光纤通信发展趋势是怎样的光孤子通信系统介绍详解

　　光纤通信一直是推动整个通信网络发展的基本动力之一，是现代电信网络的基础。本文对光纤通信的主要发展趋势作一简述与展望，包括纳米技术与光纤通信、光交换、PON、光孤子通信。
　　关键词：光纤通信 光交换 PON 光孤子通信
　　光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命，光纤通信技术发展所涉及的范围，无论从影响力度还是影响广度来说都已远远超越其本身，并对整个电信网和信息业产生深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局，也将对社会经济发展产生巨大影响。
　　1.纳米技术与光纤通信
　　纳米是长度单位，为10-9米，纳米技术是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。建立在微米/纳米技术基础上的微电子机械系统(MEMS)技术目前正在得到普遍重视。在无线终端领域，对微型化、高性能和低成本的追求使大家普遍期待能将各种功能单元集成在一个单一芯片上，即实现SOC(System On a Chip)，而通信工程中大量射频技术的采用使诸如谐振器，滤波器、耦合器等片外分离单元大量存在，MEMS技术不仅可以克服这些障碍，而且表现出比传统的通信元件具有更优越的内在性能。德国科学家首次在纳米尺度上实现光能转换，这为设计微器件找到了一种潜在的能源，对实现光交换具有重要意义。
　　可调光学元件的一个主要技术趋势是应用MEMS技术。MEMS技术可使开发就地配置的光器件成为可能，用于光网络的MEMS动态元件包括可调的激光器和滤波器、动态增益均衡器、可变光衰减器以及光交叉连接器等。此外，MEMS技术已经在光交换应用中进入现场试验阶段，基于MEMS的光交换机已经能够传递实际的业务数据流，全光MEMS光交换机也正在步入商用阶段，继朗讯科技公司的“Lamda-Router”光MEMS交换机之后，美国Calient Networks公司的光交叉连接装置也采用了光MEMS交换机。
　　2.光交换是实现高速全光网的关键
　　光交换是指光纤传送的光信号直接进行交换。长期以来，实现高速全光网一直受交换问题的困扰。因为传统的交换技术需要将数据转换成电信号才能进行交换，然后再转换成光信号进行传输，这些光电转换设备体积过于庞大，并且价格昂贵。而光交换完全克服了这些问题。因此，光交换技术必然是未来通信网交换技术的发展方向。
　　未来通信网络将是全光网络平台，网络的优化、路由、保护和自愈功能在未来光通信领域越来越重要。光交换技术能够保证网络的可靠性，并能提供灵活的信号路由平台，光交换技术还可以克服纯电子交换形成的容量瓶颈，省去光电转换的笨重庞大的设备，进而大大节省建网和网络升级的成本。若采用全光网技术，将使网络的运行费用节省70%，设备费用节省90%。所以说光交换技术代表着人们对光通信技术发展的一种希望。
　　目前，全世界各国都正在积极研究开发全光网络产品，其中关键产品便是光变换技术的产品。目前市场上的光交换机大多数是光电和光机械的，随着光交换技术的发展和成熟，基于热学、液晶、声学、微机电技术的光交换机将会研究和开发出来，其中以将纳米技术为基础的微电子机械系统MEMS应用于光交换产品的开发更会加速光交换技术的发展。
　　3.无源光网络(PON)技术
　　无源光网络是一种很有吸引力的纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，是电信维护部门长期以来期待的技术。无源光网络作为一种新兴的覆盖“最后一公里”的宽带接入光纤技术，其在光分支点不需要节点设备，只需安装一个简单的光分支器即可，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。
　　PON包括APON、EPON和GPON三种。ATM-PON(APON，即基于ATM的无源光网络)，APON在传输质量和维护成本上有很大优势，其发展目前已经比较成熟，国内的烽火通信、华为等厂商都有实用化的APON产品。
