《光纤通信概要》word版.doc

2003年光纤通信概要赵梓森 武汉邮电研究院，工程院院士本文对于2003年一年内光纤通信的要点作如下概括叙述：（1）光纤通信技术有何进步；（2）光纤到家庭的兴起；（3）光纤通信市场有些回升。一、光纤通信技术有何进步2001年IT的通信行业的市场有泡沫，造成通信行业的市场在20022003年不景气。也使得2003年光纤通信技术的进步不大。当然，也有一定的进步，现综述如下。（一）光通信系统方面2001年，世界光纤通信传输试验系统的最高速率约10Tbit/s，2003年也仍然如此。但有如下进步：1 差分相移键控DPSK系统的研究（ThE1-Lucent） + + 0 1 0图1 RZ-DPSK 归零码差分相移键控示意图采用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)，如 Lucent 的归零码差分相移键控RZ-DPSK试验系统。所谓归零差分相移键控（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。该系统工作波长范围为15551580nm，50GHz 间隔。采用光RZ-DPSK调制的好处是，比通常的2进制光开关OOK（OnOff Key）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。与DPSK相比较又可得到1dB的代价改善。这些系统比较复杂，在大容量长距离传输的情况下，才显示其经济效益。2日本第一个波长路由试验线(ThAA5-NTT)利用光波长的改变，选择传输的路由日本在北海道的Chitose市进行了采用波长可变路由器的工程应用试验。全网采用WDM，波长范围为 1535.821560.61nm，0.8 nm 间隔。节点13的速率为 2.5Gbit/s。共有43个终端节点，但试用了5个节点。5km半径。用SMF星型连接，内无光电变换。 WDM器件采用 AWG 32x32。该网络用于多业务，包括：视频流 VOD MPEG28Mbps、HDSDI 高分辨串行数字接口和专用网等。需要多协议：包括 SDH、ATM、IP和GbE。网络管理由1000km外东京西 NTT 用ISDN控制。该网络的优点是：灵活、码速易于改变，如1Gbit/s40Gbit/s，网络交换可在光层扩大到100x100，采用波长可调光源，传输目的地可方便地改变。（二）光电子器件和光纤方面在20022003年中，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完全停止，出现各式各样的新器件。这里仅对一些有前景和有特色的介绍。140Gbit/s EADFB 集成器件（TuP4OKIOFC 2003（Session Code） 通常数据速率高达40Gbit/s时，需要用LiNbO3外调制，价格贵，体积大。EA半导体电吸收外调制器体积小，便于集成。OKI公司把DFB激光器和EA集在一起的，采用结构：MQW-DFB-EA；波长：1310 nm；消光比：9.77dB；微波回损S11：-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）。2廉价的垂直腔表面发射激光器的突破垂直腔表面发射激光器 (Vertical Cavity Surface Emission Laser，VCSEL) 从表面直接发光，如图2所示。所以VCSEL可以在不解理分割为管芯时进行测试，大大简化工艺，降低成本。而常规的边发光激光器，必须分割为管芯才能测试，增加成本。VCSEL还有许多优点，如阈值电流在1mA左右，甚至于百微安量级，稳定，寿命也大大增加。波长为850nm的VCSEL最早制成，现在1310nm和1550nm的VCSEL也开发成功。典型VCSEL参数如下。有源区 反射镜图2 垂直腔表面发射激光器（VCSEL）波长： 850nm模式： 单纵模和单横模驱动电压：1.8V驱动电流：17mA输出功率：0.51mW斜率效率：0.3mW/mA阈值电流：100mA升降时间：200ps相对强度噪声：-130dB31024x1024三维光开关系统（MF42）日本东京大学采用平面光波导技术，研制出1024x1024三维光开关系统，是光波导技术的一个突破。其机构如图3所示。该系统有4个平面波导块，其间有垂直波导。平面波导有1对可控制的转角微反射镜（Corner-Turning Micro Reflector）。如图3所示：当光束垂直连接（Z向连接）时，经过转角微反射镜和块1和块2间的块，达到块2。光开关阵列1 2 3 4 52x2微光开关In 平面光波导 旋转角微反射镜 Z 向连接块1块2块3块4块12光波导旋转角微反射镜1190 420 1190100单位：微米图 3 1024x1024三维光开关系统和垂直传输波导4纳米技术用于光电子器件纳米器件的尺寸比光波还小反射、折射和衍射可能有特殊的效果，可能引起光学理论的革命。目前有人利用纳米技术和工艺，做成极化器-起偏器（Polarizer），其体积为1.4 1.4 x0.5mm。这种比光波长略小的光学元件称为次波长光学元件(Sub-Wavelength Optical Element，SWOE)。Princeton，、Minesota和Harvard等大学都在研究SWOE。Somerset、NJ-base和Pirelli 等投资 200万美元发展SWOE。二、光纤到家庭的兴起（一）光纤到家庭（FTTH）的看法（TuR1-AT&T）长期来，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。但由于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的用户有350万。按照这个预测统计，2005年，在日本FTTH将成为主流。