光纖通信一直是推動整個通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基本動力之一，是現(xiàn)代電信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。本文對光纖通信的主要發(fā)展趨勢作一簡述與展望，包括納米技術(shù)與光纖通信、光交換、PON、光孤子通信。

關(guān)鍵詞：光纖通信 光交換 PON 光孤子通信

光纖通信的誕生與發(fā)展是電信史上的一次重要革命，光纖通信技術(shù)發(fā)展所涉及的范圍，無論從影響力度還是影響廣度來說都已遠遠超越其本身，并對整個電信網(wǎng)和信息業(yè)產(chǎn)生深遠的影響。它的演變和發(fā)展結(jié)果將在很大程度上決定電信網(wǎng)和信息業(yè)的未來大格局，也將對社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。

1.納米技術(shù)與光纖通信

納米是長度單位，為10-9米，納米技術(shù)是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)目前正在得到普遍重視。在無線終端領(lǐng)域，對微型化、高性能和低成本的追求使大家普遍期待能將各種功能單元集成在一個單一芯片上，即實現(xiàn)SOC（System On a Chip），而通信工程中大量射頻技術(shù)的采用使諸如諧振器，濾波器、耦合器等片外分離單元大量存在，MEMS技術(shù)不僅可以克服這些障礙，而且表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的通信元件具有更優(yōu)越的內(nèi)在性能。德國科學(xué)家首次在納米尺度上實現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換，這為設(shè)計微器件找到了一種潛在的能源，對實現(xiàn)光交換具有重要意義。

可調(diào)光學(xué)元件的一個主要技術(shù)趨勢是應(yīng)用MEMS技術(shù)。MEMS技術(shù)可使開發(fā)就地配置的光器件成為可能，用于光網(wǎng)絡(luò)的MEMS動態(tài)元件包括可調(diào)的激光器和濾波器、動態(tài)增益均衡器、可變光衰減器以及光交叉連接器等。此外，MEMS技術(shù)已經(jīng)在光交換應(yīng)用中進入現(xiàn)場試驗階段，基于MEMS的光交換機已經(jīng)能夠傳遞實際的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，全光MEMS光交換機也正在步入商用階段，繼朗訊科技公司的“Lamda-Router”光MEMS交換機之后，美國Calient Networks公司的光交叉連接裝置也采用了光MEMS交換機。

2.光交換是實現(xiàn)高速全光網(wǎng)的關(guān)鍵

光交換是指光纖傳送的光信號直接進行交換。長期以來，實現(xiàn)高速全光網(wǎng)一直受交換問題的困擾。因為傳統(tǒng)的交換技術(shù)需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號才能進行交換，然后再轉(zhuǎn)換成光信號進行傳輸，這些光電轉(zhuǎn)換設(shè)備體積過于龐大，并且價格昂貴。而光交換完全克服了這些問題。因此，光交換技術(shù)必然是未來通信網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展方向。

未來通信網(wǎng)絡(luò)將是全光網(wǎng)絡(luò)平臺，網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、路由、保護和自愈功能在未來光通信領(lǐng)域越來越重要。光交換技術(shù)能夠保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并能提供靈活的信號路由平臺，光交換技術(shù)還可以克服純電子交換形成的容量瓶頸，省去光電轉(zhuǎn)換的笨重龐大的設(shè)備，進而大大節(jié)省建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)升級的成本。若采用全光網(wǎng)技術(shù)，將使網(wǎng)絡(luò)的運行費用節(jié)省70%，設(shè)備費用節(jié)省90%。所以說光交換技術(shù)代表著人們對光通信技術(shù)發(fā)展的一種希望。

目前，全世界各國都正在積極研究開發(fā)全光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，其中關(guān)鍵產(chǎn)品便是光變換技術(shù)的產(chǎn)品。目前市場上的光交換機大多數(shù)是光電和光機械的，隨著光交換技術(shù)的發(fā)展和成熟，基于熱學(xué)、液晶、聲學(xué)、微機電技術(shù)的光交換機將會研究和開發(fā)出來，其中以將納米技術(shù)為基礎(chǔ)的微電子機械系統(tǒng)MEMS應(yīng)用于光交換產(chǎn)品的開發(fā)更會加速光交換技術(shù)的發(fā)展。

3.無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)

