毛 谦 烽火科技集团
摘 要：受到世界经济低迷的影响，通信业也经历了极为严重的挫折。作为通信网最基本、也是最主要传输手段的光纤通信也难逃厄运，似乎光通信再也没有了发展前景。事实上，光纤通信技术已经在市场经济的潮流中接受了洗礼，在应用中得到不断的发展。本文试图从几个不同的侧面，介绍光纤通信技术如何适应市场需求而不断发展的情况。
关键词：光通信，光纤通信，同步数字体系（SDH），波分复用（WDM）
0、概述
世界经济低迷的形势，影响了各行各业，其中，通信行业受到的影响颇为巨大。从股市的反应即可看出，凡通信股均一落千丈，两年来美国电信业市值缩水已超过2万亿美元。许多世界通信巨头亏损严重，由运营业到制造业，纷纷裁员、降薪、出售部分产业，有的甚至倒闭。由于在发展过热时的基础设施建设超出需求，所以现在地下还有许多"暗光纤"有待"点亮"。于是人们对建设新的光通信系统没有了热情，似乎光通信再也没有了发展前景。
然而，通信毕竟是国民经济发展的基础和推动力，世界经济总会逐渐复苏，经济发展必然引起信息需求的快速增长。所谓是"兵马未动，粮草先行"，通信的发展一般会先于整个经济的发展。更何况经过这次重创的通信业本身，在挤掉水份和泡沫之后，必将更加理智、健康地继续向前发展。作为通信网络中最基本、也是最主要传输手段的光纤通信，也会在经过反思之后，由技术驱动为主转向以市场驱动为主，让技术适应市场需求，在实际应用中不断调整技术的发展方向，使之更符合市场发展规律和经济发展需要。
事实上，光纤通信技术已经在市场经济的潮流中接受了洗礼，在应用中得到不断的发展。对许多技术问题的认识，不能只从单方面考虑，而应从不同角度，尤其要从适应使用需求出发。本文试图从几个不同的侧面，介绍光纤通信技术如何适应市场需求而不断发展的情况。
对所传送客户信号类型变化的适应
光通信从一开始就是为传送基于电路交换的信息的，所以客户信号一般是TDM的连续码流，如PDH、SDH等。随着计算机网络，特别是因特网的发展，数据信息的传送量越来越大，客户信号中基于包交换的分组信号的比例逐步增加。分组信号与连续码流的特点完全不同，它具有随机性、突发性，因此如何传送这一类信号，就成为光通信技术要解决的重点。例如快速启动和关闭、快速同步、大的动态范围、基线浮动等，特别是如何确定一种最适合的信号格式，除传送客户信号外，还要传送监测、控制和网管等信息。所以传送数据信号的光收发模块及设备系统，与传统的传送连续码流的光收发模块及设备系统是有很大区别的。在接入网中，所实现的系统即为ATM-PON、EPON或GPON等。在核心网，实现IP等数据信号在光上（包括在波分复用系统）上的直接承载，就是大家熟知的IP over Optical的技术。现在正在发展的是光因特网。
由于SDH系统的良好特性及已有的大量资源，有时也利用原有的SDH系统来传送数据信号。起初只考虑了对ATM的承载，后来，随着对信息需求的快速增长，通过SDH网络承载的数据信号的类型越来越多，例如FR、ATM、IP、10M-baseT、FE、GE、10GE、DDN、FDDI、Fiber Channel、FICON、ESCON等。于是，人们提出了许多将IP等信号映射进SDH虚容器VC的方法，起初是先将IP或Ethernet装进ATM，然后再映射进SDH传输，即IP/Ethernet over ATM，再over SDH。后来，又把中间过程省去，直接将IP或Ethernet映射进SDH，如PPP、LAPS、SDL、GFP等，即IP over SDH、POS或EOS。
然而，SDH的虚容器VC的大小是固定的，且与IP或以太网分组信号的大小并不匹配。例如100M快速以太网FE信号如果映射进VC4，则约有40%的容量空闲，造成资源浪费。能否将FE映射进50个VC12呢？用直接映射到VC12是不行的。于是，SDH发展了VC级联的技术，即通过N个VCn的级联，可以成为容量为N×VCn的等效容器来使用。级联又有相邻级联和虚级联两种方式。用了级联技术以后，分组信号映射进SDH就方便多了。在实际使用级联技术时，在传送过程中，还根据分组信号容量的实时变化，采用动态调整级联的VCn个数的技术，使得SDH通道的利用更加有效。
