光通信网络发展概述
摘要：本文从光通信网络向融合多业务平台、40Gbit/s系统、超大容量超长距离波分复用系统、城域CWDM 技术及光纤技术等多方面对光通信网络的最新技术发展趋势进行了介绍和分析。
关键词：光通信 SDH 波分复用 CWDM 光纤
一、光通信网络向融合多业务平台转型
SDH 是当前电信网的主要传送体制，然而，由于WDM 的出现和发展，SDH 的角色正开始向网络边缘转移。鉴于网络边缘复杂的客户层信号特点，SDH 必须从纯传送网转变为传送网和业务网—体化的多业务平台。其出发点是充分利用大家所熟悉和信任的SDH 支术，特别是其保护恢复能力和确保的延时胜能，加以改造以适应多业务应用，支持层2乃至层3的数据智能，而SDH 设备与层2、层3分组设备在物理上集成为—个实体，构成业务层和传送层—体化的SDH 节点，称为融合的多业务节点或多业务平台，主要定位于网络边缘。
SDH 多业务平台的出现不仅减少了大量独立的业务节点和传送节点设备，简化了节点结构，而且降低了设备成本，减少了机架数、机房占地、功耗、架间互连，简化了电路搭配，加快了业务提供速度，改进了网络扩展性，节省了运营维护成本。特别是集成了IP 选路、以太网、帧中继或ATM 后，可以通过统计复用和超额订购业务来提高TDM 通路的带宽利用率，减少局端设备的端口数使现有SDH 基础设施最佳化。
随着数据业务份量的加重，SDH 业务平台也正逐渐从简单的支持数据业务的固定封装和透传的方式向更加灵活有效支持下一代SDH 系统演进。最新的发展是支持集成通用组帧程序(CFP)、链路容量调节方案(LCAS)和自动交换网络(ASON)标准。
GFP 是一种可以透明地将各种数据信号封装进现有网络的通用标准信号适配映射技术，简单灵活，开销低，效率高，有利于多厂家设备互联互通，能够对
用户数据实施统计复用，还有QoS 机制。此外，GFP 降低了对数据链路映射和去映射过程的处理要求，降低了接收机实施复杂，设备尺寸和成本，使GFP 特别适合于高速传输链路应用，例如点到点SDH 链路，OTN 中的波长通路以及暗光纤应用。
LCAS 定义了一种可以平滑地改变传送网中虚级联信号带宽的方法，以自动适应有效业务带宽，信令传输由普通的SDH 网元和网管系统完成。采用LCAS 的最大优点在于有效净负荷可以自动映射到可用的VC 上，这意味着带宽的调整是连续的，不仅提高了带宽指配速度，而且当系统出现故障时，可以动态调整系统带宽，无须人工介入，在保证服务质量的前提下明显提高网络利用率。
ASON 是智能光网络的控制平面技术，可以动态地实施光层连接建立和管理，使网络具有自动选路和指配功能。若下一代的SDH 多业务平台能将上述VC 级联，GFP 、LCAS 和ASON 几种标准功能集成在一起，再配合核心智能光网络的自动选路和指配功能，则不仅能大大增强自身灵活有效支持数据业务的能力，而且可以将核心智能光网络的智能扩展到网络边缘，增强整个网络的智能范围和效率。
二、40Gbit/s系统的应用前景
目前10Gbit/s系统已大批量装备网络，带有10Gbit/s接口的路由器已经开始应用。而且路由器间的突发性IP 业务量还在迅速增长，为了提高核心网的效率和功能，希望单波长内能处理多个数字连接，因此核心网的单波长速率向40Gbit/s乃至更高速率的方向演进是合乎逻辑的。不少电信公司实验室已开发出40Gbit/s的系统。
然而，单路波长的传输速率会受限于集成电路材料的电子和空穴的迁移率，受限于传输媒质的色散和极化模色散，还会受限于所开发系统的性能价格比是否合算。目前看来，材料问题已不是主要限制，但后两项限制成为这一速率的实用化瓶颈。
从实际应用看，对于40Gbit/s传输系统，必须用外调制器，能具备足够输出电压驱动外调制器的驱动集成电路也不成熟，沿用多年的NRZ 调制方式能否有效可靠地工作于40Gbit/s还没有定论，是否应转向普通RZ 调制方式、载频抑制
