我国“863”光纤通信的研发进展与发展展望

我国“863”光纤通信的研发进展与发展展望（韦乐平） 摘 要 本文旨在对8年来我国“863”光纤通信的研发进展作一简要总结与分析，并对未 来的可能发展趋势作了展望。 关键词 光通信 光传输 研发 1 前言 光纤通信的诞生与发展是电信史的一次重要革命。近几年来，随着技术的进步，电信 管制*的改革以及电信市场的逐步全面开放，特别是ip的爆炸式发燕尾服所带来的对带 宽的巨大需求，光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面，其发展速度不仅超过了 由摩尔定律所限定的交换机和路由器的发展速度，而且也超过了数据业务的增长速度，成 为近几年来发展最快的技术。 我国“863”通信主题在立项之初就认准了这一战略大方向，紧抓不放，始终作为通信 主题的基础和关键予以重点支持。八年来，光纤通信技术分项的主要研究方向集中在超高 速SDH传输和组网技术、高密集波分复用（DWDM）传输技术、全业务接入传输技术、全光联 网技术以及其他光通信前沿技术。经历八年的拼搏，目前主要课题研究所达到的水平已经 远高于立项时所确定的2000年底的奋斗目标，不仅使我国光通信的整体科研水平进入了世 界先进行列，而且也为我国在SDH领域、WDM领域、全光联网领域和全业务接入网等领域的 产业化进程作出了重大贡献。 2 光通信领域的主要攻关课题 八年来，“863”光通信领域一直紧紧跟踪着国际最新的技术进展和国内通信市场的发 展需要，及时地有前瞻性、有针对性地安排了一系列不同层次的攻关课题，为指引国内光通 信的研究发展和产业化方向，满足我国电信网建设发展的需要作出了重要贡献，成为我国该 领域技术发展战略的指南针。 八年来，光通信领域在课题安排中坚持了科技部要求的“有所为有所不为”的指导思想 ，集中力量办大事，把课题的大部分经费集中到少数几个有重大发展前景和市场需求的大课 题，同时也尽力支持了一些目前尚无市场需求，但有发展潜力的前沿性关键性课题，最后也 适当支持了一些基础性*标准的超前研究和涉及未来技术方向的软科学研究课题。 属于第一类的重大课题有： ·SDH 155 Mbit/s，622 Mbit/S和2.5 Gbit/S传输系统； ·SDH 2.5 Gbit/s自愈环系统； ·8x2.5 Gbit/s SDH波分复用试验系统； ·SDH 1O Gbit/s时分复用实验系统； ·全业务网（FSN）接入传输系统； ·16x10 Gbit/s SDH波分复用系统。 属于第二类的前沿课题有： ·全光通信试验网； ·OTDM光孤子通信关键技术研究； ·非零色散光纤的研制； ·在G.652光纤上支持等于大于10 Gbit/s信号传输的色散调节技术； ·40 Gbit/s光时分复用系统关键技术研究； ·16x10 Gbit/s宽带光纤光栅色散补偿器的研究。 属于第三类的前沿课题有： ·全业务网（FSN）接入传输系统总体技术要求； ·SDH传送网网络管理体系结构和信息模型的研究； ·超大容量波分复用系统总体技术要求研究； ·SDH 10 Gbit/s时分复用系统总体实现方案研究； ·16x10 Gbit/s波分复用系统总体技术要求研究。 3 SDH的攻关和进展 SDH传输*是一种完整严密的传送网技术*，它有全世界统一的网络节点接口， 简化了信号的互通以及信号的传输、复用和交叉连接过程；它安排有丰富的开销比特以 用于网络的管理和维护；它有统一的标准光接口，能够在基本光缆段上实现横向兼容性 ；采用SDH组网技术还可以构成具有高度可靠性的自愈环结构，确保实现业务的透明性， 目前已成为世界电信网的主要基础传输设施。 “863”光通信专家组及时抓住了这一趋势，在90年代前期就开始连续立项搞了几 个大课题，包括SDH 155 Mbit/s、622 Mbit/s和2.5 Gbit/s传输系统，SDH 2.5 Gbit/s 自愈环系统以及 SDH 10 Gbit/s时分复用实验系统。以“863”为旗帜和龙头，我国科 研开发人员打破常规，奋力拼搏，使我国在SDH技术上取得了群体突破，迅速形成产品 进入市场并在国家干线工程上获得应用，目前我国民族产业已占据了近半壁*。特别 是10 Gbit/s SDH光通信系统是当前实用化SDH系统的最高速率，在技术上具有很高的难 度，武汉邮电科学院课题组的同志们奋力拼搏，克服重重困难，以拼命的精神向这一技 术尖端冲击，终于按时圆满完成了系统样机，达到了预定的系统指标要求。这一成功不 仅使我们成为世界上仅有的少数几个有能力研制出这一系统的国家之一，而且也为我国 下一步开发16X10 Gbit/s SDH波分复用系统打下了基础。 