1 国家的创新战略与光网络
促进科技创新是国家战略。一般国家的发展道路
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发达国家以现代服务业为主收入，而现代服务业必须依托信息技术，现代服务业的主要特征，就是依托信息技术和现代管理。因此，信息产业是现代服务业的根本。基于下一代信息网络的现代服务体系（即e-Service），基本框架如图1所示，注意上面图中，其中间那个圆，就是光网络为基础构建的，也就是说，信息技术必须依托光网络。
图1 现代服务业的基本构架。
这里的光网络，是指以光纤为传输媒介的通信网络。当前信息传输系统有两大核心技术，光纤通信和无线通信。光纤通信――极大带宽；无线通信――无处不在。光纤通信具有频带宽，容量大的特点。单模光纤在1200nm至1600nm波长范围内衰耗很低，一般在0.3dB/km左右，频带超过50THz。这一频带宽度超过了目前世界上所有通信技术使用到频带好几个数量级。技术上，设最高频谱效率为0.8b/s/Hz，可安排500路40Gb/s，光纤容量可达20Tb/s。因此，一根光缆（多纤）的总容量可达Pb/s量级（1P＝1000T=1015）。所以说，光纤仍是保证通信大容量扩展的最佳媒介。
光网络技术通常可分为光传输技术、光节点技术和光接入技术，它们之间有交叉和融合。本文试图较全面阐述未来五至十年内光网络发展趋势，以及影响光网络发展的各方面的相互关系。
2 光传输技术
光传输技术解决干线网所需的容量，而超大容量将成为下一代网络的基本特征。大容量的光传输技术，主要和成熟的是DWDM（密集波分复用）。
2.1 DWDM的技术趋势
光传输系统的主要和成熟的技术是DWDM，目前商用的DWDM系统已经实现1600Gb/s容量（160波、每波道速率10Gb/s）、3000km超长距离传输。主要的技术发展趋势是：①扩展传输光纤的可用带宽。随着光纤制造技术的进步和激光源制造技术的发展，可用于光通信的波长带已经由最常用的C波带发展到L波带、S波带乃至全波段。②压缩相邻光波长之间的间隔。大容量密集波分复用系统相邻波长间的间隔在短短的几年时间内经历了由200GHz、100GHz、50GHz乃至25GHz的演变，每前进一步系统可容纳的波长数就可以增加一倍。③单波长传输速率不断提高。电时分复用的速率在短短的不到10年的时间内从155Mb/s到10Gb/s乃至40Gb/s发展。④采用ULH（超长距离）技术，延长无再生中继距离。
2.2 光城域技术
城域网(MAN，Metro Access Networks)起源于计算机网，作为计算机的局域传输互连。随着数据业务的兴起，各类不同背景的运营公司将其发展为区域性多业务通信网，而其关键特征是公用多业务网。城域网技术就是多业务传输平台（MSTP），以传输为主，但含有交换的成分，即含有节点技术，是传输技术与节点技术融合的平台。MSTP主要有三大类：第一类以SDH为核心的SDH-MSTP；第二类以分组交换为核心的Package-MSTP，主要指以太网；第三类以WDM基础的城域WDM。
SDH-MSTP。SDH技术是目前国家通信基础设施的核心技术，现网运行的SDH设备占传输系统总量的80%以上。因此SDH-MSTP仍将在相当长的一段时间内占据城域网建设主体的地位。发展趋势是提供更丰富、更经济的多业务承载能力。目前，已经实现的技术包括VC级联和虚级联、链路容量调整方案（LCAS）和GFP/LAPS/PPP等标准封装协议。通过引入VC级联与虚级联以提高传输带宽分配的灵活性和使用效率；通过对LCAS的支持以实现虚级联承载业务时多径传输的保护能力和潜在的带宽动态调整的可能性；通过支持GFP/LAPS/PPP等标准封装协议以保证由不同厂家设备承载的以太网业务实现互联互通。具有更高的智能也是基于SDH-MSTP的一个重要的发展方向，实现带宽按需分配，进一步将客户层网络对带宽需求的变化和节点的带宽调整动作关联起来，逐步向ASON演进。
Package-MSTP。基于分组的多业务传送技术是城域网从计算机网发展而来的本来方式，技术比较成熟（简捷、高效），但局限也比较明显（安全、服务质量）。现发展为三种方式：改进的以太网技术、弹性分组环（RPR）技术和工作于RPR的MAC层之上的MSR（多业务环）技术。改进的以太网技术主要手段就是在以太网帧外再加帧进行包装，新加的帧提供服务质量（QoS）保证。RPR技术借鉴SDH的环路保护技术，适合于以数据业务为主、TDM（时分复用）业务为辅的网络，随着数据业务日益成为业务的主体，其应用范围会逐渐扩大。MSR技术不仅和RPR融合，而且通过支路（业务；如以太网、FR（帧中继）、G.702等）以及赋予支路不同的特性，提供了诸多电信级的功能。