的RZ 调制方式(CS-RZ)、差分相移键控RZ 码(RZ—DPSK) 调制方式、光孤子(Soliton)调制方式、伪线性RZ 调制方式、全谱RZ(FSRZ)、双二进制，还是其他调制方式都还在探索过程之中。
除了技术因素外，经济上是否可行也是必须考虑的因素。从历史经验看，只有成本降到一定比例才有可能获得规模应用。40Gbit/s系统应用的理想场合仍然是长途网，因为长途网需要最大的容量和最低的比特传送成本。然而，由于前几年的过度建设，网络的这一部分目前并不需要大规模扩容，即便扩容，靠增加10Gbit/s波长既方便又经济。因而，40Gbit/s系统的应用可能还会推迟，首先可能由短距离互连应用开始，包括端局内路由器、交换机和传输设备间的互连。在这样的距离内，无须色散补偿、光放大器和外调制器，40Gbit/s系统具有最低的单位比特成本；下一步的应用有可能是城域网或长途网领域。
三、大容量长距离WDM 系统的发展
由于技术上的突破和市场的驱动，波分复用系统这几年发展十分迅猛。目前
1．6Tbit/s WDM 系统已经大量商用。NEC 和阿尔卡特分别在100Km 距离上实现了总容量为10.9Tbit/s(273x40Gbit/s)和102Tbit/s(256x40Gbit/s)的传输容量最新世界记录，其中前者实现了273个通路，每通路40Gbit/s速率，间隔50GHz ，覆盖S 、C 和L 波段；后者实现了256个通路，利用锗硅技术实现每通路速率42.7Gbit/s，其中FEC 开销7％，结合采用了交替间插的75和50GHz 通路间隔，残留边带过滤和极化复用技术，有效减少了路际干扰，频谱效率高达
1．28bit/s/Hz，系统工作范围覆盖C 和L 波段。
WDM 系统除了波长数和传输总容量不断突破以外，为了尽量减少电再生点的数量，降低初始成本和运营成本，改进可靠性以及应付IP 业务越来越长的落地距离，全光传输距离也在大幅度扩展，从目前的600Km 左右扩展到2000Km 以上，主要使用的技术有分布式喇曼放大器、超强前向纠错(FEC)、色散管理、光均衡以及高效的调制格式等。
从技术上看，在5年左右的时间，实用化的最大传输链路容量有可能达到5-10Tbit/s，甚至有研究结果认为单波长容量达到100Tbit/s是可能的。简言之，网络容量将不会受限于传输链路，焦点将集中在网络节点上。超大容量密集波分
复用系统的发展不仅彻底发掘了无穷无尽的光传输链路的容量，也成为IP 业务快速发展的催化剂和下—代光传送网灵活光节点的基础。
四、CWDM 在城域网领域的应用
WDM 技术正从长途传输领域向城域网领域扩展，适用于城域网领域的WDM 系统称为城域WDM 系统，低成本是该系统最重要的特点。由于城域网范围传输距离通常不超过l00Km ，因而长途网必须用的外调制器和光放大器不一定使用。由于可能省掉光放大器，波长数的增加和扩展不再受光放大器频带的限制，可以使用波长间隔较宽波长精度和稳定度要求较低的光源合波器、分波器和其他元件，使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降，降低了整个系统的成本。
尽管城域WDM 系统的成本已明显低于长途网WDM 系统，但目前绝对成本仍然较高，特别是传输距离较长时光纤放大器有时不能省掉，因此需要开发低成本光纤放大器。其次，当前在网络边缘需要整个波长带宽的用户和应用毕竟很少，WDM 多业务平台主要适用于核心层，特别是扩容需求较大、距离较长的应用场合。
为了进一步降低城域WDM 多业务平台的成本，出现了粗波分复用(CWDM)的概念。这种系统的典型波长组合有三种，即4、8和16个，波长通路间隔达20nm 之宽，允许波长漂移±6.5nm ，大大降低了对激光器的要求，其成本可以大幅度降低。此外，由于CWDM 系统对激光器的波长精度要求很低，无须致冷器和波长锁定器，不仅功耗低，尺寸小，而且其封装可以用简单的同轴结构，比传统碟型封装成本低，激光器模块的总成本可以减少三分之二。从滤波器角度看，以典型的100GHz 间隔的介质薄膜滤波器为例，需要150层镀膜，而20nm 间隔的CWDM 滤波器只需要50层镀膜即可，其成品率和成本都可以获得有效改进，预计成本可以至少降低一半。
