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超高速光纤通信系统
摘要本文介绍了目前超高速光纤通信系统的几种主要实现方式，探讨了各种方式
的优点、关键技术和限制因素，并列举了一些超高速实验系统。
关键词 超高速光纤 光纤通信 WDM OTDM 光孤子 CDMA
在低损耗传输窗口，光纤具有25THz的带宽，其传输容量是非常巨大的。到90年
代初，光纤通信系统的传输速率限制在几十Gbit/s，远远低于25THz的容量，这是因
为光信号的传输有两个重要的限制因素：损耗和色散。由于损耗的存在，必须每隔50
～100km对光信号进行中继放大；色散使光脉冲展宽，脉冲之间产生干扰，限制了码
速率的提高。此外由于超高速信号的产生、传输、恢复的限制，单信道传输速率不可
能很高。
自1990年以来，有几项具有突破性的技术逐渐成熟：（1）EDFA（掺铒光纤放大
器）减小了光纤损耗的限制，能在很宽的波长范围内提供高增益；（2）WDM（波分复
用）可以在一极光纤中传输多路不同波长的信号；（3）色散管理可以在一定程度上
解决信号传输过程中色散和非线性的限制。这些新技术使光通信的速率极大的提高。
相对于实验室研究，商用系统增长也很快，预计到2001、2002年1Tbit／s的系统可以
商用化。
实现超高速光纤通信主要有以下几种方式：光频域复用，光时域复用，采用特殊
的光脉冲，采用特殊的编码方式使相同码元携带更多的信息。本文简单介绍这几种方
式的基本原理、优点、关键技术及受限制因素。1频域复用一WDM（波分复用）、DWDM
（密集波分复用）、FDM（频分复用）
光频域复用就是使不同的光载波在频率上分开。WDM、DWDM、 FDM三种传输方式
在基本原理上是相同的，只是波长之间的间隔不同，因而有不同的结构特点。在80年
代末期，采用FDM一相干检测的相干光通信一度成为研究的热点，但其苛刻的实现条
件，如光源的稳频等使其难以在现有的器件水平下得到发展。自接饵光纤放大器问世
以来，光通信的格局发生了巨大变化。EDFA改变了传统的光一电一光中继方式，它可
以同时放大一根光纤中的多路光信号，使光中继的成本大大降低，可使一垠光纤中传
输的信息量极大增加，解决了传输中的损耗问题。WDM中光波的波长间隔比较大，实
现容易，因此迅速实用化。
WDM的关键技术有：
（1）器件及设备。在WDM中有多个光载波，必须有频率稳定、多波长的光源；波
长复用解复用器；宽带增益平坦的EDFA，稳定的可调谐滤波器，大规模开关阵列，波
长转换器，光交叉连接设备（OXC），光分插复用设备（OADM）等。
（2）长距离传输中的管理。包括减小光传输中的色散，使各波长的色散相等，
减小非线性的影响等。
（3）WDM组网。包括网络结构和资源分配、维护控制。主要研究WDM网络体系结
构，在未来通信网中所处的位置；波长分配，路由选择算法；全光网络的运营维护管
理、可重构性、可扩展性等问题。
目前，WDM主要应用于点到点的通信系统中，长距离传输的限制因素有：
（1）光信噪比SNR。在长距离传输中EDFA的级联使ASE（放大的自发辐射）噪声
累积，降低了光信噪比。可以通过减小两放大器之间的距离或改善放大器的噪声指数
以改善SNR。
（2）四波混频（FWM）。在光纤中，两个或多个不同波长同向传输的信号相互混合
（FWM）会产生其他频率的信号，当信道间距相等时这种寄生的进模将引起信道串扰，
当色散接近零时FWM的影响最大。为减少FWM，必须避免采用零色散波长接近WDM信号波
长的光纤。在长距离WDM系统中，广泛采用非零色散位移光纤NZ-DSF。传统的色散位移
光纤在1.55pm色散接近O，而NZ－DSF在1.55pn的色散值一般为1-4ps／（km·nm）。避
免FWM还可采用不等间隔的WDM信道，由于FMW产生在相等的信道间隔处，所以这种方法
不能抑制FWM的产生，但却可以减少它对其他信道的影响。
（3）色散及色散斜率。色散使光信号发生畸变，产生信号畸变有两种原因，一是
发射机的寄生啁啾与色散的混合效应，另一种是光纤中的克尔效应与色散的混合，即
光纤的非线性效应。为了减少信号变形的影响，应使信号波长处的色散为零，但这与
减少四波混频的要求相矛盾。为了解决这一矛盾，可以采用色散管理技术，使传输中
采用的光纤的色散值正负交替，系统总的色散为零。色散斜率（或高次色散）使WDM不
同信道的色散不同，使系统性能下降。假设WDM信号带宽为10nm，传输距离10000km，
色散斜率为0.07ps／（km·nm），经过传输各信道累积的色散差可达7000Ps／nm。减
小色散斜率的方法有：在接收端加入色散均衡设备进行补偿，在系统中进行色散补偿，
