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光纤通信仍然是最主要的传输技术

2/14/2005来源:光纤通信人气:11652

光纤通信仍然是最主要的传输技术(毛谦) 摘要ITU组织的4年一度的国际电信博览会是通信领域规模最大的展览会,Telecom 99又是国际电信博览会中规模最 大的一次。本报告以参观Telecom99所了解的情况为基本内容,介绍了近年来光通 信技术的发展情况,说明光纤通信仍然是 最主要的传输技术。本报告从光纤通信设备和系统、光纤光缆、光器件、光仪表、 工程施工及其它等几个角度介绍光纤通信 在核心网方面的最新进展,光接入网的技术另有专题报告,本文不再赘述。 关键词 光通信 光通信系统 光纤 光缆 光器件 1概述 ITU每4年一度组织的国际电信博览会是通信领域规模最大的展览会,Telecom 99又是国际电信博览会中规模最大的一次。参加展出的厂商约1200家,向全世界 展示了近年来电信领域技术的进展。参观这次国际电信博览会可以感受到电信技 术发展的脉搏,更可以感受到电信技术发展之快给我们这些电信技术研发人员带 来的压力。当然从博览会也看到社会进步给人类带来的福音,信息社会为人们的 工作、生活带来更多的方便和利益,反过来又会促进社会更快地进步。 虽然在这次展览会上,无线通信有一种将压倒其它通信方式的气势。但通过 仔细观察和分析,可以看出,光纤通信依然是最主要的传输手段或者说是最主要 的传输技术,特别在核心网方面更加突出。概括起来,可以说世界主要的电信产 品供应商如Lucent、Nortel、Alcatel、NEC、Siemens、Maconi、Fujitsu等都把 光纤通信放在相当重要的位置,投入大量的人力、资金进行研究、开发,并分别 取得重大的进展,创造了一个个新的世界记录。许多原以家电产品为主或闻名的 厂商如Toshiba、Hitachi、Sony或计算机厂商Cisco、Canon、3M,也纷纷挤入光 纤通信的行列,并且成果斐然。 从电信展的整个情况来看,光纤通信技术无论是在核心网,即长距离、大容 量骨干网的应用方面,还是在城域网、接入网应用方面发展都很快;无论是在系 统设备,还是在光纤光缆、光器件的研制方面都有很大的进步。基于分工的原因 和篇幅有限,本报告主要汇报这次电信展反映出来的光纤通信技术在核心网和城 域网方面的新进展。光纤通信技术在接入网方面的进展情况,另有专题报告,本 报告不再赘述。 本报告主要从光通信设备和系统、光纤光缆、光器件、光仪表、工程施工及 其它等几个方面进行汇报。2光通信设备和系统 Telecom99是光纤通信技术在近4年内(Telecom95之后),特别是OFC'99之后, 国际水平进步的集中反映,以个人的认识水平,感到有如下几个特点: (1)超高速大容量系统的记录不断被刷新(包括单波道速率和全系统容量) 回顾一下超高速大容量系统的历史记录可以看出: Telecom'95上Nortel、Hitachi、Toshiba、Philips等公司均推出了单信道 10 Gbit/s设备,这在当时是最新记录; OFC'97 NEC宣布实现了2.6Tbit/s DWDM传输系统实 验,号称最新记录; OFC’99 NTT宣布完成了3 Tbit/s OTDM+DWdM的传输 系统实验,打破了NEC的记录; 1999年,Siemens宣布了3.2Tbit/s(80×40 Gbit/s)的记录。 在这次Telecon’99上,Nortel宣布了两个世界记录: ·单信道 80 Gbit/s的最高记录; ·DWDM6.4Tbit/s的最高记录。 下面简单介绍Noltel发表的记录的主要情况: Nortel的单信道80 Gbit/s系统实际上是在实现电的时分复用ETDM 40 Gbit/S 的基础上,采用OTDM技术将2个40 Gbit/s复用为80 Gbit/S信号的。线路码型为 二进制RZ码,没有采用FEC。在正、负色散每5km交替使用的G.655光纤上传送480km (相当于巴黎到日内瓦)不用电再生器。线路上出现的最大色散为30ps/nm,总 色散为零。