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全光网的主要技术及发展前景（孙志行、宋玉炎）
从1990年以来，随着光通信技术的普遍运用和WDM技术的迅猛发展，许多学者提出
了全光网的概念。
一、全光网络的含义和基本组成
全光网络是光通信网络技术发展的最高阶段，它是一个应用灵活、可靠、性能稳定
的网络，分为核心传输网、区域网和接入网3部分。其基本结构相似，都是由光传输系
统、光放大器（OA）、光插分复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）组成。光传输
系统由光源、传输介质（光纤）、光检测器组成。它具有对信号的透明性，通过波长
选择器件，实现路由选择。还具有可扩展性、可重构性和可操作性。
网络的上述性能要求信息流在网络中的传输始终以光的形式存在，而不需要经过光
／电、电／光转换，也就是说信息从源结点到目的结点的传输过程始终在光域进行。而
现阶段的光通信网络只不过是数据网和光传输网的结合。为了和现在应用中的光通信网
络相区别，我们把具有上述性能的光通信网络称为全光网。
二、全光网的主要技术
全光网的主要技术有光纤技术、SDH、WDM、光交换技术、 OXC无源光网技术、光纤
放大器技术等。
1．光纤技术
光纤是光网络的传输媒质，光纤技术的发展，直接决定着光网络技术的发展。简单
分，有单模光纤和多模光纤。当光纤的直径减小到一个光波波长的时候，光纤就如同一
个波导，光在其中无反射地沿直线传播，这就是单模光纤，否则就是多模光纤。与多模
光纤相比，单模光纤有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点。早期由于
技术原因，多使用多模光纤，现在以单模光纤为主。下面介绍一下单模光纤的特性和对
传输速率的影响。
（1）固有带宽。光纤最突出的优点是其巨大的固有带宽。仅目前可用的850nm波长
区、1310nm波长区和1550nm波长区对应的固定带宽就有约60THz，若每Hz传送1bit，则
有约60Tbit／s的容量。目前商用的10Gbit／S仅用到不足1％，潜力很大。
（2）衰减。常规单模光纤（G.652光纤，又称作色散未移位光纤或普通光纤）。
衰减随波长递增而减小的总趋势（瑞利散射效应），靠近1385urn有损耗高峰（氢氧
离子吸收损耗），1600nm以后衰减随波长增大的趋势（由弯曲和硅材料吸收引起的损耗）。
所以，一般都使用1310nm波长区和1550nm波长区。但由于最低衰减常数（0.21dB／km）
位于1550nm附近，工作在这个波长区的有源光器件发展很快，以致今天的长距离光纤传
输系统都采用 1550nm波长区。
（3）色散。色散是指光脉冲在光纤中传播的过程中会散开的现象。它会导致脉冲间
的干扰，造成不可接受的误码率，其数量和波长有关。防止这些光脉冲互相重叠的方法
之一，是增加它们之间的距离，但这要降低信号传输速率。幸运的是，人们发现如果把
光脉冲做成与余弦信号倒数相关的特殊形式，所有的色散效果都没有了，可发射上千公
里且不会产生严重畸变，这种脉冲为光凝子或光孤子。
（4）非线性效应。在DWDM系统中，由于使用了EDFA，加上工作波长数目的增加，送
进光纤的光功率增强很多，光介质在高功率的光场作用下产生非线性极化，这种极化将
作为新的波源产生辐射，即进入光纤的高光功率使光信号和光纤相互作用产生各种非线
性效应。对于DWDM系统，最大的非线性恶化是四波混合，有时也称为四光子混合，是2个
或3个光波混合产生一个以上新光波的效应，信号从原波转移到新波，从而影响信噪比。
2．SDH技术
SDH是一种光纤传输体制，它以同步传送模块（STM－1，55Mbit／S）为基本概念，
其模块由信息净负荷（payload）、段开销（SOH）、管理单元指针（AU）构成，其突出
特点是利用虚容器方式兼容各种PDH体系。SDH传输网具有智能化的路由配置能力、上下
电路方便、维护监控管理能力强、光接口标准统一等优点。
3．WDM技术
WDM在本质上讲是在光纤上实行的 FDM，即光域上的FDM技术。是为了充分利用单模
光纤低损耗区巨大的带宽资源，根据每一个信道光波频率（或波长）的不同而将光纤的
低损耗窗口划分成若干个信道的技术。
WDM技术是把光波作为信号的载波，在发端采用波分复用器（合波器）将不同规格波
长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输；在接收端再由一波分复用器（分波器）
将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可
以看作是相互独立的（不考虑光纤的非线性效应），从而在一根光纤内可实现多路光信
号的复用传输。
4．光交换技术
光交换可省去光电转换过程，充分利用光通信的宽带特性。有空分（SD）、时分
（TD）、波分（WD）3种类型。空分光交换是由开关矩阵实现的，开关矩阵节点可由机械、
电或光进行控制，按要求建立物理通道，使输人端任一信道与输出瑞任一信道相连，完