为了识别在SDH上承载的是什么客户信号，在SDH的通道开销中，又设置了信号标签。给不同客户信号以不同的信号标签的编码，随通道开销传送，在网中就不会发生信号失配的错误。可见客户信号类型的变化推动了光通信技术的发展。
1、信道容量对应用的适应
一般都希望光通信系统的传送容量越大越好，可以承载更多的信息，从降低单位信息的传送成本来看，是十分有利的。所以光通信系统能从PDH发展到SDH，从155Mb/s发展到10 Gb/s。近来，40GB/s已实现商品化，即将步入商用。同时，还正在探讨更大容量的系统，如160Gb/s（单波道）系统已在实验室研制开发成功，正在考虑将其列入标准。此外，利用波分复用等信道复用技术，还可以将系统容量提高得更大。目前32×10Gb/s（即320 Gb/s）的DWDM系统已普遍应用，160×10Gb/s（即1.6Tb/s）的的系统也投入了商用，实验室中超过10Tb/s的系统已在多家公司开发出来。光时分复用OTDM、孤子技术等已有很大进展。毫无疑问，这些对于骨干网的传输是非常有利的。
然而，对于相当一部分应用，并不一定需要特大容量传输，而是满足需要即可。例如有些支线（特别是客户分散又偏远的地区）、有些专网、移动通信的基站等，只需要低速率的信号传送。所以，STM-0甚至sSTM-0的系统已经足够，有些系统至今还选用PDH的8Mb/s，也是很好的例证。这对降低组网成本，便于运行维护和管理都有很大好处。
2、信号传送距离
从宏观来说，对光纤传输的要求肯定是传的距离越远越好，所有研究光纤通信技术的机构，都在这方面下了很大的工夫。特别是在光纤放大器出现以后，这方面的记录接连不断。不仅每个跨距的长度不断增加，例如，由当初的20km、40km，最多为80km，增加到120km、160km。而且，总的无再生中继距离也在不断增加，如从600 km左右增加到3000km、4000km。从需求的角度来看，这主要是在传送网络发展到一定阶段，为了通路组织更方便，除了像"穿糖葫芦串"那样的沿途分插业务的形式外，对于特大枢纽节点之间往往需要大容量的直达通路。这样可以减少再生中继器的数量，降低建设和运行维护成本，提高可靠性。从技术的角度看，由于光纤放大器的出现，尤其在拉曼光纤放大器实用之后，为增大无再生中继距离创造了条件。同时，采用有利于长距离传送的线路编码，如RZ或CS-RZ码；采用FEC、EFEC或SFEC等技术提高接收灵敏度；用色散补偿和PMD补偿技术解决光通道代价和选用合适的光纤及光器件等措施，已经可以实现超过STM-64或基于10Gb/s的DWDM系统，4000km无电再生中继器的超长距离传输。
然而，事物总是一分为二的。在实际应用中，不仅有长距离传送的需求，还有短距离或甚短距离传送的需求，例如，楼内机房到机房之间、机架到机架之间、机框到机框之间、机盘到机盘之间、甚至机盘内部或计算机内部的连接，都会用到光连接。这些连接之所以需要光传输技术是因为需要传送的信号速率高，用电缆连接已经不适应。例如机房之间和机架之间可能传10Gb/s或40Gb/s，对于DWDM系统可能是数百Gb/s或数Tb/s的速率。在设备内部由于总速率的提高，所以信号总线的速率也越来越高。如40Gb/s设备内部就要用到2.5Gb/s以上速率的总线，采用光总线的需求日趋迫切；目前，计算机中CPU的速度已超过3GHz，所以计算机内部也希望用光互连。这些光的连接方式与长途光传输有很大的不同，甚至不一定采用串行传送而该用并行传送的方式，以降低每根光纤上的传送速率，降低对光器件的要求，减少连接成本。
3、WDM的波长间隔
