中國光纖通信實踐超摩爾定律

    30年前，改革開放的春風吹遍神州大地，也促使中國的光纖通信開始了跨越式的發(fā)展。30年來，中國的光纖通信產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了從零到規(guī)模宏大的轉(zhuǎn)變，目前已形成了從光纖光纜、光電器件到系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品品種齊全、材料和設(shè)備配套的產(chǎn)業(yè)體系，光纖光纜用量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模均位居世界前列。2005年，國產(chǎn)超大容量(80×40Gbit/s)傳輸設(shè)備在中國電信所屬的上海和杭州之間的光傳輸線路上開通，且實現(xiàn)了穩(wěn)定運行，表明我國在超高速率、超大容量光傳輸上取得了全面突破，達到世界最高的商用水平。

    30年來光纖通信的傳輸容量以超摩爾定律的速度迅速發(fā)展，不僅滿足了當代信息社會對傳輸帶寬日益增長的需求，而且對整個信息通信業(yè)產(chǎn)生了重要而深遠的影響。聯(lián)合國“1999世界電信論壇會議”副主席約翰·羅斯在論壇開幕演說時表示：“光纖通信容量每9個月會增加一倍，但成本會降低一半，比晶片變革速度的每18個月還快。”按如此瘋狂的速度發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)注定會在世界范圍的電信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中扮演極其重要的角色。

    任何一項新技術(shù)的生命力都離不開市場需求的驅(qū)動和技術(shù)本身進步的推動。光纖通信正是在信息社會對傳送網(wǎng)絡(luò)帶寬和容量的巨大需求的驅(qū)動下，實現(xiàn)了技術(shù)上的不斷發(fā)展和變革，從而在應(yīng)用中獲得巨大成功?；仡欀袊饫w通信的發(fā)展歷史，從理論研究、科學實驗、波長光纖通信發(fā)展和部署，到后來DWDM光纖傳輸系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用和光網(wǎng)絡(luò)蔚然興起，光通信在我國經(jīng)歷了從無到有、不斷壯大的過程。

研究工作探路

    我國光纖通信的研究工作起步并不是很晚。在國際上，1970年低損耗光纖和室溫條件下連續(xù)工作的半導體激光器的研制成功，拉開了光纖通信大發(fā)展的序幕。在20世紀70年代初，中國的一些研究院所及高校，如中科院硅酸鹽所、電子部23所、郵電部郵科院、機械部上海電纜研究所、北京郵電大學、上海交通大學、上?？茖W技術(shù)大學等在葉培大院士、張緒院士和黃宏嘉院士等老一輩開拓者的帶領(lǐng)下，開展了石英系光波導纖維的理論和實驗研究工作，在光纖傳輸理論、光纖光纜和光電器件的研制方面取得了可喜成果。但由于十年文化大革命的影響，在那個時期，我國光纖通信的發(fā)展速度不快，與國際上的差距在拉大。1976年，工作在0.85μm波長、速率為44.7Mbit/s的多模光纖通信系統(tǒng)在美國亞特蘭大的地下管道進行了現(xiàn)場實驗和全面性能測試。1977年，美國芝加哥的兩個電話局之間（相距7公里）開通了世界上第一個商用光纖通信系統(tǒng)，標志著光纖通信開始進入商用化階段。1977年，武漢郵科院拉出中國第一根工作在0.85μm的多模光纖，開始了第一代多模短波長光纖通信系統(tǒng)的研究。

單波長光纖部署

    30年前改革開放的政策給科技工作者極大的鼓舞，我國光纖通信業(yè)開始加速發(fā)展。在那個時期，“巴黎統(tǒng)籌委員會”（簡稱“巴統(tǒng)”）對我國進行嚴密的高新技術(shù)封鎖，中國的科技人員通過奮發(fā)圖強，自主創(chuàng)新，攻克一個又一個的難關(guān)，推動我國光纖通信快速發(fā)展。1979年，北京和上海建成了用于市話的光纖通信試驗系統(tǒng)；1982年，我國建立了國內(nèi)第一條8Mbit/s的光纜市話通信工程。隨著對傳輸帶寬需求的不斷增長，34Mbit/s、140Mbit/s、565Mbit/s的光終端機和中繼設(shè)備相繼研制成功。國產(chǎn)光電器件的性能不斷完善，光纖通信系統(tǒng)的速率不斷翻番，并迅速在我國的通信網(wǎng)中獲得應(yīng)用。原郵電部于1988年開始了八縱八橫通信干線光纖工程的建設(shè)，1989年第一條1920路（140Mbit／s）單模光纖長途干線在合肥、蕪湖間建成開通。1990年寧漢光纜干線工程建成投產(chǎn)，全長2400公里。1991年，我國停止建設(shè)長途電纜通信系統(tǒng)，做出大力發(fā)展光纖通信系統(tǒng)的決定，使我國的光纖通信在20世紀90年代一直保持著高速發(fā)展的勢頭。