简言之，CWDM 系统在激光器输出功率、温度的敏感度、色散容忍度以及封装等方面的要求都远低于DWDM 激光器，再加上滤波器要求降低，使系统成本有望大幅度下降。特别由于8波长CWDM 系统的光谱安排避开了1385nm 附近的OH 吸收峰，可以适用于任意一类光纤，将会首先获得应用。从业务应用上看，CWDM 收发器已经应用于Gbit/s接口转换器(GBIC)和小型可插拔器件(SFP)，
可以直接插入到Gbit/s以太网交换机和光纤通路交换机中，其体积、功耗和成本均远小于对应的DWDM 器件。
五、光纤技术及光缆的发展与应用
构筑拥有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础。光缆的寿命高达20年，一次铺设后很难再动，因此光纤参数的设计必须要有前瞻性。下代电信网需要更大容量更长距离和更宽频谱范围的传输，目前G . 652光纤的性能已难以满足这一要求，因而开发铺设下一代光纤已成为历史的必然。
在干线网上，ITU 推出了一种G . 655. A 光纤并获得大量应用。然而，随着速率提高到40Gbit ／s 以及超长传输距离的实施，特别是复用波长数的增加，G . 655. A 光纤参数的继续优化成为必要，其改进方向主要集中在几个方面：色散值需要继续适当增加以保证足以压制FWM 影响，实现更窄的波长间隔；色散斜率进一步降低以保证S 波段低端和L 波段高端的色散差不至于过大；光纤相对色散斜率继续减小，以便简化色散斜率补偿、改进补偿效率、减低系统成本；光纤有效面积最佳化从而兼顾非线性损伤和喇曼增益；零色散点继续向短波长方向移动避开S 波段以保证S 波段以及C 波段和L 波段的正常工作；PMD 值继续降低以适应40Gbit/s速率传输和超长距离传输的要求。
为此，ITU-T 研发了一种G . 655. B/C光纤(后者的极化模色散更严格) ，其参数基本符合上述要求，大多数光纤厂家在下—代光纤设计中也都在朝这—方向努力，一系列光纤产品问世，其中特锐Ultra 光纤是典型代表。
在城域网领域，为了扩大有效光谱范围，降低系统造价，消除1385nm 的OH 吸收峰是关键。为此，ITU 开发了一种低水峰光纤，命名为G . 652. C/D光纤。美国OFS 公司的全波光纤是最早商用化的G . 652. C/D光纤，它采用了新的生产工艺，几乎消除了内部的氢氧根离子，从而消除由此引起的附加水峰衰减，在1385nm 处的衰减可低达0．31dB/km。光纤可以开放E 波段低损传输窗口，可用波长范围增加100nm ；上述波长范围内，光纤的色散仅为1550nm 波长区的一半，约7ps/nm/km，可实现高比特率长距离传输；分配不同的业务给最适合的波长传输，改进网络管理；容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其他元件，使元器件以及系统成本大幅度下降。
鉴于G . 652. C/D光纤的成本已经十分接近传统的G . 652. A 光纤(差价在10％之内) ，城域网范围的新铺设光纤转向性价比更好、具有更长技术寿命的G . 652. C/D光纤的时机已经成熟。
从上述涉及光纤通信几个方面的发展现状与趋势来看，光纤通信发展涉及的范围、技术和影响面已远远超越其本身，势必对整个电信网和信息产业产生深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定着电信网和信息业的未来格局，同时也将对社会经济发展产生巨大的影响。