工作波长1550nm,全线使用了12个掺饵光纤线路放大器。40Gbit/s信 号的产生是用 Mach- Zehader外调制器实现的。 6.4Tbit/s DWDM系统是在单波道80 Gbit/s的基础上用 80个波道复用而成 的。系统设计的可靠性为99.999%。可以具有在一对光纤上可靠地连接2500个核心 路由器的能力。 顺便提一下,Nortel估计到2002年全球光网络的市场可达350亿美元,而且容 量要求每9个月翻一番。Nortel的10 Gbit/S系统占全球市场的90%,1998年的收入 为176亿美元,其从光通信市场来的收入每年增长50%。如果按KMI公司的报告, Lucent的全球DWDM市场份额为29%,其收入为22亿美元,则全球DWDM市场应为76亿 美元。 实际上这两个记录还没有保持多久,Lucent在11月就宣布了两项新的世界记录, 又把Nortel远远地抛在后面: ·单信道160 Gbit/s的新记录; DWDM 16Tbit/s的刷新记录。 Bell labs的一项新的世界记录是,单波道的最高速率达到160 Gbit/s,在L ucent的TrueWave RS光纤中传送了300 km。该160 Gbt/s的系统用的是与目前商用 的系统同样的,基于半导体的发送机和解复用器。他们还准备将该系统用于DWDM系 统,至少采用当前商用可实现的100个波道,届时单根光纤的传输容量将达到16Tbit/s。 40 Gbit/s,即STM-256的SDH设备,除Nortel、Lucent之外,Hitachi、Fuji tsu、Siemens等公司也都已开发出来。 Lucent不仅研制出TM,还有AdM。 (2)无电再生距离不断加长 通常的DWDM系统的无电再生传输距离可达600 km(5× 33 dB),Pirelli公司 利用光线路扩展模块 LEM可以将这个距离提高到 6000 km。 一般的10 Gbit/S系统的传输距离为 3000- 5000 km,每隔300 km需要加以 电的再生。而Siemens的TransXPRess Iafinity320Gbit/s(32×10 Gbit/s)DWD M系统可以传输至 10000km之外,且只需每600km电再生一次。由于它采用了与众不 同的光放大器及可选各种泵浦源,包括预放的远泵,使跨距衰减可达44-75dB,根 据光纤参数不同,跨距可达210km到385km。同时采用带外的FEC还可赢得额外的5.5 dB,这对海光缆系统是特别有利的。 (3)波分复用的波长数不断增加 目前商用的DWDM系统的波长数一般为8波或16波,32波和40波系统也开始使用。 80波和160波(如NEC的160×2.5 Gbit/s系统)的实用化系统也已面世。1997年 Bell Labs创造的最高记录是206个波,到1999年11月,Lucent在贝尔实验室实现了 超密集波分复用(UDWDM),可以在一根光纤中传送1022个波道,波长间隔为10GHz。 波道数的增加一方面靠减少波道间隔,另一方面靠增加窗口宽度,如Pirelli 的128波道系统是如下安排的: 1529-1536nm 安排16个波道 1541-1562nm 安排48个波道 1575-1502nm 安排64个波道 最近加拿大LMGR公司宣布,该公司采用声控光波专利技术使单根光纤能够传输 多达65536个彼此分离的光信道,并进行演示。这将使DWDM系统的潜在容量比目前 可商用的160波系统提高400倍。 (4)DWDM系统从干线进入城域网 无论是Lucent、Nortel、NEC,还是Alcatel、Siemens、Maconi、Fujitsu等 都展示了城域网的DWDM解决方案。 典型的有Nortel的OPTera Metro,是基于环形的城域网DWDM系统,系统容量 可达320 Gbit/S。可以提供 Video、以太网和SDH的传输。它可以工作在32个有 保护的波长或64个不保护的波长。每个波长可以传送的信号可从16Mbit/s到2.5 Gbit/s。