無源光網(wǎng)絡(luò)是一種很有吸引力的純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，避免了外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設(shè)備的故障率，提高了系統(tǒng)可靠性，同時節(jié)省了維護成本，是電信維護部門長期以來期待的技術(shù)。無源光網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的覆蓋“最后一公里”的寬帶接入光纖技術(shù)，其在光分支點不需要節(jié)點設(shè)備，只需安裝一個簡單的光分支器即可，因此具有節(jié)省光纜資源、帶寬資源共享、節(jié)省機房投資、設(shè)備安全性高、建網(wǎng)速度快、綜合建網(wǎng)成本低等優(yōu)點。

PON包括APON、EPON和GPON三種。ATM-PON（APON，即基于ATM的無源光網(wǎng)絡(luò)），APON在傳輸質(zhì)量和維護成本上有很大優(yōu)勢，其發(fā)展目前已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)的烽火通信、華為等廠商都有實用化的APON產(chǎn)品。

Ethernet-PON（EPON，基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)），EPON是基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)，為了克服APON標準缺乏視頻能力、帶寬不夠、過于復(fù)雜、造價過高等缺點、EPON應(yīng)運而生。EPON的基本作法是在G.983的基礎(chǔ)上，設(shè)法保留物理層PON，而以以太網(wǎng)代替ATM作為二層協(xié)議，構(gòu)成一個可以提供更大帶寬、更低成本和更寬業(yè)務(wù)能力的新的結(jié)合體。

GPON（Gigabit PON），GPON是一種按照消費者的需求而設(shè)計、運營商驅(qū)動的解決方案。具有高達2.4Gb/s速率，能以原格式傳送多種業(yè)務(wù)，效率高達90%以上，是目前世界上最為先進的PON系統(tǒng)，是解決“最后一公里”瓶頸的理想技術(shù)。

4.光孤子通信系統(tǒng)

在常規(guī)的線性光纖通信系統(tǒng)中，光纖損耗和色散是限制其傳輸容量和距離的主要因素。由于光纖制作工藝的不斷提高，光纖損耗已接近理論極限，因此光纖色散已成為實現(xiàn)超大容量、超長距離光纖通信的“瓶頸”，亟待解決。人們用了一百多年的時間來探討，發(fā)現(xiàn)由光纖非線性效應(yīng)所產(chǎn)生的光孤子可以抵消光纖色散的作用，利用光孤子進行通信，可以很好解決這個問題，從而形成了新一代光纖通信系統(tǒng)，也是21世紀最有發(fā)展前途的通信方式。

任何事物都是在發(fā)展中前進，光通信在超長距離、超大容量發(fā)展進程中，遇到了光纖損耗和色散的問題，限制了其發(fā)展的空間。科學(xué)家和業(yè)內(nèi)人士受自然界的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)了特殊的光孤子波，人們設(shè)想在光纖中波形、幅度、速度不變的波就是光孤子波。利用光孤子傳輸信息的新一代光纖通信系統(tǒng)，真正做到全光通信，無需光、電轉(zhuǎn)換，可在超長距離、超大容量傳輸中大顯身手，是光通信技術(shù)上的一場革命。

4.1線性光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展及其局限

4.1.1線性光纖通信系統(tǒng)是當前無與倫比的信息傳輸方式

當前的光纖通信屬線性光纖通信系統(tǒng)。線性光纖通信容量比電纜通信容量大10億倍，一根比頭發(fā)絲還細的光纖可以傳輸幾萬路電話和幾千路電視，由20根光纖組成的光纜，每天可通話7.62萬人次，而1800根銅線組成的電纜，每天只能通話900人次。線性光纖通信還具有不受大氣干擾、中繼距離長、信息容量大、重量輕、占空小、抗電磁干擾強、絕緣性好、串話小、保密性強等優(yōu)點，是當今最好最主要的信息傳輸方式。

4.1.2線性光纖通信的向前發(fā)展受到阻力限制

我們知道光纖的損耗和色散是限制線性光纖通信系統(tǒng)傳輸距離和容量的兩個主要因素，尤其在Gbit/s以上的高速光纖通信系統(tǒng)中，色散將起主要作用，即由于脈沖展寬將使系統(tǒng)容量減少，傳輸?shù)木嚯x受到限制。