光通信网络发展概述
摘要：本文从光通信网络向融合多业务平台、40Gbit/s系统、超大容量超长距离波分复用系统、城域CWDM 技术及光纤技术等多方面对光通信网络的最新技术发展趋势进行了介绍和分析。
关键词：光通信 SDH 波分复用 CWDM 光纤
一、光通信网络向融合多业务平台转型
SDH 是当前电信网的主要传送体制，然而，由于WDM 的出现和发展，SDH 的角色正开始向网络边缘转移。鉴于网络边缘复杂的客户层信号特点，SDH 必须从纯传送网转变为传送网和业务网—体化的多业务平台。其出发点是充分利用大家所熟悉和信任的SDH 支术，特别是其保护恢复能力和确保的延时胜能，加以改造以适应多业务应用，支持层2乃至层3的数据智能，而SDH 设备与层2、层3分组设备在物理上集成为—个实体，构成业务层和传送层—体化的SDH 节点，称为融合的多业务节点或多业务平台，主要定位于网络边缘。
SDH 多业务平台的出现不仅减少了大量独立的业务节点和传送节点设备，简化了节点结构，而且降低了设备成本，减少了机架数、机房占地、功耗、架间互连，简化了电路搭配，加快了业务提供速度，改进了网络扩展性，节省了运营维护成本。特别是集成了IP 选路、以太网、帧中继或ATM 后，可以通过统计复用和超额订购业务来提高TDM 通路的带宽利用率，减少局端设备的端口数使现有SDH 基础设施最佳化。
随着数据业务份量的加重，SDH 业务平台也正逐渐从简单的支持数据业务的固定封装和透传的方式向更加灵活有效支持下一代SDH 系统演进。最新的发展是支持集成通用组帧程序(CFP)、链路容量调节方案(LCAS)和自动交换网络(ASON)标准。
GFP 是一种可以透明地将各种数据信号封装进现有网络的通用标准信号适配映射技术，简单灵活，开销低，效率高，有利于多厂家设备互联互通，能够对
用户数据实施统计复用，还有QoS 机制。此外，GFP 降低了对数据链路映射和去映射过程的处理要求，降低了接收机实施复杂，设备尺寸和成本，使GFP 特别适合于高速传输链路应用，例如点到点SDH 链路，OTN 中的波长通路以及暗光纤应用。
LCAS 定义了一种可以平滑地改变传送网中虚级联信号带宽的方法，以自动适应有效业务带宽，信令传输由普通的SDH 网元和网管系统完成。采用LCAS 的最大优点在于有效净负荷可以自动映射到可用的VC 上，这意味着带宽的调整是连续的，不仅提高了带宽指配速度，而且当系统出现故障时，可以动态调整系统带宽，无须人工介入，在保证服务质量的前提下明显提高网络利用率。
ASON 是智能光网络的控制平面技术，可以动态地实施光层连接建立和管理，使网络具有自动选路和指配功能。若下一代的SDH 多业务平台能将上述VC 级联，GFP 、LCAS 和ASON 几种标准功能集成在一起，再配合核心智能光网络的自动选路和指配功能，则不仅能大大增强自身灵活有效支持数据业务的能力，而且可以将核心智能光网络的智能扩展到网络边缘，增强整个网络的智能范围和效率。
二、40Gbit/s系统的应用前景
目前10Gbit/s系统已大批量装备网络，带有10Gbit/s接口的路由器已经开始应用。而且路由器间的突发性IP 业务量还在迅速增长，为了提高核心网的效率和功能，希望单波长内能处理多个数字连接，因此核心网的单波长速率向40Gbit/s乃至更高速率的方向演进是合乎逻辑的。不少电信公司实验室已开发出40Gbit/s的系统。
然而，单路波长的传输速率会受限于集成电路材料的电子和空穴的迁移率，受限于传输媒质的色散和极化模色散，还会受限于所开发系统的性能价格比是否合算。目前看来，材料问题已不是主要限制，但后两项限制成为这一速率的实用化瓶颈。
从实际应用看，对于40Gbit/s传输系统，必须用外调制器，能具备足够输出电压驱动外调制器的驱动集成电路也不成熟，沿用多年的NRZ 调制方式能否有效可靠地工作于40Gbit/s还没有定论，是否应转向普通RZ 调制方式、载频抑制