WDM系统由于其可以在一根光纤上同时传送多个波长的信号，而被用做提高传送容量的重要手段。从WDM系统的原理来看，相邻波长之间的间隔越小，在一定波长范围内能够传送的波长数就越多，总的传送容量越大。因此人们一直在努力提高光的MUX/DEMUX器件的技术，以减小波长间隔。如目前的DWDM系统中，已经可以从最初的200GHz甚至400GHz的间隔减小到100GHz、50GHz甚至25GHz。同时，还在努力提高可利用的波长范围，以求容纳更多的波长。一方面提高光纤的水平，实现"全波"光纤，即G.652C光纤，在1260nm到1675nm范围内的O、E、S、C、L、U等6个波段内都可以进行低衰减的传输。另一方面，努力改进光纤放大器在波段内的平坦特性，并实现多个波段的放大。现在商用DWDM的波长数已达到160个，而实验室已做到超过1000个波长。
但是，在实际应用中，人们感到，波长间隔越小，实现的技术难度越大。如随着波长间隔的减小，对光源的波长准确性、稳定性要求也逐渐提高，从而各种温度控制、波长反馈控制技术的应用使系统的复杂性和成本也不断提高。对于长途传送来说，主要建设成本在线路，所以设备、系统成本的提高相对比例不大，可以接受。而对于城域网、接入网等短距离传送系统来说，线路成本的比例大大下降，因此对设备、系统的成本就特别敏感。于是人们想到，用增大波长间隔的方法，可以大大降低对波长准确性、稳定性的要求，从而使用普通的、无致冷的激光器；尽可能不用光纤放大器等，降低系统成本，适应于城域网和接入网中的应用。于是，CWDM系统应运而生，目前CWDM系统已在城域网中实现了商用。
4、集成与小型化
这里的集成有两重含义，即微电子的集成和光子/光电子的集成。微电子的集成主要是专用超大规模集成电路（ASIC）和单片系统SOC的实现。
目前的微电子技术和工艺水平，使其能很好地支持光纤通信系统和设备满足应用的需求。例如，现在的SDH设备中的大部分功能都是用ASIC来实现的，如映射、定位、复用/去复用、指针处理、开销处理、定时、级联、接口等等。ASIC的规模已经达到数百万门，甚至一千万门。超大规模集成对提高设备和系统的稳定可靠性、降低设备成本、便于维护等都有很大作用。而进一步的发展是实现单片系统SOC，国际上已经实现了将一个2.5Gb/s系统或一个10Gb/s系统集成在一片芯片上。国内目前正在进行155Mb/s系统的SOC开发，除了可以解决155Mb/s的小型化问题之外，还可以提高高速率设备的支路组装密度，满足应用要求。
光通信的核心技术在于光器件和光电器件技术，许多系统技术的实现是建立在器件技术进步的基础上的。光器件和光电器件技术的发展方向是光集成（PIC）和光电集成（OEIC），这也是应用提出的要求。例如，从单个的光发送/接收器件到现在流行的光收发模块，使得进入光通信设备制造的门槛大大降低。在超高速率传送的情况下，对激光器的直接调制极其困难，需采用外调制的方式。如果采用电吸收型调制器，则可以与LD集成在一起，成为DFB-LD+EA的集成器件，以便于使用。此外。
为了便于DWDM系统使用的可调谐激光器陈列，可以把8～16个或者更多的可调谐LD集成在一起，每个LD可以调谐到99个ITU-T规定的波长栅格上，无论对于设备制造还是维护备用都是很方便的。无源器件的集成，如AWG、PLC等，以及有无源的混合集成都使系统设计、制造变得简单。进一步，将光器件和电子电路集成在一起的光电集成，例如，将驱动电路与LD集成的光发送机，将光检测器与前置放大器、限幅放大器、判决电路等集成在一起得光接收机等，都是发展得重要方向。
设备和系统的体积对于运营商和最终用户都很重要。对运营商来说，减小设备体积等于减小了机房占用面积，减少了运营成本。设备体积和数量的减少，带来的是可靠性的提高、能耗的降低和维护活动的减少，因此对提高服务质量、降低维护成本都是有好处的。减小设备和系统体积主要依赖于微电子的集成和光子/光电子的集成，同时，依赖于软件技术的进步，使得原来需要用硬件实现的功能，可以通过软件来实现，不仅解决了减少设备体积和数量的问题，还使设备的智能化水平更高，对系统运行和维护等更加便利。
光传输与交换技术的融合