4.1.2.1光纖損耗

光脈沖在光纖中傳輸時有光損耗，這就使光的能量不斷地衰減，為了實現(xiàn)長距離的傳輸，就得在一定距離上建立中繼站，以使衰減的光信號增強，中繼站是由檢測器、調(diào)制器和激光器所組成的光電組合系統(tǒng)。要達到高傳輸速率，檢測器和強度調(diào)制器已受到電子響應(yīng)時間的限制，中繼站的造價也十分昂貴，限制了線性光纖通信系統(tǒng)傳輸速率的進一步提高。

目前，在1.55μm波長處，光纖損耗己做到0.18dB/km，使光信號無中繼傳輸距離達100km，這一數(shù)值已接近理論極限值0.1dB/km，在光纖損耗方面已無太大潛力可挖。

4.1.2.2光的色散

光的色散指的是由于物質(zhì)的折射率與光的波長有關(guān)系而發(fā)生的一種現(xiàn)象。對于一定物質(zhì)，折射系數(shù)n是波長λ的一定函數(shù)：

n=f（λ）

決定折射率n隨波長λ而改變快慢的量，稱為物質(zhì)的色散。

由于任一光脈沖都可以表示為不同頻率分量的組合，當色散效應(yīng)存在時，使得光脈沖中不同頻率分量的運動速度不一致，這樣就使得光脈沖在傳輸過程中發(fā)生變形。研究表明，在光纖的正常色散區(qū)域中和反常色散區(qū)域中，光脈沖傳輸?shù)奶匦允遣煌摹Ｔ诠饫w的正常色散區(qū)域中，光脈沖的較高頻率分量（藍移）比較低的頻率分量（紅移）傳輸?shù)寐诠饫w的反常色散區(qū)域中，藍移比紅移傳輸?shù)每欤淙核俣壬ⅲ℅VD，Group Velocity Dispersion）效應(yīng)的最終結(jié)果導(dǎo)致光脈沖展寬。所以色散便是線性光纖通信系統(tǒng)繼續(xù)提高的主要阻力。解決這一難題的是非線性光纖通信系統(tǒng)——光孤子通信系統(tǒng)。

4.2非線性光纖光孤子通信系統(tǒng)的構(gòu)成

4.2.1光孤子通信系統(tǒng)的基本組成

目前已提出的光孤子通信實驗系統(tǒng)的構(gòu)成方式種類較多，但其基本部件卻大體相同，圖1所示即為其基本組成結(jié)構(gòu)。

圖中的孤子源并非嚴格意義上的孤子激光器，而只是一種類似孤子的超短光脈沖源，它產(chǎn)生滿足基本光孤子能量、頻譜等要求的超短脈沖。這種超短光脈沖，在光纖中傳輸時自動壓縮、整形而形成光孤子。電信號脈沖源通過調(diào)制器將信號載于光孤子流上，承載的光孤子流經(jīng)EDFA放大后進入光纖傳輸。沿途需增加若干個光放大器，以補償光脈沖的能量損失。同時需平衡非線性效應(yīng)與色散效應(yīng)，最終保證脈沖的幅度與形狀穩(wěn)定不變。在接收端通過光孤子檢測裝置、判決器或解調(diào)器及其它輔助裝置實現(xiàn)信號的還原。

4.2.2與普通線性光纖通信系統(tǒng)的不同

4.2.2.1EDFA摻鉺光纖放大器

光孤子在使用EDFA的系統(tǒng)中能穩(wěn)定傳輸?shù)奶匦允枪夤伦油ㄐ拍軐嵱玫囊粋€關(guān)鍵。因為光纖的損耗不可避免要消耗孤子能量，當能量不滿足孤子形成的條件時，脈沖喪失孤子特性而展寬，但只要通過EDFA摻鉺光纖放大器給孤子補充能量，孤子即自動整形。利用孤子這一特性，可進行全光中繼，不再需要像常規(guī)光纖通信系統(tǒng)那樣在中繼站進行光—電—光的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了全光傳輸，一般每30~50km加一個EDFA，是一種集總式能量補充方式。

4.2.2.2預(yù)加重技術(shù)

預(yù)加重技術(shù)，也稱為動態(tài)光孤子通信。在上述集總式能量補充系統(tǒng)中，即使光纖的色散有抖動，這種孤子也是穩(wěn)定的。在放大器的間距與孤子的特征長度可比擬時，如果使進入光纖的脈沖峰值功率大于基態(tài)孤子所要求的峰值功率，則所形成的孤子也能長距離穩(wěn)定傳輸，這種技術(shù)通常被稱為預(yù)加重技術(shù)，也稱為動態(tài)光孤子通信。