    20世紀80年代和90年代前半期，光纖通信完成了兩個重要轉(zhuǎn)變。一個轉(zhuǎn)變是由短波長的多模光纖通信轉(zhuǎn)向長波長單模光纖。1.3μm的單模光纖通信具有更低的損耗和零色散，可以承載大容量信息，傳輸距離更長，因而獲得迅速發(fā)展。由于光纖在1.55μm波長的損耗最低，所以，從20世紀90年代初開始，光纖通信又向1.55μm波長發(fā)展，采用了色散位移光纖、分布反饋激光器等先進技術(shù)實現(xiàn)大容量、長距離的信息傳輸。

    另一個轉(zhuǎn)變是光纖通信由準同步系列（PDH）轉(zhuǎn)向同步系列（SDH）。SDH不僅提供了全球統(tǒng)一的速率等級、幀結(jié)構(gòu)和光接口，而且提供了強大的組網(wǎng)能力。國際上SDH設(shè)備的成熟時期正趕上我國光纖骨干網(wǎng)的大建設(shè)時期，所以在我國開始大量應(yīng)用。我國于1988年開始著手研究SDH設(shè)備，第一套SDH設(shè)備在1995年10月的日內(nèi)瓦第七屆電信博覽會上亮相。1996年，國產(chǎn)2.5Gbit/s速率的SDH設(shè)備研制成功，從而開始了用國產(chǎn)SDH設(shè)備建設(shè)我國光纖通信基礎(chǔ)設(shè)施的嘗試。

 

DWDM大規(guī)模應(yīng)用

    20世紀90年代中后期，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量爆炸式增長，如何有效增加傳輸帶寬成為業(yè)界最關(guān)注的問題，在這種需求的驅(qū)動下，DWDM技術(shù)應(yīng)運而生。

    促使DWDM迅速發(fā)展的另一因素是摻鉺光纖放大器（EDFA）的問世并迅速實用化。EDFA的高增益、低噪聲使其成為最理想的中繼光放大設(shè)備，若能將多個波長的WDM信號集中在EDFA的有效帶寬內(nèi)同時放大，便可以以較低的成本和簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大容量信息的長距離傳輸。DWDM技術(shù)可以幾倍、幾十倍、幾百倍地提高單根光纖的傳輸容量，使得DWDM+EDFA很快成為光纖通信產(chǎn)業(yè)最亮麗的風景線。

    經(jīng)過10余年的努力，中國的光纖通信產(chǎn)業(yè)已大大縮小了與國際上的差距。AT&T于1996年3月建立了世界上第一條8通道的DWDM實用化系統(tǒng)，1997年我國第一套4×2.5Gbit/s系統(tǒng)在廣州-深圳間一級國家通信干線上進行了試運行。1998年，我國首次研發(fā)成功８×２.5Gbit/s的DWDM系統(tǒng)，并于1999年建成濟南-青島DWDM國家一級干線工程。進入21世紀后，在國家863項目的支持下，我國自主研發(fā)的160×10Gbit/s、40×40Gbit/s的超大容量、超長距離（5000公里以上）傳輸設(shè)備均獲得成功。2007年中國電信啟動了1.6Tbit/s的DWDM國家一級傳輸干線項目的建設(shè)，連接上海、江蘇、廣東、湖北、江西、安徽等省市。國產(chǎn)DWDM設(shè)備不僅在國內(nèi)市場站穩(wěn)了腳跟，而且大量出口，遠銷國外。

