1 光傳送網
20世紀70年代，低損耗的光纖用于通信開啟了光通信的新紀元。隨后，人們用光纖光纜代替傳統通信網的電線電纜，研究光纖通信的器件和技術，相繼產生了0.85 μm、1.3 μm多模光纖通信系統，1.3 μm、1.5 μm單模光纖通信系統。很快，不管是在陸地上還是在海底都建起了光纖傳輸網，全世界敷設的光纜總長超過了幾千萬公里，傳送網的技術體制從準同步數字體系(PDH)發展到同步數字體系(SDH)，數字速率從幾百兆比特每秒發展到吉比特每秒；但由于時分復用(TDM)的技術的限制，以SDH技術為基礎的傳送網吞吐量仍然十分有限，而各種語音、數據、圖像等通信業務量猛增又要求傳送網提供更大的帶寬和容量，因此，90年代中期波分復用(WDM)技術應運而生。
WDM能夠在一根光纖上傳送多路光信號，多路信道的間隔從大于25 nm發展到小于3.2 nm，后者稱為密集波分復用(DWDM)。單波長信道速率為2.5 Gbit/s或10 Gbit/s時，采用DWDM技術就可在單根光纖上實現太比特每秒數量級的超高速、超大容量傳輸。
因特網的興起，數據業務量的爆炸性增長，推動了傳輸技術和傳送網的發展。在光纖傳輸線路上加上光放大器，形成了更大容量、更長距離的傳輸系統，從而減少了線路中光/電、電/光轉換的電中繼再生器。除了點到點的傳輸采用了光纖線路外，組成傳送網的基本網絡單元，如數字交叉連接器(DXC)、分插復用器(ADM)和終端復接器(TM)，仍然是一些電設備，并在電域中實現傳送網必須完成的信號復接、路由選擇、監測等其他功能。所以嚴格說來，這種傳送網只是對傳統電傳送網的改進。
DWDM的技術發展和應用是組建光傳送網(OTN)的關鍵[1,2]，以波分復用器件和光網絡單元，如光交叉連接器(OXC)、光分插復用器(OADM)等，組成不同的拓撲結構，提供以波長為單位的透明通道，在光域上實現光信號的傳輸、復用、路由、監控、保護等功能。這樣的網絡才稱之為光傳送網。
光傳送網和傳統的傳送網相比，具有如下優點：
(1)傳輸容量大(可適應未來B－ISDN對傳輸容量的要求)、成本低、便于網絡擴展和升級；
(2)提供透明光平臺，可作為不同信號格式、比特率和調制方式的光信號的傳輸載體；
(3)具有靈活組網能力，能對波長通道重選路由改變網絡的邏輯拓撲，可提供網絡故障恢復和監測；
(4)避免了光信號的光/電、電/光轉換及其昂貴的轉換設備，既提高了網絡單元的吞吐量，又減少了設備投資。
光網絡的這些優勢吸引了世界各國的研究機構和相關通信公司，他們投入了大量的資金和人力研究全光網絡。近10年來，相繼產生了MONET網、WEST網、PHOTON網、OPEN網、NTON網、CAINONET網等網絡[3－5]，與OTN相關的多種技術也在不斷趨于成熟。單纖的復用通道數從幾路擴大到十幾路、32路、64路、128路……單信道的傳輸速率也從幾吉比特每秒發展到上百吉比特每秒，而且2.5 Gbit/s、10 Gbit/s傳輸速率的設備已經商用。EDFA和Raman光放大技術及器件將進一步提高傳輸距離和帶寬，并降低系統成本。各種類型的光網絡單元設備正在被研制，如可任選波長分插的16波長OADM，容量為32×10 Gbit/s的OXC，可靈活配置不同的波道速率、具有不同容量(160×10 Gbit/s、640×2.5 Gbit/s等)的OADM等。因此在OTN的傳輸技術、系統器件、組網規范、標準化等方面，有許多工作等待我們去做。
2 傳輸性能
目前OTN處在組建、發展之中，存在著許多不確定的技術因素，關于它的性能描述尚無明確的規定。2001年ITU－T SG32提出了G.873“光傳送網的要求”建議，SG15提出了G.959.1“光傳送網的物理層接口”建議。中國近幾年也建立了WDM光傳輸技術和設備的相關標準，但這些建議和標準僅可為評價、規范OTN性能提供一些參考。我們在研究傳輸技術和傳輸系統時，常常以傳輸帶寬、傳輸容量、傳輸距離等來描述網絡的傳輸能力，除此之外還需要有反映傳輸信號質量好壞的評價指標。對OTN的演變、特點及其傳輸技術、系統測量等方面進行研究之后，本文認為可采用以下幾個主要的性能指標來衡量OTN的傳輸性能：
工作波段(包括了單信道中心波長及信道間隔)
波長信道數
單信道傳輸速率
信道間隔度
無中繼傳輸距離
接收信號誤碼率
接收信號信噪比
抖動(來自傳輸線路)
