第1章 光纤通信基础

1.1 光纤通信技术发展

1.1.1 光通信发展史

1.周幽王烽火戏诸侯——古老的光通信

什么叫光通信？光通信是利用光波作为载体来传递信息的通信。

广义地说，用光传递信息并不是什么新鲜事。早在公元前2000多年，我们的祖先就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟火传递受到入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来救援，这种土丘叫作烽火台，它就是一种古老的光通信设备。其中“周幽王烽火戏诸侯”的故事流传甚广（见图1.1.1），昏君周幽王为了让自己的爱妃开怀一笑，在无敌情的情况下，点燃烽火令各路诸侯派兵救援。然而当真正有敌人入侵时，再一次点燃烽火时，却没人理会。

另外，夜间的信号灯、水面上的航标灯也是古老光通信的实例。

2.中华民族对世界光学事业的贡献

谈到中华民族对世界光学事业的贡献，可以追溯到公元前3世纪，我国周代就会用凹透镜向日取火，可以说是奥林匹克向日取火的鼻祖，而西方国家直到公元13世纪才相传有人用了3年时间，用金属磨成一个凹面镜，在太阳光下取火，这比我国至少落后十几个世纪。还有公元前400年，我国先秦时代伟大的学者墨翟在他的《墨经》里就对光的几何性质在理论上做了比较完整的论述，它比欧几里得著的《光学》也早100多年。

3.谁发明了光电话

1876年，美国人贝尔（Bell）发明了光电话，他用太阳光作光源，通过透镜1把光束聚焦在送话器前的振动镜片上。人的嘴对准橡胶管前面的送话口，一发出声音，振动镜就振动而发生变形，引起光的反射系数发生变化，使光强度随话音的强弱变化，实现话音对光强度的调制。这种已调制的反射光通过透镜2变成平行光束向右边传送。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传送来的光束反射到处于焦点的硒管上，硒的电阻随光的强弱变化，使光信号变换为电流，传送到受话器，使受话器再生出声音。在这种光波系统中，光源是太阳光，接收器是硒管，传输介质是大气，如图1.1.2所示。1880年使用这种光电话传输距离最远仅213 m，很显然这种系统没有实用价值。

4.谁发明了激光器

用灯泡作光源，调制速度非常有限，只能载运一路音频信号。

1960年，美国人梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石激光器，之后氦-氖（He-Ne）气体激光器、二氧化碳（CO₂）激光器也先后出现，并投入实际应用，给光通信带来了新的希望。激光（LASER）是取英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的第一个字母组成的缩写词，意思是受激发射的光放大。这种光与燃烧木材和钨丝灯发出的光不一样，它由物质原子结构的本质所决定，频率很高，超过微波频率一万倍，也就是说它的通信容量要比微波大一万倍，如果每个话路频带宽度为4kHz，则可容纳100亿个话路。而且激光的频率成分单纯、方向性好、光束发散角小，几乎是一束平行的光束，所以对光通信很有吸引力。

5.最早的光通信系统

自贝尔发明光电话后，有人又用弧光灯代替日光作为光源延长了通信距离，但还是只限于数千米。在第一次世界大战期间，曾使用弧光灯作发射机，通过声生电流对其光强进行调制；使用硅光电池作接收器，当调制后的光信号照射到硅光电池的PN结上时，通过光伏效应就在外电路产生变化的光电流，在晴好天气通信距离可达8km，如图1.1.3a所示。当光电管出现后，人们又用它作为接收器，将调制后的光信号还原成电信号。光电倍增管中有电压逐级提高的多级阳极，其工作原理就是利用电子多级加速发射使外电路的光生电流放大而工作的。

实验表明，用光波承载信息的大气传输进行点对点通信是可行的，但是通话的性能受空气的质量和气候的影响十分严重，不能实现全天候通信。

为了克服气候对激光通信的影响，人们把激光束限制在特定的空间内传输，因而在1960年提出了透镜波导和反射镜波导的光波传输系统，如图1.1.3b和1.1.3c所示。这两种波导从理论上说是可行的，但是实现起来却非常困难，地上人为的活动会使地下的透镜波导变形和振动，为此必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。使用光纤的现代光纤通信系统如图1.3.3d所示。