美国AT&T认为（OFC 2003 TuR1），FTTH 是否有需求？认为在3050年后才会成为主流，而Verizon 和 Spring 却比较乐观，要在1012年内建成FTTH。现在FTTH正在发达国家兴起。中国正在发展宽带业务，尽管已经有800万宽带业务用户，并且还在增长，然而与全部用户数量相比，是微乎其微。一般认为目前推行的ADSL接入技术可以满足当前的业务需求。但是，如进一步发展双向业务和带宽更宽的业务，如高清晰度数字电视（HDTV）等，ADSL显然不行，这就需要FTTH了。数字电视（DTV）和点播电视应该是FTTH的重要驱动力量。但是，从现在DTV已经在中国特大城市开播的情况看，DTV用户仍然很少。分析其主要原因是，节目内容对老百姓无吸引力，另外还有价格问题。因特网内容提供商（ICP）是发展宽带业务和FTTH的重要因素。2008年北京奥运会要求有HDTV，对于中国，也是FTTH的重要驱动力量。此外，由于竞争的缘故，中国有些大城市开始布局FTTH，其目的是抢占用户，较有远见。作者认为：FTTH在中国，现在可以在发达城市建设试点，在2007年左右进入全面推广。从技术角度考虑，FTTH应该采用什么方案。FTTH 采用的技术方案与用户的地理分布，与电信运行商和电视广播运行商是否合作以及在政策上是否允许有关。这些因素会使FTTH的网络结构有很大的不同，建设费用自然也不同。近来，广播电视实施“网、台分开”的体制改革在某些地方开始实施，这可能使电信运营商不能经营电视业务、电视广播运营商不能经营通信业务的限制政策发生改变。如果容许在一个网上传送各种业务，网络结构就简单经济了。通常FTTH可采用2类网络结构，即无源光网（PON结构）和点对点（P2P）结构。（1）无源光网（PON）结构。通常认为采用大分比PON（如1/32；1/64）可能经济，因为这样可以节省光纤和器件。结果适得其反，大分比PON有不利之处：降低传输距离，PON插入损失1518dB； PON的光模块速度按分比提高，可能需要采用价格高510倍的DFB激光器，反而不经济；用户过多共享下行带宽，在忙时用户的QoS得不到保证，特别是在VOD的情况下（不是近似点播电视N-VOD），用户A的点播节目可能占据用户B的下行带宽（即使再节点扩容也不能解决此问题）。采用小分比PON可以克服以上缺点，当然，需要的模块要比大分比的略多一点。小分比PON可按以下原则考虑。l PON 支持的用户数，保证其使用的模块速度不要过高，使用户可采用廉价的FP-LD收发模块。l PON 支持的用户数，保证每用户可单独占用比较高的速率，如100Mbit/s。l 要保证能达到FTTP用户的距离。如要保证每用户100Mbit/s带宽，采用1/12的小分比PON，传输距离可达12km，1/4分比的可达25km。PON 也有APON、EPON 和GPON等多种。APON适用于原来ATM用得比较多的城市比。EPON和GPON各有优劣，都是发展方向，目前GPON还不太成熟，EPON比较成熟，比较经济。图4 光纤到住地FTTP（2）点对点（P2P）结构。这是原始方法，采用的光模块比PON 略多。但是，它的传输距离可以很长（大于20km），在用户距离既远又分散的情况，比较经济。另外，P2P方式各用户独立，需要改变体制容量比较方便。（二）日本的光纤到家庭的试验网（ThAA2-KDDI）试验网共有450 用户，其中96用户用EPON / 每户1光纤，其余为P2P方式。EPON连接中心局用 Gb-Ethernet。光节点单元ONU 间隔距离20公里。用户下行带宽：100Mbit/s，用户上行带宽：2100Mbit/s（采用动态带宽设定：ITU-T G983.4 ）。视频流速率8Mbit/s。在该网络进行了业务量的测定。观察到在20:0022:00时，视频流瞬间超过500Mbit/s。（三）视频压缩技术的进步支持FTTH有人采用H.264，可以把高清晰度电视HDTV压缩到5Mbit/s，主观评定仍属满意，但尚未商用。目前，采用MPEG-2压缩的HDTV需要带宽为19.2Mbit/s，已经有商用的专用芯片。作为总体方案，可以设想一个家庭需要有4个HDTV，那么每家庭下行带宽目前安排100Mbit/s是合理的。在35年后，HDTV压缩到5Mbit/s时，每家庭需要带宽仅20Mbit/s。于是在FTTH的100m范围内，利用现存的金属传输介质，可能是经济的。在一定场合，甚至于采用无线接入也有可能。（四）FTTH 和FTTP的定义家庭是一个社会名称，社会上还有无“传统家庭”的成员，也有许多家庭密集在公寓大楼内，特别是中国大城市内，这种情况居主要地位。光纤到大楼后，在一定距离内，就可以利用原有的金属介质传输一定带宽的可能性。实际上，许多电子消费品的接口仍然是铜缆。有人建议用“光纤到住地”（Fiber to the Premise，FTTP），也有采用另一概念的“介质变换”（media convert，MC），即玻璃纤维转变为铜介质，以代替FTTH。实际上FTTP的光纤终端后面100m，可以采用各种技术和介质，如VDSL等，甚至于无线接入，当然也可以继续采用光纤，如图4所示。在光纤已经把带宽信息送到离开用户100m，之后采用什么，可根据用户的情况来确定，无争论的必要。采用FTTP或MC这些名称和概念，在业界已经取得共识。中心100m100m100m100m100m距离PON图4 光纤到住地（FTTP）（五）FTTP建设的与时俱进策略现提出以下几点意见，供运行商参考l 在大城市内，现在可以开始建设FTTP的试点。l 对于新建楼房或小区尽量采用FTTP使光纤离开用户仅100m。l 对于现有建筑为了充分利用现存的铜介质，要采用能保证在100m内提供20100Mbit/s带宽的技术（包括：带宽比较宽的ADSL、VDSL和cable modem等），以保证今后业务发展的需要。也可以考虑无线接入技术。l 根据业务和市场的发展，与时俱进地对网络扩容升级，保证