成信息的交换；时分光交换的关键是开发高速光逻辑器件；波分光交换则是信号通过不
同的波长选择不同的分路来实现由波长开关进行交换。波分光交换由波长复用器、波长
选择空间开关和波长互换器组成。
5．光交叉连接（OXC）
OXC是用于光纤网络节点的设备，通过对光信号进行交叉连接，能够有效灵活地管理
光纤传输网络，是实现可靠的网络保护／恢复以及自动配线和监控的重要手段。OXC主要
由光交叉连接矩阵、输人／输出接口、管理控制单元等模块组成。光交叉连接矩阵是OXC
的核心，它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠性。OXC也有空分、时分、波分3种类型。
若将空分与波分相结合，可大大提高光交换矩阵的灵活性。
6．无源光网技术（PON）
无源光网可看作是由无源光器件组成的光分配网，多用于接入网部分。它以点对多
点方式为光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）之间提供光传输媒质，而这又必须使用
多址接入技术。目前使用中的有时分多址接入（TDMA）、波分复用（WDM）、副载波多址
接入（SCMA）3种方式。PON中使用的无源光器件有光纤光缆、光纤接头、光连接器、光分
路器、波分复用器和光衰减器。拓扑结构可采用总线形、星形、树形等多种结构。
7光纤放大器技术
光纤放大器技术就是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土元素（如何、钛、港等），
通过激光器提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大。光纤放大器有掺铒光纤放大
器（EDFA）和掺话光纤放大器（PDFA）两种。下面以EDFA为例说明光放大技术的原理。
EDFA主要由接饵光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器和隔离器组成。EDFA利用掺饵光纤
的非线性效应，把泵浦光输入到掺饵光纤中，使光纤中的饵原子的电子能级升高。当高
能级电子向低能级跃迁时，向外辐射出光子。当有光信号输人时，辐射光的相位和波长
会自发与信号光保持一致。这样在输出端就可以得到功率较强的光信号，实现光信号放
大。信号光在接约光纤的输出过程中可不断被放大。
三、各种技术的发展动向和应用前景
光纤技术上，现在一方面开发出了色散补偿光纤（DCF）来补偿常规单模光纤高的色
散值；另一方面，又出现了一种新型光纤——G.655光纤（即非零色散光纤人可以通过设
计光纤折射率剖面，使零色散点移到1550nm窗口，从而与光纤的最小衰减窗口获得匹配，
得到了1550nm窗口的最小色散值和最小衰减，避开了零色散区，避免了四波混频现象，
比较方便地开通了多波长DWDM系统。即使单波长传输10Gbit／s TDM系统，色散受限距离
仍可达300km左右。而光孤子必须考虑非线性效应与色激效应的精确平衡，因此系统的实
际维护和运行还有困难，短期内不会成为发展主流。
据悉，朗讯公司光纤制造部门已经消除了1385nm附近的氢氧离子吸收损耗高峰，生
产出了全波长光纤。并且，由于掺铒纤放大器（EDFA）的开发和商用，实际上，衰减对
光纤传输速率和距离的限制已不存在。
到目前为止，几乎世界上所有的数据传输网络部采用SDH技术，应用中的DWDM系统也
是基于SDH的，即N×2.5Gbit／s的SDH系统，主要用于解决扩容问题。从理论上讲，WDM
技术可以利用的单模光纤带宽可达到200nm，即25THz，按照波长间隔为0.8nm（1OOGHz）
计算，可开通200多个波长的WDM系统。而目前应用中的WDM系统彼长复用数通常为32左右，
所以光纤的带宽远远没有利用，WDM技术的出现正是为了充分利用这一带宽，而光纤本身
的宽带低损耗特性也为WDM技术的应用和发展提供了条件。
空分光交换技术中，构成光矩阵的开关以铌酸锂定向耦合器最为引人注目；时分光
交换系统能与光传输系统很好配合构成全光网，其技术研究进展很快；最近开发出一种
太比级光波分交换系统，波分复用数达到128，最大终端数为2048，复用级相当于1.2Tbit／s
的交换吞吐量。目前波分与空分OXC技术较成熟，时分技术尚待发展，若将波分与空分技
术结合，可大大提高交叉连接矩阵的容量和灵活性。
无源光网技术（PON）在现阶段主要应用于接入网中，基于ATM的PON即APON被认为是
实现B－ISDN最经济、有效的途径。在APON中使用WDM技术能很容易的引进新业务，代表
了接入网发展的一个重要方向。EDFA的重要技术课题之一是要求在全部带宽内提供平坦
的增益特性，保证每路波长的增益相同，防止路际串扰。 EDFA的商用标志着光纤通信技
术的又一场革命，它将广泛应用于长距离、大容量、高速率的通信系统和接入网，以实
现多路服务的传输，它将以其独特的性能为信息传输开辟出一个崭新的信息世界。
摘自《现代通信》
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