6.光纤是怎样传光的

大气传输容易受到天气的影响，透镜波导传输又容易受外界影响产生变形和振动，由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，所以光通信的研究曾一度走入低潮。

那么能不能找到一种介质，就像电线电缆导电那样来传光呢？

古代希腊的一位吹玻璃工匠观察到，光可以从玻璃棒的一端传输到另一端。1930年，有人拉出了石英细丝，人们就把它称为光导纤维，简称光纤或光波导，并论述了它传光的原理。接着，这种玻璃丝在一些光学机械设备和医疗设备（如胃镜）中得到应用。

现在，为了保护光纤，在它外面包上一层塑料外衣，所以它就可以在一定程度上弯曲，而不会轻易折断。那么，光能不能沿着弯曲的光纤波导传输呢？答案是肯定的。

光纤由纤芯和包皮两层组成，它们都是玻璃，只是材料成分稍有不同。一种光纤的芯径只有50～100μm，包皮直径为120～140μm，所以光纤很细，比头发丝还细。假定光线对着纤维以一定入射角射入光纤，如图1.1.4所示，当光线传输到芯和皮的交界面上时，会发生类似镜子反射光的现象，又一次反射回来。当光线传输到光纤的拐弯处时，来回反射的次数就会增多，只要弯曲不是太厉害，光线就不会跑出光纤。光线就是这样在光纤内往返曲折地向前传输。

7.光纤通信的鼻祖——高锟

看来，用光纤来导光进行光通信的问题似乎已解决了。其实问题并没有那么简单，因为用普通玻璃制成的光纤损耗很大，每千米就有3000dB，记作3000dB/km。这样的光纤，当光通过100 m后，它的能量就只剩下了百亿分之一了。所以，要想用光纤进行通信的关键问题是如何降低光纤的损耗。

但是到了20世纪60年代中期，情况发生了根本的变化，而且这种变化还是由一位华人引起的，他就是高锟！早在1966年7月，英籍华人高锟发表了具有历史意义的关于通信传输新介质的论文（Kao K C,Hockhem G A. Dielectric-fiber surface waveguide for optical frequency. Proc. Inst. Electr. Eng.,1966,113（7）:1151）。当时他还是一个在英国Harlow ITT实验室工作的年轻工程师，他指出利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径，从而奠定了光纤通信的基础。在高锟早期的实验中，光纤的损耗约为3000dB/km，他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，而是由材料中的杂质离子的吸收产生的，如果把材料中金属离子含量的比重降低到10-6以下，光纤损耗就可以减小到10dB/km，再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步把光纤的损耗减小到几dB/km。这种想法很快就变成了现实，1970年，光纤进展取得了重大突破，美国康宁（Corning）公司成功研制损耗为20dB/km的石英光纤。目前，一种超低损耗光纤在1550nm波长附近的损耗仅为0.149dB/km，接近了石英光纤的理论损耗极限。图1.1.3d表示目前正在应用的利用光导纤维进行光通信的示意图。

在光纤损耗降低的同时，作为光纤通信用的光源，半导体激光器也出现了，并取得了实质性的进展。1970年，美国贝尔实验室和日本NEC先后成功研制出室温下连续振荡的GaAlAs双异质结半导体激光器，1977年半导体激光器的寿命已达到10万小时，完全满足实用化的要求。

低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的研制成功，是光纤通信发展的重要里程碑。

20世纪90年代，掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA）的应用迅速得到了普及，用它可替代光-电-光再生中继器，同时可对多个1.55μm波段的光信号进行放大，从而使波分复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）系统得到普及。光通信发展的简史如表1.1.1所示。