WDM-MSTP。WDM系统，在具有大容量特点的同时，还具有组网灵活、易扩展和易管理等优点。城域WDM系统包括城域DWDM和CWDM（粗波分复用）。城域网WDM逐步演进为OADM光自愈环，最终引入OXC互连大量的光自愈环形成光网状网结构，从而带来网状网结构的大量好处，引入ASON功能实现动态分配部署波长提供端到端波长业务。CWDM与DWDM在原理上完全相同。CWDM以扩大波长间隔，减少波长数量作为代价，降低成本。
3 光节点技术
3.1 光交叉技术
现在WDM技术的研究方向主要有两个：一个是朝着更多波长、单波长更高速率的方向发展；另一个是朝着WDM联网方向发展。点到点的DWDM系统只提供了原始的带宽，在竞争激烈的市场中，按需分配容量、个性化业务和成本低等是竞争的优势，因此业务提供者需要与此相适应的方案，需要提供灵活的交叉节点才能更好地满足对传输容量和带宽的巨大需求，具有全光交换能力的光交换节点，主要研究集中在OXC、OADM器件以及由这些器件构成的系统上，它可以在此基础上形成具有全光交换能力的产品。
3.2 光交换技术
光交换技术是指不经过任何光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换技术可分成光路光交换类型和分组光交换类型，前者可利用OADM、OXC等设备来实现，而后者对光部件的性能要求更高。由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的分组光交换单元还要由电信号来控制，即所谓的电控光交换。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。
3.3 智能光网络技术
智能光网络是光网络的技术发展方向，通过研究智能化的光联网技术，可以解决面向未来互联网在光层上动态、灵活、高效的组网问题。具体体现就是ASON技术。现在主要研究的问题集中在多粒度光交换、动态波长选路与连接类型、接口单元(NNI、UNI)、业务适配与接入、自动资源发现、控制协议、接口与信令、链路监控与管理、组网与生存性、核心功能软件与网络管理系统等关键技术。
4 光纤接入技术
4.1 接受光接入网的充分条件
光接入技术的发展，与成本（经济性）的关联太密切。骨干网和城域网的传输设备和节点设备，其价格对老百姓用户是隐性的，而光接入技术的成本对老百姓用户是显性的、直接的。因此，相比干线网络技术，接入网的发展相对较慢。接入网的带宽基本停留在窄带水平，根本原因是缺少两个充分条件，一个是能够吸引家庭客户且能够承受费用的实时宽带业务，另一个是对家庭用户来说可以与铜线接入成本相当甚至更低。
现在的接入技术手段，如xDSL（数字用户环路，Digital Subscriber Loop）系统、HFC（混合光纤同轴电缆，Hybrid Fiber Coaxial）系统、以太网接入系统和宽带无线接入系统，都基于铜缆或微波频段的接入，受到传输媒质、无线频谱和技术体制的先天限制，这些接入方式不能从根本上最终解决用户的宽带接入需求。一旦上述的两个充分条件有一个达到，则唯一能够从根本上彻底解决带宽需求的长远技术是光纤接入网。
4.2 光纤通信的大同世界－FTTH
光纤接入技术已广泛应用到汇聚层，而应用到接入终端，即光纤到户（FTTH）是发展目标。可以分为有源光纤接入和无源光纤接入两类。有源光纤接入类似铜线以太网的接入技术。无源接入主要有采用ATM技术的APON、采用以太网技术EPON和采用GFP封装的GPON，统称为xPON。
FTTH的发展是一个国家，一个社会根本信息化程度和竞争力的体现，FTTH的发展对于光通信市场的带动有着不可低估的巨大作用，FTTH的出现导致的宽带生活甚至将深刻影响到我们根本生活方式。因此说FTTH的发展不仅是信息领域的事，它更是国民经济领域，社会生活领域的变革的前奏。
5 光网络的新技术演进
5.1 二十一世纪光纤通信的挑战
现行光网络系统都采用IM/DD（强度调制/直接检测）模式，即利用了光子的强度特性，而光子的其他特性，如相位频率、相干性、以及量子特性等，却被这种单一的模式“埋没”了。显然，利用光子的其他特性开创实用技术来构建新的光子网络是二十一世纪的挑战。
为了全面利用光子作为信息载体的优越性，要开拓的新模式有相干光通信和量子光通信。相干光通信的主要优点体现在检测灵敏度，它比IM/DD系统高30dB以上。相干通信是技术基础成熟而不能实用，它有待于PIC/PEIC（光子集成/光电子集成）技术的发展。量子光通信是利用光子的量子特性的最理想的通信模式，然而，它还处于技术基础研究阶段。
5.2 光网络技术软硬两方面的发展
今后的十年，光网络技术仍然是以现在已有的技术为出发点的。光网络技术的发展体现在两个方面，在硬技术实现上是全光网，在软技术实现上是智能网。
全光网的发展，包括光纤放大器与光纤激光器、光纤光栅光子器件、光子回路、全光纤集成等。在这方面，很多进展取决与光器件的进展。