Lucent的WaveStar AllMetro,是城域网DWDM系统,主要应用于局域网 和企业网,为光纤到桌面提供最经济的方案,容量可达100Gbit/s。它可在任何 波长保护由于光纤出现的故障,并将话音、数据和视频信号综合在一起,具有容 易使用的特点。 (5)多模光纤传输高速率信号有新的突破 Lucent用新研制的LazrSPEEDTM多模光纤,将10 Gbit/s信号传输了1.6km,创 造了新的世界记录。这种多模光纤主要是为局域网LAN设计的,1998年5月,Bell Labs就做了类似的实验,当时模拟了最坏条件的情况,包括使用4个最坏情况的光连 接器,加上光缆受压力的影响和廉价的光收发器与光纤的耦合不准等因素,因此传 输距离只有300 m。这两次实验用的发光器件都是850nm的垂直腔表面发射激光器 (VCSEL),系统的误码率均达到1×10-9。 (6)对OTN的开发都给予了高度重视 在展览会上,许多厂商都展出了OADM、OXC等OTN的网元。 NEC的OADM中的16个波长可以任选波长分插,可以构成双纤线路倒换自愈环和双 向通道保护自愈环,通道倒换的时间为50 ms。 Nortel的OXC采用Corning的40波100 GHz波长选择开关,可有512个波长进出。 还可以实现波长保护,采用的是聚合物波导开关,开关的菲特率为100 Fit,开关执 行时间2ms,总的光倒换时间为20-50ms。其光交换的容量是每个子框2.8 Tbit/s, 一个机架装两个子框可达5.6Tbit/S容量,其内核仍是电的交换。与之相连的包交 换设备的交换能力可达19.2 Tbit/s。 Fujitsu的OADM有8个端口,每个端口16个波,目前可经配置选择波长分插,20 01年可实现任选波长分插。其OXC设备采用一种PI-LOSS开关,即通道无关插入损耗 (Path-Independent Insertion Loss)所关。输入喘口可以为32×10 Gbit/s。 ECI的OADM可工作于40波的DWDM系统,可以分插16个波长。 Lucent的WaveStar OLS 400 Gbit/s系统可以灵活地用于40×10Gbit/S或80× 2.5Gbit/S,也可以在40- 80波之间2.5Gbit/S与10Gbit/S混用。它的光分插设 备称为WAD(Wavelength Addand Drop),在直通波道中无需光放大器。 Nortel的OADM可以灵活地应用于不同的波道速率,其最大容量为:160×10Gbi t/s,或640×2.5Gbit/s,或1280×1.25Gbit/s,或2560×622Mbit/s。当采用F EC时,误码率可低于1×10-15。 Siemens也开发了 OADM和 OXC。利用光开关支持光的1+1线路保护,用OXC的自 由光保护机制对付多个故障的出现。 (7)光的大气传输为光通信增加了灵活性 Luent宣布,载送话音、数据和视频业务的2.5 Gbit/s单波道光信号可以直接 通过大气传送。传送距离到2000年3月可达2km,到2000年9月可达5km。并准备用DW DM技术将8个波道复用后,达 20 Gbit/s速率。该光束可以通过水帘,说明抗恶劣 气候的能力很强。据介绍,该系统用的是1550nm波长。系统的特点是: ·容量大:2.5-20Gbit/s; ·距离远:2-5km; ·对人眼安全:符合IEC60825; ·安装时间短:允许快速、简易安装; ·投资效率高:是光纤接人的经济的替代方式。 其主要应用是: ·要求增强带宽时(如话音、数据、Internet和CATV)的“最后一公里”解决 方案; ·提供大楼到大楼的城域链路或计算机网络; ·在没有接入条件或原带宽不能满足时提供的高效接入方案; ·光缆线路维修的临时链路或第二备用手段。 (8)光通信都要为Data传输提供解决方案 NEC在其N×2.5 Gbit/S的DWDM环中,可以连接其IX7000核心路由器(100C背板 容量)及IX5000边缘路由器(4G背板容量),而这些路由器均可提供ATM、ISDN、PO TS、WPN和VOIP等接口。其IP的传送是先映射进SDH,然后通过WDM实现的。组网能力 为5×25dB。 