随着对光通信的需求由骨干网逐步向城域网转移，光传输逐渐靠近业务节点。在应用中人们觉得光通信仅仅作为一种传输手段尚未能完全适应城域网的需要。作为业务节点，比较靠近用户，特别对于数据业务的用户，希望光通信既能提供传输功能，又能提供多种业务的接入功能。这样的光通信技术实际上可以看作是传输与交换的融合。目前已广泛使用的基于SDH的多业务传送平台MSTP，就是一个典型的示例。基于SDH的MSTP 是指在SDH的平台上，同时实现TDM、 ATM 、以太网等业务的接入处理和传送，提供统一网管的多业务节点设备。基于SDH的MSTP除应具有标准SDH设备所具有的功能外还应具有：TDM业务、ATM业务或以太网业务的接入功能；TDM业务、ATM业务或以太网业务的传送功能，包括点到点的透明传送功能；ATM业务或以太网业务的带宽统计复用功能；ATM业务或以太网业务映射到SDH虚容器的指配功能等。例如，其中的以太网业务接口，除了可以通过PPP或LAPS映射进VC从而实现透明传输以外，还可以通过MSTP中嵌入的以太网2层甚至3层交换功能，直接挂接10/100M以太网端口。提供LAN的接入。实际上，有些MSTP设备除了提供上述业务外，还可以提供FR、FDDI、Fiber Channel、FICON、ESCON等众多类型的业务。
除了基于SDH的MSTP之外，还可以有基于WDM的MSTP。实际上是将WDM的每个波道分别用作各个业务的通道，即可以用透传的方式，也可以支持各种业务的接入处理，如在FE、GE等端口中嵌入以太网2层甚至3层交换功能等，使WDM系统不仅仅具有传送功能，而且具有业务提供功能。
进一步在光层网络中，将传输与交换功能相结合的结果，则导出了自动交换光网络ASON的概念。ASON除了原有的光传送平面和管理平面之外，还增加了控制平面，除了能实现原来光传送网的指配型连接（硬连接）外，在信令的控制下，可以实现交换的连接（软连接）和混合连接。即除了传送功能外，还有交换功能。ASON的详细内容已有许多文献介绍过，这里不在赘述。
5、结 语
以上仅略述了光纤通信为满足实际应用中的要求，推动了本身技术发展的几个典型示例。其实类似的例子还有很多，如FTTH、VCSEL、光纤放大器技术、VOA、可调谐滤光器、OXC、OADM以至全光网、光网络管理技术等都是在应用需求的推动下应运而生的。还有正在研发的polymer器件、光子晶体器件与光纤等也是为了进一步降低成本，特别是为适应光接入网的需要而进行的。除此之外，光通信工程的设计、施工技术和运行维护技术也在实践中不断进步。
现在有一股思潮，认为已建光通信网络的容量已经很大，许多能力还在闲置，因此不需要再建设光网络，所以光通信技术也没有再发展的需要了。实际上，社会经济必然不断发展，作为经济发展先导的信息需求必然不断增长，一定会超过现有网络能力，推动通信网络的继续发展。同时，原有的光通信网络设施也是有一定寿命期的，也需要更新换代。更新换代意味着并不是在原有水平上的重复，而是用新一代的技术取代原来的技术。所以，在应用需求的推动下，光通信技术一定会不断进步。这也需要同仁们不懈的努力和贡献，才能使光通信技术得到长足发展，跟上时代进步的步伐。
作者简介：1943年生于浙江省江山市。1964年毕业于武汉邮电学院，1982年于武汉邮电科学研究院获工学硕士学位。常年从事数字通信及光纤通信设备、系统和光传送网络、光接入网的研究、开发工作。现任武汉邮电科学研究院副院长兼总工程师；教授级高级工程师；烽火科技学院院长；信息产业部光通信产品质量监督检验中心主任、总工程师；中国网锐实验室主任；国际电联ITU-T SG15 中国专家组成员；信息产业部邮电科技委委员；中国通信学会会士；中国通信学会光通信专业委员会主任；湖北省通信学会常务理事，光通信委员会主任委员，学术委员会副主任委员；信息产业部传送网与接入网标准研究组副主席；湖北省电子学会副理事长；湖北省标准协会信息委员会主任委员；获国家有突出贡献的中青年专家称号和政府特殊津贴。