光網(wǎng)絡(luò)蔚然興起

    信息社會對帶寬與容量持續(xù)增長的需求和傳輸容量的極大提高，必然給交換節(jié)點帶來巨大的壓力，同時也促使交換領(lǐng)域發(fā)生變革，開始引入光子技術(shù)。20世紀90年代中期，WDM光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)蔚然興起，全光網(wǎng)的研究與實驗成為熱點課題。全光網(wǎng)是指信號以光的形式穿過整個網(wǎng)絡(luò)，直接在光域內(nèi)進行信號的傳輸、再生和交換/選路，中間不經(jīng)過任何光電轉(zhuǎn)換。然而，由于光信號固有的模擬特性，同時，近期在光域內(nèi)很難完成3R中繼功能（即重新定時、整形和放大），因此，人們逐漸淡化全光的目標，轉(zhuǎn)而用“光傳送網(wǎng)”來代替。在上個世紀末和21世紀初國際上建立了多個實驗網(wǎng)，如美國MONET、NTON、WEST和ICON，歐洲的PHOTON、OPEN、METON等。1996年中國開始了全光通信網(wǎng)的研究，并于1998年分別在北京和上海研制成功全光試驗網(wǎng)，2001年建成“中國自然基金光英特網(wǎng)”（NSFCNet）和“中國高速信息示范網(wǎng)”（CANORNET）。

    進入21世紀，IP業(yè)務(wù)流量的自相似、突發(fā)、多變、不對稱等特點在通信網(wǎng)中表現(xiàn)日益突出，網(wǎng)絡(luò)運營商不僅要解決帶寬問題，還需要提升網(wǎng)絡(luò)功能，賦予網(wǎng)絡(luò)智能，這推動了自動交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）的發(fā)展。ASON最早是在2000年3月由ITU-T的Q19/13研究組正式提出的，是能夠智能化、自動完成光網(wǎng)絡(luò)交換連接功能的新一代光傳送網(wǎng)，通過控制平面的自動發(fā)現(xiàn)，信令、路由和鏈路資源管理機制實現(xiàn)連接的自動建立和刪除，并支持各種新業(yè)務(wù)的開通。

    我國在2002年由產(chǎn)學研聯(lián)合開展了ASON的研究，于2005年在上海和杭州建成3TNet（Tbit/s路由、Tbit/sASON、Tbit/sWDM）示范網(wǎng)，擁有2.8萬個用戶，為每個用戶提供40Mbit/s的帶寬，傳送1路高清電視、2路標清電視和9Mbit/s的數(shù)據(jù)帶寬。2005年后，國產(chǎn)ASON設(shè)備在中國電信、中國網(wǎng)通、中國鐵通等運營商的網(wǎng)絡(luò)上也開始了規(guī)模應(yīng)用。

超大容量超長距離繼續(xù)主導未來走向

    回顧改革開放30年，光纖通信實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，成為我國高新技術(shù)中與國際水平差距最小的領(lǐng)域之一，為通信網(wǎng)絡(luò)提供了難以想象的傳輸帶寬，成為信息網(wǎng)絡(luò)最主要的傳輸手段。在基本滿足了傳輸帶寬需求并提升了網(wǎng)絡(luò)智能后，光纖通信進一步的發(fā)展方向可能有如下幾個方面。

    第一，持續(xù)向超大容量、超長距離光傳輸發(fā)展，向支持光域交叉連接和分插復用的光傳送網(wǎng)/ASON發(fā)展。業(yè)務(wù)流量的持續(xù)增長使得我國信息通信網(wǎng)核心節(jié)點的交換容量在3～5年后達到Tbit/s量級，增加光交換層、緩解電交換的壓力勢在必行。

    第二，光與無線網(wǎng)絡(luò)的融合。RadiooverFiber已成為熱點研究課題，并由此誘發(fā)了新興交叉學科“微波光子學”的發(fā)展。用各種先進的微波光子學技術(shù)解決無線通信向超寬帶發(fā)展中的信息傳送問題已引起業(yè)界的普遍關(guān)注。

    第三，基于電路交換的光網(wǎng)絡(luò)向分組交換逐漸演變。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長，整個信息通信網(wǎng)絡(luò)由電路交換向分組交換的趨勢日益明顯，光網(wǎng)絡(luò)也不例外。融合了傳送網(wǎng)的健壯性（很強的OAM功能）和分組交換靈活性的分組傳送網(wǎng)解決方案（如T-MPLS、PBT等）已在國內(nèi)引起關(guān)注，對100Gbit/s光以太網(wǎng)、光突發(fā)交換網(wǎng)（OBS）、光分組交換網(wǎng)的研究也已開始。

    第四，各種支撐大容量信息超長距離（無電中繼）傳輸?shù)男录夹g(shù)、提高頻譜利用率的新型調(diào)制格式、各種基于高速DSP的電域補償技術(shù)等也成為業(yè)界關(guān)注的前沿研究課題。這些課題的研究必將把光纖通信的質(zhì)量和效率推向更高的水平。