NEC提出了光子IP方案、STM/ATMIP方案。NEC所提供的综合业务节点可实现ATM /STM/IP的混合,节点容量可达2Tbit/s。 Lucent的40×40 Gbit/s系统,采用了具有拉曼增益的光线路放大器。其中可 以传送 DVS(Digital Video SystemS),这是MPEG2的编码信号,用VC12级联的方 式映射到SDH帧中传送。 Lucent的OptiStar OC48和Optistar OC12就是一种 IP适配卡,可以直接插人服 务器,这样服务器就可以直接连到光纤主干线路上了。而OptiStar GE1000则是全速 千兆比以太网接入的适配卡。 Nortel的OPTera PacketCore及OPTera Connect也是为 IP提供解决方案的。可 以提供10/100Base-T和千兆比以大网接口。还有Versalar15000、Versalar 2500 0M、Passport 15000等都是将光层和路由层综合在一起,能够处理多种协议,如IP /MPLS。ATM、TDM或专线等,容量可扩充至100Tbit/s以上,系统可靠性在99.999% 以上。 (9)传输设备的集成度越来越高 Alcatel的16808M 10 Gbit/s设备,在一个子框中可以容纳 2个10 Gbit/S的AD M设备,每个ADM具有512×512个VC4的交叉能力。其他SDH设备的集成度也很高,单 板普遍实现32×2Mbit/s或4×155Mbit/S。STM-16设备具有32×32个VC4的交叉能 力,可以当小型DXC使用。在后面要提到的单片2.5 Gbit/s,甚至单片10 Gbit/s 都说明了设备集成度的迅速提高。 (10)速率在10 Gbit/s以上的设备和系统都考虑了FEC NEC在其16×10 Gbit/S的海光缆系统中采用了G.975所规定的RS(Reed-So lomo,)码作为FEC码。 Alcate的1680SM 10Gbit/s设备也采用了RS码作为FEC码。 3光纤光缆 光纤光缆方面的展出内容相对较少,光纤方面主要仍是Corning的Leaf光纤和 Lucent的RS光纤,光海线需采用正负色散交替的G.655光纤。 Prilli又推出一种叫FreeLight的光纤,仍是一种G.655光纤,主要是把工作窗 口扩展到了1625nm。 此外,如前所述,Lucent新研制了LazrSPEED(tm)多模光纤,但无法了解其 技术细节。Lucent还研制了全波光纤,长飞公司研制了色散平坦光纤,这些光纤各 有所长,最关键问题是需要相应波长的光器件与之配套,才能发挥各自的特点。 光缆方面没有太多新的展示,除了接入网用的光纤带光缆之外,ADSS和OPGW在 电力部门的应用也越来越普遍,缠绕式光缆在数年前就有应用,这次亦有展出。 4微电子器件和光器件 (1)微电子器件 Lucent发布一项消息说,他们做出了仅 50 nm的晶体三极管,比人的头发还 要细2000倍。这是一种垂直型晶体管,体积比180 nm的普通水平型晶体管小,同 时它比通常的晶体管的开关速度快一倍。采用这种技术有望将集成电路,特别是 ASIC的集成度大大提高,数百万门甚至千万门的ASIC将不是梦想。 Lucent宣布做出了第一个可以把一个SDH/SONET ADM功能放在一片芯片上的 ASIC,实现了“Systm on Chip”。这种芯片采用CMOS技术,工作速率为2.5-10 Gbit/s。目前芯片有两种:TADMN42G5(和TADM0410G,分别对应于2.5 Gbit/s 和10 Gbit/s系统。 (2)光器件 Nortal宣布用最先进的技术开发出可调谐范围为15nm的DFB-LD(一般可调谐 LD的可调范围为3-5nm),对100 GHz波道间隔的DWDM系统可支持18个波长,对 50 GHz波道间隔的DWDM系统可支持36个波长。这种可调谐DFB-LD的关键技术是采 用了三段电极级联,每一段电极提供5nm的可调范围,总的连续可调15 nm。如果 将两个这样的器件耦合进同一根光纤,则可调范围可扩展为30 nm。