的RZ 调制方式(CS-RZ)、差分相移键控RZ 码(RZ—DPSK) 调制方式、光孤子(Soliton)调制方式、伪线性RZ 调制方式、全谱RZ(FSRZ)、双二进制，还是其他调制方式都还在探索过程之中。
除了技术因素外，经济上是否可行也是必须考虑的因素。从历史经验看，只有成本降到一定比例才有可能获得规模应用。40Gbit/s系统应用的理想场合仍然是长途网，因为长途网需要最大的容量和最低的比特传送成本。然而，由于前几年的过度建设，网络的这一部分目前并不需要大规模扩容，即便扩容，靠增加10Gbit/s波长既方便又经济。因而，40Gbit/s系统的应用可能还会推迟，首先可能由短距离互连应用开始，包括端局内路由器、交换机和传输设备间的互连。在这样的距离内，无须色散补偿、光放大器和外调制器，40Gbit/s系统具有最低的单位比特成本；下一步的应用有可能是城域网或长途网领域。
三、大容量长距离WDM 系统的发展
由于技术上的突破和市场的驱动，波分复用系统这几年发展十分迅猛。目前
1．6Tbit/s WDM 系统已经大量商用。NEC 和阿尔卡特分别在100Km 距离上实现了总容量为10.9Tbit/s(273x40Gbit/s)和102Tbit/s(256x40Gbit/s)的传输容量最新世界记录，其中前者实现了273个通路，每通路40Gbit/s速率，间隔50GHz ，覆盖S 、C 和L 波段；后者实现了256个通路，利用锗硅技术实现每通路速率42.7Gbit/s，其中FEC 开销7％，结合采用了交替间插的75和50GHz 通路间隔，残留边带过滤和极化复用技术，有效减少了路际干扰，频谱效率高达
1．28bit/s/Hz，系统工作范围覆盖C 和L 波段。
WDM 系统除了波长数和传输总容量不断突破以外，为了尽量减少电再生点的数量，降低初始成本和运营成本，改进可靠性以及应付IP 业务越来越长的落地距离，全光传输距离也在大幅度扩展，从目前的600Km 左右扩展到2000Km 以上，主要使用的技术有分布式喇曼放大器、超强前向纠错(FEC)、色散管理、光均衡以及高效的调制格式等。
从技术上看，在5年左右的时间，实用化的最大传输链路容量有可能达到5-10Tbit/s，甚至有研究结果认为单波长容量达到100Tbit/s是可能的。简言之，网络容量将不会受限于传输链路，焦点将集中在网络节点上。超大容量密集波分
复用系统的发展不仅彻底发掘了无穷无尽的光传输链路的容量，也成为IP 业务快速发展的催化剂和下—代光传送网灵活光节点的基础。
四、CWDM 在城域网领域的应用
WDM 技术正从长途传输领域向城域网领域扩展，适用于城域网领域的WDM 系统称为城域WDM 系统，低成本是该系统最重要的特点。由于城域网范围传输距离通常不超过l00Km ，因而长途网必须用的外调制器和光放大器不一定使用。由于可能省掉光放大器，波长数的增加和扩展不再受光放大器频带的限制，可以使用波长间隔较宽波长精度和稳定度要求较低的光源合波器、分波器和其他元件，使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降，降低了整个系统的成本。
尽管城域WDM 系统的成本已明显低于长途网WDM 系统，但目前绝对成本仍然较高，特别是传输距离较长时光纤放大器有时不能省掉，因此需要开发低成本光纤放大器。其次，当前在网络边缘需要整个波长带宽的用户和应用毕竟很少，WDM 多业务平台主要适用于核心层，特别是扩容需求较大、距离较长的应用场合。
为了进一步降低城域WDM 多业务平台的成本，出现了粗波分复用(CWDM)的概念。这种系统的典型波长组合有三种，即4、8和16个，波长通路间隔达20nm 之宽，允许波长漂移±6.5nm ，大大降低了对激光器的要求，其成本可以大幅度降低。此外，由于CWDM 系统对激光器的波长精度要求很低，无须致冷器和波长锁定器，不仅功耗低，尺寸小，而且其封装可以用简单的同轴结构，比传统碟型封装成本低，激光器模块的总成本可以减少三分之二。从滤波器角度看，以典型的100GHz 间隔的介质薄膜滤波器为例，需要150层镀膜，而20nm 间隔的CWDM 滤波器只需要50层镀膜即可，其成品率和成本都可以获得有效改进，预计成本可以至少降低一半。