在具备了WDM能力之后，光传送网络第一次拥有了在光层直接交叉组网的能力，ASON的核心就是本身具备的智能性，第一次在光网络中实现了光信道建立的智能性。即ASON在不需要人为管理和控制的作用下，可以依据控制面的功能，按用户的请求来建立一条符合用户需求的光通道。这一前所未有的革命性进步为光网络带来了质的飞跃。
6 光纤器件技术发展
光纤网络体系是未来光通信的主流发展方向，而光网络技术目前的发展，很大程度上取决于光纤器件技术的发展。而光纤器件技术本身的发展，取决于成本（经济性）。这是与前二十年、特别是前五年最大的不同。器件发展主要有：支持智能化的光可变换器件，包括可调谐光源、可调谐光滤波器、全光波长转换器、光可变衰减器等；支持全光网实现的平面光波导技术；以及新一代的光电子材料――光子晶体及其光子晶体光纤（PCF）。
6.1 光可变换器件
波长可调谐光源可任意控制信道波长，方便准确地控制频道间隔，其特性要求包括快速调谐速率，宽的调谐范围。它可实现快速配置、波长转换、可重构的OADM以及光开关、保护和恢复的功能，是智能光网络的催化剂。
可调谐光滤波器有两个主要应用，一个是作为光性能监测（OPM）的基础，只需要通过可调谐光滤波器，将要处理的波长筛选出来即可监测。另一个是在可调OADM和OXC方面应用，通过可调谐光滤波器来取代波分复用器将要下载的波长筛选出来。
全光波长转换器波长转换将成为光网络节点中的一个基本功能，可进行透明的互操作、解决波长争用、波长路由选定，以及在动态业务模式下较好地利用网络资源。尤其是对大容量、多节点的网状网，采用波长变换器能大大降低网络的阻塞率。
光可变衰减器（VOA）阵列及可调光功率分配器是下一代智能化光通信网络发展的关键之一。出现了各种新技术的光可变衰减器，包括MEMS（微型机电系统，Micro Electro-Mechanical System）技术、液晶技术、波导技术和聚合物材料光栅等。光可变衰减器阵列可以构成DCE(Dynamic Channel Equalizer)、VMUX(VOA+MUX)、OADM等光器件的核心部件。
6.2 平面光波导技术
平面光波导（PLC，Planar Lightwave Circuit）技术以其成本低、便于批量生产、稳定性好、易于集成等诸多特点，被认为是光通信产业的明日之星。PLC技术可以为光网络提供光功率分配、光开关、光滤波等各种功能的器件，为组建更为复杂的光网络提供了必要的基础。另外，PLC技术为混合集成提供了可靠的平台，可以将诸如激光器、探测器、OEIC（光电集成）与各类无源PLC器件集成到一起，这种集成极大地降低了器件成本，促进FTTH的发展。同时混合集成技术的研究也必将为更高度的光电集成提供技术基础，从而在下一代通信系统中扮演重要角色。
6.3 光子晶体
光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通信上也有重要的用途，被认为是新一代的光电子材料。综合利用光子晶体的各种性能，可以制作光子晶体全反射镜、光子晶体无阈值激光器、光子晶体光波导、光偏振器、光开关、光放大器、光聚焦器等等。目前光子晶体的研究更多的还是处在实验室制作阶段以及理论分析阶段，离实用有一定的距离，其最大的限制就是制作难度很大。相对而言，一维光子晶体制作工艺要简单，一个特定实用就是偏振分离器/合成器(PBS/PBC)。结合液晶或磁光旋光器以后，纳米光学晶体可用来构成光开关、VOA、光循环器、Interleaver、光路由器等各种各样的光通信用基本器件。
PCF（photonic crystal fiber）是在石英光纤上规则地排列空气孔，而光纤的纤芯由一个破坏包层周期性的缺陷态构成，从光纤的端面看，存在周期性的二维光子晶体结构，并且在光纤的中心有缺陷态，光便可以沿着缺陷态在光纤中传输。光子晶体光纤作为下一代传输光纤具有，1)超低的损耗，目标0.05dB/km，现在1.72dB/km；2)在很宽的频率范围内支持单模传输，通过合理的设计可以支持任何波长光波的单模传输；3)光子晶体光纤的纤芯面积可能大于传统光纤纤芯面积的10倍左右，这样就允许较高的入射光功率；4)可灵活地设计色散和色散斜率，提供宽带色散补偿，可以把零色散波长的位置移到1000nm以下。
7 光网络是宽带通信网的必然发展
光网络正从高速大容量传输向智能化方向发展，要求光网络更灵活、面向用户和成本更低。光网络功能和性能的进步主要取决于所用的光电子器件。器件的先进性、可靠性和经济性会直接影响到系统设备乃至整个网络的生命力和市场竞争力。
由于构成光网络的光纤的频带宽，容量大，因此光网络技术使宽带通信网实现成为可能，光网络技术的发展极大地支持宽带通信网的发展。通信的宽带化，宽带通信网的光纤化，是通信技术发展的历史的、必然的趋势。
作者简介：杨铸，男，教授级高工，武汉邮电科学研究院副总工程师，主要研究方向为超大容量DWDM光网络。