从技术发展潜力看，SDH尚未到头，我们还计划在下一个五年内攻下40 Gbit/s的制 高点，使单波长传信速率上另一个台阶，不仅使每比特的传输成本进一步下降，而且光 谱效率也大为提高，为下一代超大容量传输网络奠定坚实的基础。 4 向超大容量波分复用系统的发展 总的看，单路波长的传输速率是有上限的，主要受限于集成电路硅材料和镓砷材料 的电子迁移率。其次还受限于传输媒质的色散和极化模色散。最后还受限于所开发系统 的性能价格比是否合算，是否有商用经济价值。因而唯一现实的进一步扩容出路是转向 光的复用方式。光复用方式有很多种，但目前只有波分复用（WDM）方式已进入大规模 商用阶段。 光通信专家组在5年前就敏锐地看到了这一大方向，一致认为大容量波分复用系统 代表了今后光通信领域的主流技术发展方向，将其列为本专业领域的主攻方向，集中资 金连续高强度地支持了8x2.5 Gbit/s SDH波分复用试验系统和16x10 Gbit/s SDH波分复 用系统两个重大课题，近来又将攻关目标提高到单向32x10 Gbit/s系统，在短短几年时 间将光纤传格容量提高了128倍。不仅使我国在WDM这一高新技术领拉在世界上占据了一 席之地，而且一度使我国在该领域的实用化水平与世界发达国家先进水平的差距缩短至 2年左右，成为我国通信领域中与世界先进水平差距最小的领域。更重要的是该项成果 在课题单位的大力支持下迅速转换为生产力，形成产品，开始现场试验和应用。在 “863”的带动和指引下，从90年代后期我国民族工业自主研制生产的（8－32）x2.5 Gbit/s SDH波分复用系统已经开始大规模装备我国的电信网络，我国WDM网的规模已经 跃居世界第二。 当然，由于我国整体技术基础较弱，科研投入不足，特别是对WDM及其后续技术在 我国整体电信技术发展战略的关键地位认识不足，未能从国家高度和产业上予以重点扶 植，近一年来我国WDM技术整体水平与世界前沿水平的差距有扩大的趋向，但我们有信 心用5年左右的时间，把我国的实用化技术水平提高到至少1.6 Tbit/s（160x10 Gbit/s）的水平，而科研水平提高到5－10 Tbit/s的水平。 5 向全光网前进 普通的点到点波分复用通信系统尽管有巨大的传输容量，但只提供了原始的传输带 宽，需要有灵活的节点才能实现高效的灵活组网能力。然而现有的电DXC系统十分复杂， 其系统开发和改进的速度要慢于半导体芯片性能改进的摩尔定律，无法跟上网络传输链 路容量每9个月翻番的增长速度。出路是转向光节点，即光分插复用器（OADM）和光交 叉连接器（OXC），靠光层面上的波长连接来解决节点的容量扩展问题。 光通信专家组在1995年就立项抓了全光通信试验网，要求采用波长选路方式实现一 个有3个光节点的全光通信试验网，研究全光网络的结构、节点结构、路由控制、波长 分区重用和波长争用等关键技术，实现基于波分的OADM或OXC的全光通信试验网。由我 国4所著名大学组成的两个南北课题组如期完成研究任务，研制出我国第一批OADM和OXC 并实现了实验室全光联网运行，使我国成为世界上仅有的几个能够独立研制这类高精尖 系统的国家之一。 1999年为了加强领导和组织多学科联合攻关，由“ 863”通信主题、“863”智能 计算机主题以及“863”光电子主题联合成立了“中国高速信息示范网”领导小组和总 体组，首次实现了跨领域联合，集中了通信。计算机和光电子方面的专家来研究开发和 实施具有下一代网络雏形的中国高速信息示范网，该网络采用透明的32x32矩阵容量为 80 Gbit/s的6个OXC互连中科院、清华、北大、北邮和电信研究院5个节点，具有7个 OADM构成的3个光自愈环作为外围，业务节点采用具有80－160 Gbit/s背板容量和20 Mbit/s转包速率的高性能核心路由器。目前各分系统已验收完毕，正在进行网络联试。 当然，目前我们的工作还是初步的，但通过这一期的工作已经为我们下一步全面启 动和开发新一代高速网络作好了准备。从OADM和OXC看，我们下一步的设想是不仅节点 容量要上一个大台阶，而且要实现可动态配置的光节点，特别是计划将MPLS应用于光层 （MPLmS）实现一体化的控制。这种方法可以使业务层上的各种业务节点动态地要求传送 网提供所需的波长，实现统一的网络控制和快速业务供给，简化了IP层与光层的集成以 及网络管理，降低了网络运行和业务拓展成本，消除了厂家专用的网络岛，有利于大规 模网络敷设。简言之，实现光层动态联网完成IP层与光层的融合将是我们下一步的重要 攻关目标。 6 新一代的干线光纤 随着光纤网容量需求的迅速增长，传输速率已经增长到10 Gbit/s乃至40 Gbit/s， 无再生传输距离也随着光纤放大器的引入而迅速延长。