　　Ethernet-PON(EPON，基于以太网的无源光网络)，EPON是基于以太网的无源光网络，为了克服APON标准缺乏视频能力、带宽不够、过于复杂、造价过高等缺点、EPON应运而生。EPON的基本作法是在G.983的基础上，设法保留物理层PON，而以以太网代替ATM作为二层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体。
　　GPON(Gigabit PON)，GPON是一种按照消费者的需求而设计、运营商驱动的解决方案。具有高达2.4Gb/s速率，能以原格式传送多种业务，效率高达90%以上，是目前世界上最为先进的PON系统，是解决“最后一公里”瓶颈的理想技术。
　　4.光孤子通信系统
　　在常规的线性光纤通信系统中，光纤损耗和色散是限制其传输容量和距离的主要因素。由于光纤制作工艺的不断提高，光纤损耗已接近理论极限，因此光纤色散已成为实现超大容量、超长距离光纤通信的“瓶颈”，亟待解决。人们用了一百多年的时间来探讨，发现由光纤非线性效应所产生的光孤子可以抵消光纤色散的作用，利用光孤子进行通信，可以很好解决这个问题，从而形成了新一代光纤通信系统，也是21世纪最有发展前途的通信方式。
　　任何事物都是在发展中前进，光通信在超长距离、超大容量发展进程中，遇到了光纤损耗和色散的问题，限制了其发展的空间。科学家和业内人士受自然界的启发，发现了特殊的光孤子波，人们设想在光纤中波形、幅度、速度不变的波就是光孤子波。利用光孤子传输信息的新一代光纤通信系统，真正做到全光通信，无需光、电转换，可在超长距离、超大容量传输中大显身手，是光通信技术上的一场革命。
　　4.1线性光纤通信系统的发展及其局限
　　4.1.1线性光纤通信系统是当前无与伦比的信息传输方式
　　当前的光纤通信属线性光纤通信系统。线性光纤通信容量比电缆通信容量大10亿倍，一根比头发丝还细的光纤可以传输几万路电话和几千路电视，由20根光纤组成的光缆，每天可通话7.62万人次，而1800根铜线组成的电缆，每天只能通话900人次。线性光纤通信还具有不受大气干扰、中继距离长、信息容量大、重量轻、占空小、抗电磁干扰强、绝缘性好、串话小、保密性强等优点，是当今最好最主要的信息传输方式。
　　4.1.2线性光纤通信的向前发展受到阻力限制
　　我们知道光纤的损耗和色散是限制线性光纤通信系统传输距离和容量的两个主要因素，尤其在Gbit/s以上的高速光纤通信系统中，色散将起主要作用，即由于脉冲展宽将使系统容量减少，传输的距离受到限制。
　　4.1.2.1光纤损耗
　　光脉冲在光纤中传输时有光损耗，这就使光的能量不断地衰减，为了实现长距离的传输，就得在一定距离上建立中继站，以使衰减的光信号增强，中继站是由检测器、调制器和激光器所组成的光电组合系统。要达到高传输速率，检测器和强度调制器已受到电子响应时间的限制，中继站的造价也十分昂贵，限制了线性光纤通信系统传输速率的进一步提高。
　　目前，在1.55μm波长处，光纤损耗己做到0.18dB/km，使光信号无中继传输距离达100km，这一数值已接近理论极限值0.1dB/km，在光纤损耗方面已无太大潜力可挖。
　　4.1.2.2光的色散
　　光的色散指的是由于物质的折射率与光的波长有关系而发生的一种现象。对于一定物质，折射系数n是波长λ的一定函数：
　　n=f(λ)
　　决定折射率n随波长λ而改变快慢的量，称为物质的色散。
　　由于任一光脉冲都可以表示为不同频率分量的组合，当色散效应存在时，使得光脉冲中不同频率分量的运动速度不一致，这样就使得光脉冲在传输过程中发生变形。研究表明，在光纤的正常色散区域中和反常色散区域中，光脉冲传输的特性是不同的。在光纤的正常色散区域中，光脉冲的较高频率分量(蓝移)比较低的频率分量(红移)传输得慢，而在光纤的反常色散区域中，蓝移比红移传输得快，其群速度色散(GVD，Group Velocity Dispersion)效应的最终结果导致光脉冲展宽。所以色散便是线性光纤通信系统继续提高的主要阻力。解决这一难题的是非线性光纤通信系统——光孤子通信系统。
　　4.2非线性光纤光孤子通信系统的构成
　　4.2.1光孤子通信系统的基本组成
　　目前已提出的光孤子通信实验系统的构成方式种类较多，但其基本部件却大体相同，图1所示即为其基本组成结构。