4.2.2.3抑制戈登—豪斯效應(yīng)

所謂戈登—豪斯效應(yīng)是一種抖動。采用放大器的自發(fā)輻射噪聲，是一種不可避免的熱噪聲，它與孤子相互作用后，造成孤子中心頻率的隨機抖動，進而引起孤子到達接收端的抖動，即戈登—豪斯效應(yīng)。這一效應(yīng)是限制孤子傳輸系統(tǒng)容量、放大器間隔等系統(tǒng)指標的重要因素。解決的辦法是在放大器后加一個帶通濾波器即能較好的抑制戈登—豪斯效應(yīng)。

4.2.2.4波分復(fù)用技術(shù)

光孤子也可實現(xiàn)波分復(fù)用，即利用不同波長的光孤子在同一光纖中傳輸；也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纖中傳輸，即偏振復(fù)用，進一步提高傳輸質(zhì)量和容量。

4.3光孤子通信的優(yōu)越性及其展望

4.3.1光孤子通信的優(yōu)越性

4.3.1.1光孤子通信系統(tǒng)極大地提高了傳輸容量和距離

光孤子通信克服了色散的制約，當光強度足夠大時會使光脈沖變窄，脈沖寬度不到一個ps，可使光纖的帶寬增加10~100倍，極大地提高了傳輸容量和傳輸距離，尤其是當光速度超過10Gbit/s時，光孤子傳輸系統(tǒng)顯示出明顯的優(yōu)勢。光孤子通信作為新一代光纖通信系統(tǒng)在洲際陸地通信和跨洋通信等超長距離、超大容量通信系統(tǒng)中大顯身手。

4.3.1.2光孤子通信系統(tǒng)從根本上改進了耦合損耗和兼容問題

光孤子通信系統(tǒng)不但容量大、頻帶寬、增益高，更可貴的是它能夠從根本上改進現(xiàn)有通信中的光電器件和光纖耦合所帶來的損耗和兼容問題，是一場光纖通信的革命。

4.3.1.3光孤子通信系統(tǒng)解決了高溫自動控制和測量

光孤子通信系統(tǒng)由于沒有使用電子元件，可以在很高的溫度下工作，甚至是1000度的高溫。這對高溫條件下的自動控制或測量具有劃時代的意義，為人類提供了新的理想的傳輸系統(tǒng)，意義重大。

4.3.2光孤子通信的未來展望

非線性光纖光孤子通信是一種全新的超高速、大容量、超長距離的通信技術(shù)。信息傳輸容量比現(xiàn)在最好的線性光纖通信系統(tǒng)還要高出1至2個數(shù)量級。該系統(tǒng)將成為21世紀的主要通信系統(tǒng)。

光孤子通信以其巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景令世人矚目，尤其是EDFA技術(shù)的迅速發(fā)展使得幾十至幾百吉比特率，幾千至幾萬公里的信息傳輸變得輕而易取。如此美好的應(yīng)用前景、如此誘人的事業(yè)，一定會吸引國內(nèi)外眾多科技人員為之努力貢獻。本世紀初葉就會看到光孤子通信實用化的到來。在結(jié)束本文之前我們用圖2來表示光孤子通信的現(xiàn)狀與展望。

從圖2可見，三個坐標分別表示傳輸距離、傳輸速度和EDFA的性能，圖中的陰影部分表示目前的現(xiàn)狀，三個軸所表示發(fā)展方向，表示未來的前景和達到的性能指標。

從光纖通信的發(fā)展趨勢來看，完全有理由認為光纖通信進入了又一次蓬勃發(fā)展的新高潮。而這一次發(fā)展高潮涉及的范圍更廣，技術(shù)更新更難，影響力和影響面也更寬，勢必對整個電信網(wǎng)和信息業(yè)產(chǎn)生更加深遠的影響。它的演變和發(fā)展結(jié)果將在很大程度上決定電信網(wǎng)和信息業(yè)的未來大格局，也將對下一世紀的社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。

參考文獻：

［1］ 何淑貞《國內(nèi)外光通信的發(fā)展趨勢》，《衛(wèi)星電視與寬帶多媒體》2007年第2期

［2］ 張 煦《光纖通信技術(shù)的發(fā)展趨勢》，《中興通訊技術(shù)》， 2000， S1。