进入21世纪以来，由于多种先进的调制技术、超强前向纠错（Forward Error Correction,FEC）技术、电子色散补偿技术等一系列新技术的突破和成熟，以及有源和无源器件集成模块大量问世，出现了以40Gbit/s和100Gbit/s为基础的WDM系统的应用。

在现已安装使用的光纤通信系统中，光纤长度有的很短，只有几米长（计算机内部或机房内），有的又很长，如连接洲与洲之间的海底光缆。20世纪70年代中期以来，光纤通信的发展速度之快令人震惊，可以说没有任何一种通信方式可与之相比拟。光纤通信已成为所有通信系统的最佳技术选择。由于高锟（Charles K. Kao）在开创光纤通信历史上的卓越贡献，南京紫金山天文台于1996年以他的名字命名了一颗小行星（编号为3463）——“高锟星（Kaokuen）”，如图1.1.5a所示；1998年国际电气工程师学会（IEE）授予他荣誉奖章。2009年10月6日，瑞典皇家科学院又授予高锟2009年度诺贝尔物理学奖。

1.1.2 高速光纤通信系统进展

在光放大器带宽有限的情况下，为了扩大传输容量，科学家们从两个方向提高频谱利用率，即每单位频谱（Hz）每秒（s）传输的比特数（bit/s/Hz）。第一个方向是在发送端使用频谱整形技术，尽可能减小光信号的光谱宽度使之接近符号率（见8.4节），这样信道间距也就可以减小到接近符号率。第二个方向是采用每符号携带比正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying,QPSK）调制更多比特的多阶正交幅度调制（m-ary Quadrature Amplitude Modulation，mQAM），如8QAM、16QAM、32QAM甚至64QAM（见4.7.4节）。8QAM每个符号可以携带3bit信息；16QAM每个符号可以携带4bit信息（见图1.1.7）；64QAM每个符号携带6bit信息。一般来说，2m-QAM可以携带log₂2m bit信息。如果使用偏振复用（Polarization Multiplexed,PM），则每个符号携带的比特数加倍。

为了减小光纤衰减系数，扩大传输距离，减小非线性影响，提高光信噪比，可增大光纤有效芯径面积（见2.1.3节）。使用大有效芯径面积（150μm2）光纤和偏振复用归零码QPSK调制，有人实验研究了相干光40Gbit/s跨洋距离传输，当传输距离为10000km时，频谱效率可以达到3.2bit/s/Hz，实验中没有对光纤的色散进行补偿，最后只用数字信号处理（Digital Signal Processing,DSP）技术进行了色散补偿。

使用数字信号处理技术，可显著提高受光纤色度色散（Chromatic Dispersion,CD）、偏振膜色散（Polarization Mode Dispersion,PMD）和非线性效应影响的单信道密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM）的系统性能（见8.2节）。

使用超强前向纠错技术（Super Forward Error Correction,SFEC），可纠正光纤通信系统传输产生的突发性长串误码和随机单个误码，提高接收机灵敏度，延长无中继传输距离，增加传输容量，放松对系统光路器件的要求。它是提高光纤通信系统可靠性的重要手段（见8.1节）。

采用C+L波段EDFA中继器，可使增益带宽达到66nm（见6.3.5节）。通常，C波段EDFA增益带宽只有20～30nm。混合使用分布式拉曼放大和EDFA，可进一步扩大增益带宽。

采用传输光纤受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering,SRS）放大，在1430～1502nm波长范围内，采用4种泵浦源对C+L波段EDFA泵浦，在1536.4～1610.4nm波长范围内，信号增益带宽可以达到74nm，这种系统比C+L波段的EDFA放大中继系统的结构更简单。在这么宽的范围内，已实现了DWDM信号7400km无电中继传输。该系统使用240个波长，波长间距37.5GHz，每个波长携带12Gbit/s的信号。

2017年5月报道，日本电气公司NEC（Nippon Electric Company）使用C+L波段EDFA、32QAM调制，在11000km海底光缆单根光纤上实现了50.9Tbit/s的传输容量、6.14bit/s/Hz的频谱效率。