　　图中的孤子源并非严格意义上的孤子激光器，而只是一种类似孤子的超短光脉冲源，它产生满足基本光孤子能量、频谱等要求的超短脉冲。这种超短光脉冲，在光纤中传输时自动压缩、整形而形成光孤子。电信号脉冲源通过调制器将信号载于光孤子流上，承载的光孤子流经EDFA放大后进入光纤传输。沿途需增加若干个光放大器，以补偿光脉冲的能量损失。同时需平衡非线性效应与色散效应，最终保证脉冲的幅度与形状稳定不变。在接收端通过光孤子检测装置、判决器或解调器及其它辅助装置实现信号的还原。
　　4.2.2与普通线性光纤通信系统的不同
　　4.2.2.1EDFA掺铒光纤放大器
　　光孤子在使用EDFA的系统中能稳定传输的特性是光孤子通信能实用的一个关键。因为光纤的损耗不可避免要消耗孤子能量，当能量不满足孤子形成的条件时，脉冲丧失孤子特性而展宽，但只要通过EDFA掺铒光纤放大器给孤子补充能量，孤子即自动整形。利用孤子这一特性，可进行全光中继，不再需要像常规光纤通信系统那样在中继站进行光—电—光的转换，实现了全光传输，一般每30~50km加一个EDFA，是一种集总式能量补充方式。
　　4.2.2.2预加重技术
　　预加重技术，也称为动态光孤子通信。在上述集总式能量补充系统中，即使光纤的色散有抖动，这种孤子也是稳定的。在放大器的间距与孤子的特征长度可比拟时，如果使进入光纤的脉冲峰值功率大于基态孤子所要求的峰值功率，则所形成的孤子也能长距离稳定传输，这种技术通常被称为预加重技术，也称为动态光孤子通信。
　　4.2.2.3抑制戈登—豪斯效应
　　所谓戈登—豪斯效应是一种抖动。采用放大器的自发辐射噪声，是一种不可避免的热噪声，它与孤子相互作用后，造成孤子中心频率的随机抖动，进而引起孤子到达接收端的抖动，即戈登—豪斯效应。这一效应是限制孤子传输系统容量、放大器间隔等系统指标的重要因素。解决的办法是在放大器后加一个带通滤波器即能较好的抑制戈登—豪斯效应。
　　4.2.2.4波分复用技术
　　光孤子也可实现波分复用，即利用不同波长的光孤子在同一光纤中传输;也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纤中传输，即偏振复用，进一步提高传输质量和容量。
　　4.3光孤子通信的优越性及其展望
　　4.3.1光孤子通信的优越性
　　4.3.1.1光孤子通信系统极大地提高了传输容量和距离
　　光孤子通信克服了色散的制约，当光强度足够大时会使光脉冲变窄，脉冲宽度不到一个ps，可使光纤的带宽增加10~100倍，极大地提高了传输容量和传输距离，尤其是当光速度超过10Gbit/s时，光孤子传输系统显示出明显的优势。光孤子通信作为新一代光纤通信系统在洲际陆地通信和跨洋通信等超长距离、超大容量通信系统中大显身手。
　　4.3.1.2光孤子通信系统从根本上改进了耦合损耗和兼容问题
　　光孤子通信系统不但容量大、频带宽、增益高，更可贵的是它能够从根本上改进现有通信中的光电器件和光纤耦合所带来的损耗和兼容问题，是一场光纤通信的革命。
　　4.3.1.3光孤子通信系统解决了高温自动控制和测量
　　光孤子通信系统由于没有使用电子元件，可以在很高的温度下工作，甚至是1000度的高温。这对高温条件下的自动控制或测量具有划时代的意义，为人类提供了新的理想的传输系统，意义重大。
　　4.3.2光孤子通信的未来展望
　　非线性光纤光孤子通信是一种全新的超高速、大容量、超长距离的通信技术。信息传输容量比现在最好的线性光纤通信系统还要高出1至2个数量级。该系统将成为21世纪的主要通信系统。
　　光孤子通信以其巨大的应用潜力和发展前景令世人瞩目，尤其是EDFA技术的迅速发展使得几十至几百吉比特率，几千至几万公里的信息传输变得轻而易取。如此美好的应用前景、如此诱人的事业，一定会吸引国内外众多科技人员为之努力贡献。本世纪初叶就会看到光孤子通信实用化的到来。在结束本文之前我们用图2来表示光孤子通信的现状与展望。
　　从图2可见，三个坐标分别表示传输距离、传输速度和EDFA的性能，图中的阴影部分表示目前的现状，三个轴所表示发展方向，表示未来的前景和达到的性能指标。
　　从光纤通信的发展趋势来看，完全有理由认为光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新高潮。而这一次发展高潮涉及的范围更广，技术更新更难，影响力和影响面也更宽，势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局，也将对下一世纪的社会经济发展产生巨大影响。