如采用光纤布拉格光栅色散补偿器等。
2光时域复用一OTDM
OTDM（光时分复用）与电时分复用（ETDM）相似，只是将复用技术移到光频上。
通过时分复用使光纤中的码速率极大提高。OTDM相对于WDM有很多优点，其频带利用率
很高泊于WDM信道之间必须有一定的保护频带，使WDM系统的频带利用率不可能很高，
而OTDM采用超短光脉冲，单信道最高速率可达64O Gbit／s，可以充分利用频带资源。
由于传输只采用一个载波，OTDM系统可在光额上直接进行信号处理，控制管理非常方
便。
OTDM的关键技术有：超短光脉冲的产生技术，时分复用解复用技术，同步和时钟
提取技术，超高速光脉冲的传输和测量技术。
在高速TDM传输中，光脉冲宽度必须小于比特率的时隙；脉冲的谱宽应尽量窄，
由于信号的谱定决定了由色散限制的传输距离，最好采用变换极限光脉冲；为了保证
各分级结构的时钟同步，必须有一个主振荡器产生同步时钟；脉冲产生要稳定，重复
性好。产生光脉冲的方法有：增益开关半导体激光器，分布反馈半导体激光器／电吸
收调制器组合光源、半导体锁模激光器、光纤锁模激光器。NTT公司的64O Gbit/s的O
TDM传输实验就是采用环形光纤锁模激光器。
利用光纤非线性现象，如光克尔效应、四波混频（FWM）、XPM（交叉相位调制）
等可以制作光开关，OTDM中的解复用技术就基于光开关的基础上。由于电子瓶颈的限
制，在超过100 Gbit／s的传输中实现超高速的时分复用解复用，必须采用全光开关
代替电开关。
由于OTDM采用超短光脉冲进行传输，使OTDM受到以下因素的限制：长距离传输中
色散包括偏振模色散，对超短光脉冲的传输限制，使这种脉冲传输的距离有限: 器件
的不成熟，当传输速率达到20 Gbit/s，已接近半导体技术及微电子工艺的极限，必
须开发出新的、成本可以接收的器件。
3特殊的脉冲一光孤子（Soliton）
孤立波或光孤子是一种在传输过程中形状和速度均不改变脉冲状的波，一些孤立
波在相互碰撞后保持各自原来的形状和速度，好象是些粒子，所以也称孤立子。在光
纤中，光孤立子的产生是光纤中的色散和非线性效应共同作用的结果。由于光孤子脉
冲波形在传输过程中保持不变，减小了光纤色散对光纤传输速率及传输距离的限制，
可以大大提高光纤通信的传输速率。同时，利用光孤子可以实现频分复用、时分复用
及双向传输。也就是说以上讨论的WDM及OTDM技术中可以利用光孤子来传输。由SPM产
生的相移和由色散产生的相移周期性地相互抵消，使脉冲在频域和时域均不展宽。
4采用特殊的方式使相同码无携带更多的信息一光CDMA
CDMA是基于WDM和TDM之上的一种多路存取方式。它可以使相同带宽和比特率的光
信号携带更多的信息。光纤CDMA（OCDMA）中的每一位数据都被一个序列编码，每个
用户都有一个单独的序列。OCDMA适合于多用户操作，它的主要限制因素是用户间的
干扰。OCDMA适合于突发业务系统，可在光领域完成网络功能处理，比如选择地址和
路由。利用光处理和异步传输的优势和突发环境业务下的多用户接入能力，OCDMA在
LAN应用方面显示现明显优势。
基于不同的资源、编码方式和探测器可以组成不同的OCDMA系统。OCDMA有相干和
非相干处理两类，根据编码方法又可分为时域和频域两类。基于非相干处理（光强）
和宽带非相干资源的实现是较简单的，但相干处理可以将多接入用户间的互相干扰减
少到零。
在非相干时域处理系统中，多用户间的干扰是影响系统性能的主要因素。非相干
系统的地址码之间是伪正交的，比如光正交码（OOC）和素数码。自相关有一峰值、
互相关不为零。因为互相关不为零，解码器解码时，其他用户就会对信号产生干扰，
当突发用户集中时，就有很高误码率。现在一般在解码器端用硬件限幅器减少干扰。
世界各国都斥巨资研究超高速光纤通信系统，已报道的实验系统的传输速率已超
过3Tbit/s量级。
光纤通信系统的飞速发展，使超高速的数据传输成为可能。在未来的传输系统中，
必然是多种技术并存，光WDM、OTDM、孤子、CDMA都将占据一定的地位。在LAN中，OT
DM和CDMA都显示出其优越性。光时分复用和波分复用相结合在长距离传输中是比较有
吸引力的方式，既可提高单信道的码速率和每赫兹的频带利用率，又可充分利用光纤
的巨大带宽资源。面貌一新WDM和OTDM中，都可以采用孤子来传输，同时利用CDMA技
术使相同的码流携带的信息成倍提高。由于新技术的不断涌现，对光纤的巨大带宽的
充分利用已成为指日可待的事。
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