面对这种超高速超大容量超长传 输距离的新形势，传统的色散未移位单模光纤（G.652光纤）已暴露出力不从心的态势， 其高色散需要高昂的色散补偿代价，使系统总成本大大增加。显然，为了构筑下一代网 络的物理基础，开发和应用下一代光纤已成为必要的、有前瞻性的举措。一种非零色散 光纤，称之为G.655光纤应运而生。“863”光通信专题也适时安排了非零色散光纤的研 制并取得了初步结果，主要参数基本符合ITU的要求。然而遗憾的是未能及时将科研成 果转换为产品，形成规模生产。 7 解决全网瓶颈的长远手段——光接入网 过去几年间，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，而接入网仍然是被双绞线铜 缆主宰的原始落后的模拟系统。两者在技术上的巨大反差说明接入网已成为全网的瓶颈 。目前尽管出现了一系列解决这一瓶颈问题的技术手段，诸如xDSL系统。HFC系统。以 太网接入系统等，但都是过渡性解决方案，唯一能够从根本上彻底解决这一瓶颈问题的 长远技术手段仍然是光接入网。特别是以ATM为基础的宽带无源光网络（APON）（将 ATM和PON的优势相互结合），可以提供一个经济高效的多媒体业务传送平台并有效地利 用网络资源，代表了多媒体时代接入网发展的一个重要战略性方向。 光通信专家组没有忽略这一发展方向，早在1997年就确立“全业务网（FSN）接入 传输系统”作为攻关目标，要求结合无源光网络技术。异步转移模式技术和混合光纤同 轴技术完成一个全业务网接入传输实验系统，传输距离不小于10km。实验系统由1个宽 带数字双向传输系统和1个模拟单向广播电视传输系统混合构成，可以支持数据。电视 和话音等各种业务。 然而鉴于该课题技术难度较高，外部形势变化较大，事先困难估计不足，进展比原 计划有所推迟，目前已基本完成系统联试。 8 光时分复用技术的探索 在光复用技术中，光时分复用（OTDM）技术是继波分复用后的一种面向未来的新传 输技术，这种技术依靠在光域上将不同的信号复用在一起形成高速率的复用信号，因此 频谱效率很高，单波长已能传输速率高达640 Gbit/s的信号，突破了电的TDM的速率限 制，使光传输容量有了新的扩展领域。专家组相信将WDM与OTDM相结合是实现未来超大 容量传输系统的重要发展方向之一。为此，光通信专家组专门连续安排了两个前沿探索 性课题，即“OTDM光孤子通信关键技术研究”和“40 Gbit/s光时分复用系统关键技术 研究”，要求完成4x10 Gbit/s的光时分复用试验系统，提出并实现PMD的补偿方案，实 现100km传输。重点研究高重复率超短脉冲光源、光信号时分复用技术。WDM与OTDM结合 技术、高速复用信号的时钟提取与同步技术、色散管理技术、测试技术以及接口等关键 技术。目前已顺利通过验收，达到了预期的研究目标，使我国在这一高科技前沿领域占 据了重要的一席之地。 9 16x10 Gbit/S 宽带光纤光栅色散补偿器的研究 随着传输容量向10 Gbit/s乃至40 Gbit/s的发展，光纤的色散成为重要的传输限制 因素。目前大量采用的色散补偿技术是色散补偿光纤（DCF）。采用DCF来进行色散补偿 是一种十分简单、易行、可靠的线性无源补偿方法。能实现宽带色散补偿和一阶色散、 二阶色散全补偿，对系统参数、光源波长及波长通路的配置都是透明的。然而其衰减仍 太大，达0.5 dB/km以上，因而必须附加光纤放大器来补偿其引入的衰减，从而增加了 系统的成本。而采用能够补偿WDM传输的宽带光纤光栅色散补偿器是一种十分紧凑、低 成本、低插入损耗的新型补偿手段，将会在很大程度上影响我国WDM技术的发展进程和 干线光纤的选择。为此，我们专门安排了这一前沿性研究课题，要求完成能有效补偿容 量为16x10 Gbit/s传输距离为600km的宽带光通信系统色散的光纤光栅色散补偿器的研 制，能够演示和稳定工作。 10 *标准和软科学研究 由于通信是全程全网的操作，不是单个设备的独立运作，因此不同设备的互连互通 和全程全网的通信畅通和性能保证成为基本前提，于是网络和系统的*标准成为通信 技术和设备网络研制的基础。此外，光通信的发展由于技术的复杂和环境的变化，呈现 了多种发展趋向和发展路线，为了尽量少走弯路，需要在决定设备开发前夕仔细全面地 对各种技术路线进行深入分析比较研究，决定最适合我国的发展路线，即需要事先进行 软科学研究。光通信专家组在一开始就认识到这两方面问题的重要性并不断加强这一方 面的投入。几年来前后立项多个，使我国光通信的研究开发从一开始就纳入到比较规范 的轨道，避免了不必要的麻烦和弯路，始终在健康可靠的道路上阔步前进。 摘自《电信科学》