這些指標不但可以反映OTN的傳輸帶寬、傳輸容量、傳輸距離，還可以說明信號的傳輸質量等。現將這些指標分述如下：
(1)工作波段即為傳輸帶寬，將光纖原有的3個低損耗窗口再加上L波段、S波段及全波光纖，使光纖傳輸從1.28 μm到1.625 μm連成一片，為寬帶傳送網提供了適用的傳輸介質。
(2)單信息傳輸速率和波長信道數共同決定網絡的傳輸容量，DWDM和TDM的結合可以有效地提高網絡的傳輸容量。當光源譜線被有效利用時，可以提高單信道傳輸速率，而光纖的損耗、色散和各種線性、非線性串擾則是提高傳輸速率的主要限制。波長信道數的提高必須采取抑制非線性效應，改善WDM器件的濾波特性等措施。
(3)信道隔離度反映了各信道對串擾的抵御能力，串擾主要來自傳輸光纖的非線性效應、網絡單元器件的非理想濾波、EDFA的自發輻射等。在設計網絡系統時，首先要保證網絡單元器件的隔離度達到要求(一般為45 dB～60 dB)。
(4)無中繼傳輸距離主要與傳輸速率、光纖非線性、色散、損耗、EDFA噪聲有關，通常它只有幾十公里。研制新型光纖，進行合理的色散管理，有效地抑制非線性效應和噪聲，可以增加無中繼傳輸距離。
(5)誤碼率直接表示了信號傳輸的質量優劣，它反映了色散、非線性等各種傳輸限制共同對信號的影響，因此需要從多方面采取措施來降低誤碼率。中國建立的WDM標準中，對不同速率下的誤碼率有明確的規定:對于10 Gbit/s的光纖傳輸系統要求誤碼率小于10－9。CAINONET總體組為確保傳輸信號質量，要求誤碼率達到10－12。
(6)信噪比是另一個直接反映傳輸信號質量好壞的指標，不同的傳輸信號，對應地有不同的信噪比要求：若傳輸的是數字信號，信噪比應該達到20 dB～25 dB，而對于模擬電視信號，信噪比相應地應取為40 dB～43 dB。
(7)由光纖線路引入的抖動相對于系統中數字復接設備產生的抖動要小得多，所以迄今為止國際上還沒有關于線路抖動容限的規定。研究表明，這種抖動主要源于EDFA的自發輻射噪聲積累和光纖的各種色散非線性效應。當光信號傳輸距離達到上千公里時，光纖線路引入的抖動將影響傳輸信號的脈沖幅度和相位[6]，其大小與數字復接設備產生的抖動具有可比性，這是不可忽略的，因此對于超長距離的OTN，抖動指標是不可缺少的。
上述的主要傳輸性能指標將在OTN的發展和應用中得到檢驗。
3 主要傳輸限制
OTN能夠傳送任何業務層的信號，由于其透明性網絡中間節點不提供電處理、再生等功能，那么光信號在傳送過程的損傷就無法消除。光信號的損傷源于色散、非線性、串擾、噪聲等影響，這些影響的積累是連續的、模擬的，從而導致光信號傳輸質量下降、誤碼嚴重。這種性能惡化隨著傳輸距離的增大和網絡規模的擴大而越來越嚴重。那么對OTN有哪些主要的傳輸限制呢？下面根據現階段的技術和器件水平從光纖的損耗、色散、EDFA的噪聲積累、光纖和EDFA的非線性效應以及光網絡單元引入的線性串擾等方面進行分析[7－10]。
3.1 光纖的損耗
光纖的損耗限制了傳輸距離，雖然可以通過光放大器進行補償，但網絡中常采用多個EDFA級聯，導致信號的增益譜變寬、各波長信道的增益不均衡，加上光源波長和濾波器中心波長隨溫度漂移，使各波長通道呈現出較大的增益差，所導致的功率差若不及時地被網絡系統的功率均衡器均衡，將引起接收端某些波長通道功率過小或過高，產生嚴重誤碼或接收機過載。
3.2 光纖的色散
光纖色散使光信號脈沖展寬、光接收靈敏度下降，導致均衡困難、誤碼率增加，因此要保證通信質量，就不得不減少傳輸距離，加大碼間距，也就是說色散限制了傳輸中繼距離和傳輸速率。從色散的機理來看，有色度色散和偏振模色散兩種。當信號的傳輸速度大于等于10 Gbit/s時，必須考慮這兩種色散的影響，現已研究了多種方法對光纖的色度色散實現有效的補償，例如線性啁啾光柵可消除數千公里的長途傳輸色散，而偏振模色散具有隨機性，對它的測量、補償不是很容易。目前PMD的補償尚處于研究、探索階段。另外，不管采用什么方法補償色散，所引入的插入損耗均會限制傳輸距離。
3.3 非線性效應