简言之，CWDM 系统在激光器输出功率、温度的敏感度、色散容忍度以及封装等方面的要求都远低于DWDM 激光器，再加上滤波器要求降低，使系统成本有望大幅度下降。特别由于8波长CWDM 系统的光谱安排避开了1385nm 附近的OH 吸收峰，可以适用于任意一类光纤，将会首先获得应用。从业务应用上看，CWDM 收发器已经应用于Gbit/s接口转换器(GBIC)和小型可插拔器件(SFP)，
可以直接插入到Gbit/s以太网交换机和光纤通路交换机中，其体积、功耗和成本均远小于对应的DWDM 器件。
五、光纤技术及光缆的发展与应用
构筑拥有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础。光缆的寿命高达20年，一次铺设后很难再动，因此光纤参数的设计必须要有前瞻性。下代电信网需要更大容量更长距离和更宽频谱范围的传输，目前G . 652光纤的性能已难以满足这一要求，因而开发铺设下一代光纤已成为历史的必然。
在干线网上，ITU 推出了一种G . 655. A 光纤并获得大量应用。然而，随着速率提高到40Gbit ／s 以及超长传输距离的实施，特别是复用波长数的增加，G . 655. A 光纤参数的继续优化成为必要，其改进方向主要集中在几个方面：色散值需要继续适当增加以保证足以压制FWM 影响，实现更窄的波长间隔；色散斜率进一步降低以保证S 波段低端和L 波段高端的色散差不至于过大；光纤相对色散斜率继续减小，以便简化色散斜率补偿、改进补偿效率、减低系统成本；光纤有效面积最佳化从而兼顾非线性损伤和喇曼增益；零色散点继续向短波长方向移动避开S 波段以保证S 波段以及C 波段和L 波段的正常工作；PMD 值继续降低以适应40Gbit/s速率传输和超长距离传输的要求。
为此，ITU-T 研发了一种G . 655. B/C光纤(后者的极化模色散更严格) ，其参数基本符合上述要求，大多数光纤厂家在下—代光纤设计中也都在朝这—方向努力，一系列光纤产品问世，其中特锐Ultra 光纤是典型代表。
在城域网领域，为了扩大有效光谱范围，降低系统造价，消除1385nm 的OH 吸收峰是关键。为此，ITU 开发了一种低水峰光纤，命名为G . 652. C/D光纤。美国OFS 公司的全波光纤是最早商用化的G . 652. C/D光纤，它采用了新的生产工艺，几乎消除了内部的氢氧根离子，从而消除由此引起的附加水峰衰减，在1385nm 处的衰减可低达0．31dB/km。光纤可以开放E 波段低损传输窗口，可用波长范围增加100nm ；上述波长范围内，光纤的色散仅为1550nm 波长区的一半，约7ps/nm/km，可实现高比特率长距离传输；分配不同的业务给最适合的波长传输，改进网络管理；容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其他元件，使元器件以及系统成本大幅度下降。
鉴于G . 652. C/D光纤的成本已经十分接近传统的G . 652. A 光纤(差价在10％之内) ，城域网范围的新铺设光纤转向性价比更好、具有更长技术寿命的G . 652. C/D光纤的时机已经成熟。
从上述涉及光纤通信几个方面的发展现状与趋势来看，光纤通信发展涉及的范围、技术和影响面已远远超越其本身，势必对整个电信网和信息产业产生深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定着电信网和信息业的未来格局，同时也将对社会经济发展产生巨大的影响。