器件价格昂贵，难以普及。近来，光电子器件有较大的突破，以前价格为千元人民币的光收发模块，现在只要200元，其价格已可与ADSL、Cable Modem相比。特别是目前光纤的价格比电线还低。发展FTTH现在已经具备一定条件。

　　发达国家、世界大运行商对FTTH的发展的看法也各不相同。日本大力发展FTTH。根据PIF(Photonic Internet Forum)的统计，日本2003年FTTH的用户只有350万。在2005年日本FTTH将成为主流。

　　美国AT&T认为（OFC 2003 ，TuR1），FTTH 是否有需求？认为在30～50年后才会成为主流。可能是美国的ADSL、Cable Modem和卫星TV广播已经普遍采用，要对现有的网络资源充分利用。近来美国的Verizon 和Spring公司要在10～12年内建成FTTH网。

　　2．光电子器件和光纤的进步

　　在2002～2003年，尽管通信业不景气，世界各大公司和大学对光电子器件的研究并没有停止，出现了各式各样的新器件。笔者只对一些有前景和有特色的进行介绍。

　　●40Gb/s EAM-DFB 集成器件（TuP4）

　　通常数据速率高达40Gb/s时，需要用LiNbO3外调制器，但其价格贵，体积大。EAM半导体电吸收外调制器体积小，便于集成。OKI公司研制了把DFB激光器和EAM集在一起的光电子器件。采用结构：MQW-DFB-EAM，波长：1310 nm，消光比：9.77dB，电回损<-9dB。采用NRZ码进行了传输试验，传输距离>2km（无色散补偿）。可用于甚短距离传输VSR（Very Short Reach）。E/O响应特性如图9所示。


　　●液晶电调光滤波器（MF-28)

　　NanoOpto公司研制的液晶电调光滤波器，其结构如图10。其中的光栅构成谐振腔，利用电压调变液晶的参数，改变谐振波长。不谐振时透过；谐振时不能透过，从而实现滤波作用。其可调范围：30nm。ITO氧化锡铟是透明的电极。液晶器件的优点是功耗极小。

　　●64×64波长可调光交换（PD8）

　　Lucent公司采用AWG无源光滤波器和波长可调激光器构成64×64光交换。即它有64个入口和64个出口。在任何一个入口，改变激光器的波长便可选择其目的出口，实现光交换。每个信号的速率为40Gb/s，则其吞吐量可达

　　　　　
的有效面积在多波长传输时，可以减少非线性的影响。中等色散可以减少色散补偿。其折射率分布如图12。这种光纤属于环状光纤，它与常规单模光纤相连接时，连接损耗约0.1dB。该公司研制了3种光纤，其中P-MDF-1、P-MDF-2为正色散光纤，N-MDFEA为负色散光纤，它们的参数如表2所示。


　　用这些正负中等色散光纤连接长50km的线路，并且使总色散补偿为0，光纤线路的参数如表3所示，是相当满意的结果。


　　●光纤内电极偏振控制器（MF35）

　　瑞典的Photonyx公司研制的偏振控制器(图13)，是在光纤内埋入合金电阻电极，通电流发生应力，产生双折射，改变偏振状态。施加2.5V电压，100mA电流，产生温度137 ℃，偏振旋转2p。该偏振控制器的参数：偏振旋转p消耗功率 p=200mW，偏振相关损失PDL<0.1dB，插入损失IL<0.1dB,反射损失RL>70dB，启动时间T=1ms，关闭时间T=0ms,长度L=m。该偏振控制器的优点是体积小。


　　●低损失光子晶体光纤（PD1）

　　所谓光子晶体光纤（PCF），实际上是光纤内有许多排列整齐的孔，如图14。一般来说，它具有比较强的抗非线性容限，但损失和色散比较大。NTT研制出损失为0.37dB/km的PCF，实属不易，是一大进步。这主要是采用了纯硅材料，瑞利散射损失很小。NTT还做了10km 8×10Gb/s传输试验，效果良好。

　　　　　

　　
摘自《光通信研究》