其特点是:简 单、可控、易于生产。 Fujitsu用于DWDM的可调谐LD,是在一个基片上做8个可调谐DFB-LD,并且还 有SOA。 Lucent在其OXC中所用的光开关是自由空间光开关,是用微镜阵列(Micrro- mirror Array),构成了128×128的光开关矩阵。每个开关尺寸为0.5mm,开关间 隔为1mm,做在硅的基片上,最大规模可达1024×1024。开关时间为1ms。 Fujitsu做出了用于40 Gbit/s的LiNb03(银酸锂)外调制器。 它还研制了用于OXC的光开关,采用PLC技术,每个基片上可集成8×8的开关 矩阵。下一步要做到3×16波×3×16波,即48×48的能力。 OKI公司为DWDM研制了一系列光器件,包括: ·2.5Gbit/s WDM DFB-LD组件 ·2.5Gbit/s WDM DFB-LD+EA集成器件 ·1480nm高功率FP腔LD组件 ·1510nm监控波道DFB-LD组件 ·1625nm监控波道FP腔LD组件 ·小型封装MWQ FP LD组件 ·小型封装双向组件 ·小型封装带前放PD组件 HitaChi的光器件一直比较领先,它有成套的各种光器件,如SONET/SDH光发 射机、SONET/SDH光接收机、光收发器、并联光互连模块、塑料光纤模块等。特别 是它的16波622Mbit/s到10 Gbit/s的光发送和接收模块,为设备制造厂商提供了 很大的方便。 5光仪表、工程施工及其它 光测试仪表方面的新内容也不多,主要在两个方面: 10 Gbit/s信号分析仪,除惠普公司(现安捷伦公司(Agilent))和安立公 司(Anritsu)外,安藤公司(Ando)和万谷公司(WG)也已开发出来,但40 Gbi t/s的仪表尚未见到展示。 DWDM的测试仪表比较多,如光谱分析仪、多波长计、可调谐光源和多路光源 等。光谱分析仪的性能有较大的提高,如Agilent 86142A和86145A的分析带宽均 达到600-1700nm;实时扫描;70dB动态范围和-90 dBm灵敏度等。多波长计的波 长范围为1250-1600nm;动态范围为65dB。可调谐光源的波长范围为1500-1640 nm;输出功率达+10dBm。可以对DWDM系统进行测试,也可对系统的元器件(如ED FA)、合波/分波器、滤光器、连接器等进行测试。 当光缆的芯数逐渐加大时,光缆的接续护套能否适应光缆芯数的需要,就成 了突出的矛盾。在展览会上,有专门研制光缆施工所需器材的公司展出各种接续 护套,HellermannTrton就是其中之一。它展出了18碟片的通常束管式光缆接续 护套,适于多芯及光纤带光缆的72碟片的接续护套,每碟片可容纳54个光接头, 最大容量为2000芯。同时也考虑了光缆分支的需要,有各种多分支接续护套。 Plumett公司专门展出其气动容管的设备,其穿管的能力达1000m到3000m。 同时还有配套的器件和专用工具,也有缠绕式光缆的缠绕设备展出。 光纤熔接设备比较突出的还是多芯一次熔接的熔接机。 6结语 微电子技术、光电子技术和计算机技术的飞速发展为光纤通信技术的快速发 展创造了有利的条件。这次展览会的展示表明,近年来光纤通信技术的发展也是 日新月异,从中我们也看到了自己的差距。我国在光纤通信领域与国际水平相比, 在应用和产品方面相对来说差距还略小一些,但实验室水平的差距就太大了。其 主要原因有科研经费投入不足、高科技人才的不断流失、装备条件差等方面的问 题,也有配套基础力量弱的因素,如器件研究和制造水平差距太大,无论是微电 子器件还是光电子器件,远远赶不上国际水平。因此我们研制、开发的设备中, 主要器件都是从国外采购的。Teecom99上亮相的器件都是当前最新技术的结晶, 超高速、大容量的系统没有这些器件是无法实现的。例如40 Gbit/S(STM-256) 设备目前在国内就难以开展研究,主要问题就是没有器件,即使国外肯卖,价格 也是天价,无法问津。这些问题单靠企业本身是难以解决的,建议政府进一步重 视基础环节,并加大投入力度,为科研人员营造更为良好的研究环境,通过数年 奋斗,振兴我国的民族光通信产业。