組成OTN的有源、無源器件都會引入非線性影響。光纖的非線性影響較嚴重，它包括了四波混頻(FWM)、自相位調制(SPM)、交叉相位調制(XPM)、受激布里淵散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)等，其中XPM將信號的相位調制轉化為強度調制，產生的影響最大，通過增加光纖的有效面積，可減輕這種影響。FWM的影響也不小，當采用的光纖工作波長區域有較小的色散時，FWM的危害會起作用。光放大器同樣也引入XPM、FWM、SRS等非線性影響，而且XPM的影響比來自光纖的影響還要大， FWM的影響在L波段中要大于在C波段中，需要精心設計EDFA使其FWM最小化。另外，研究表明可采用最佳的光信號脈寬來抑制因XPM引入的非線性。
3.4 EDFA的噪聲積累
當EDFA放大各波長通道光信號時，對自身能級間的自發躍遷所產生的自發輻射同時也放大了，而且所引入的各波長通道噪聲指數不一致，從而導致信噪比降低，這種自發輻射噪聲還隨著EDFA的級聯數增加而增加，所以利用EDFA是無法改善信號質量的。在現有技術條件下，光電轉換對于消除噪聲積累是行之有效的。
3.5 線性串擾
OTN的基本網絡單元(如OADM、WDM器件、光開關、濾波器等)中的非理想濾波，將引起信號功率泄露，產生主信號與串擾信號處于相同或不同頻帶的同頻或異頻串擾，其中異頻串擾可以通過濾波器濾除，而同頻串擾在傳輸過程中將有相應的積累和相關性，它們引起各波長通道的功率變化、誤碼率增加。當波長通道數增加，通道間隔減少時，這種線性串擾的影響就更嚴重，即這種串擾限制了OTN的傳輸容量和規模。
這些傳輸限制對OTN的影響極大。當前OTN傳輸技術和器件的進步為解決上述傳輸限制作出了一定的努力。例如，為抑制光纖的色散、損耗和非線性效應而不斷研制出新型光纖：更低損耗的非零色散光纖、大有效面積光纖、低色散斜率光纖等；為降低線性串擾而采取了通過提高OTN基本網絡單元器件性能的措施：借助于EDFA與Raman光纖放大器混合使用，來改善其噪聲特性、提高信噪比。
4 結束語
本文所研究和確定的工作波段、波長信道傳輸速率等傳輸性能指標反映了OTN基礎技術(DWDM)的特點，能夠對OTN的傳輸性能給予主要、基本的評價。所分析的OTN主要傳輸限制是當前十分關注的研究課題。而對OTN的傳輸限制還有光源的線寬及啁啾性、光放大器帶寬及增益、信號編碼類型及碼長、輸入功率等，因篇幅所限，這里從略。
以DWDM技術為基礎的OTN向著超大容量、超長距離、超高速率的方向發展，它將充分利用DWDM的網絡資源和技術優勢，使傳輸技術和網絡設施躍上新臺階。現階段的研究和應用已顯示出OTN的發展活力和優勢，在傳輸性能方面已有顯著提高[9,10]：在國外，單信道傳輸速率10 Gbit/s已經商用并正向40 Gbit/s邁進；在國內2.5 Gbit/s已經商用并正在擴大10 Gbit/s的應用。幾十路的波長通道數已廣泛應用，實驗室水平則達到了上百、上千路，對應地信道間隔也從3.2 nm發展到0.4 nm(有報道現正在研究0.2 nm的相關問題)。實用系統的傳輸容量已達到幾百吉比特每秒，實驗室研究水平突破了太比特每秒的水平。OFC‘2001會議上報道DWDM傳輸容量已達10.92 Tbit/s。傳輸距離也從幾百公里到上萬公里。當前不斷更新的通信新技術、新器件和通信新業務的商業需求是發展OTN的巨大驅動力，在全球范圍內的多種OTN研究、實施方案正在不斷地向前推進，對OTN發展中的新問題、新限制尚需不斷地去認識，去解決。OTN的新進展必將在不斷的努力中產生。 □
參考文獻
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9 Proceedings, OFC2000: TUN2, WDD45, ME3, TuJ7, WM28, WW3, WDD38, TUG4, WS2
10 Proceedings,OFC2000: TuE, TUG4, TuJ2, ThA4
(收稿日期：2001－10－10)
作者簡介
余重秀，北京郵電大學教授，博士生導師，北京郵電大學電子工程學院光電子與光波技術研究中心主任。1969年畢業于北京郵電學院。現主要從事光纖通信、光交換、光CDMA、光信息處理及光電子技術等方面的研究。先后承擔并完成國家自然科學基金項目、國家“863”計劃項目及部級科研項目25項，曾獲國家級、部級科技進步獎多項。已發表學術論文80多篇，培養博士、碩士生20余人。目前正在進行高速DWDM光纖通信的色散調節技術、光CDMA編解碼技術、光網絡節點性能和光纖光柵技術及應用等方面的研究。