图1.1.6表示不同的复用/调制技术频谱效率（Spectral Efficiency, SE）逐年提高的情况，近来，除采用偏振复用外，还在偏振复用的基础上采用偏振间插技术，进一步提高频谱利用率。图1.1.7表示目前常用到的先进调制技术的星座图。单偏振调制方式有通断键控（On-Off Keying, OOK）、二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying, BPSK）和正交相移键控（QPSK）；双偏振（x偏振和y偏振）复用的调制方式有QPSK、16QAM和64QAM等。

随着光纤传输技术的进步，光纤通信系统发展很快。如前所述，近20年来其商用系统已经历了3代。第4代光纤通信技术也正在发展中，目前，实用系统每根光纤已能支持15 Tbit/s（150×100Gbit/s）的容量，实验结果已接近香农限制（见图4.7.8）。表1.1.2给出了第4代光纤通信系统采用的各种技术。

2016年底有报道称，采用信道速率100Gbit/s的偏振复用/相干检测DWDM系统——亚太直达海底光缆通信系统（Asia Pacific Gateway, APG）已交付使用，该系统连接中国（上海、台湾和香港）、日本、韩国、越南、泰国、马来西亚、新加坡，全长约10900km，传输容量达54.8Tbit/s。

2016年12月30日，中国联通参与投资建设的亚欧5号海底光缆通信系统（SMW-5）经验收已具备业务开通条件。该系统连接中国（上海、香港、台湾）、新加坡、巴基斯坦、吉布提、沙特阿拉伯、埃及、土耳其、意大利、法国等19个国家，骨干段信道传输速率100Gbit/s、设计容量24Tbit/s。

2017年有报道称，单载波400G/500G信号、信道间距50GHz，数/模（D/A）转换器以43.125Gbaud对I/Q调制器驱动，使用G.654光纤拉曼放大，采用PM-64QAM或128QAM调制，传输1000km后，频谱效率分别达到8bit/s/Hz或10bit/s/Hz［23］。

2017年12月14日曾有报道，中国工业和信息化部、中国电信集团和芬兰国有信息和通信技术公司Cinia等单位，正在讨论跨越北极圈，连接日本、俄罗斯、芬兰和挪威，建设一条长达10500km的海底光缆，旨在力争到2020年建成一条连接欧洲和中国最快最近的通信通道。据估计，这条新光缆将使亚欧两大洲之间的通信时延降低一半。

1.1.3 ITU-T光传输网（OTN）的最新进展

1.光纤通信系统技术标准化组织及其有关标准

国际上有三个组织在进行光纤通信系统技术的标准化，它们分别是国际电信联盟电信标准部（ITU-T）、电气和电子工程师学会（IEEE）和光互联网论坛（Optical Internetworking Forum, OIF）。对于100G超长DWDM系统的标准化，IEEE P802.3ba负责开发100G以太网接口标准，IEEE P802.3bs定义200G和400G以太网对各种带宽的要求。ITU-T第15研究组（SG15）与IEEE紧密配合，制定新的标准传输速率和信号格式，以便支持管理100GbE/400GbE信号的有效传输；OIF则负责制定100G/400G系统线路侧的收发模块规范，以便使这两个高速系统获得广泛的应用［24］［25］［26］。图1.1.8表示100G端对端所涉及的标准及其组织。

OIF的任务是传输光传输单元4（OTU4）净荷信号，并添加帧对准信号，打包成OTU4帧。OIF实现100G传输的方法是基于数字信号处理（DSP）技术的相干检测。

2014年以来，ITU-T、IEEE、OIF等国际标准化组织以及中国通信标准化协会（China Communications Standards Association, CCSA）相继开展了400G系统的标准化工作，400G系统国际标准将逐步成熟完善，国内与400G系统设备有关的标准也已进入研究阶段。

2016年，ITU-T制定了G.709光传输网（Optical Transport Network,OTN）接口标准［27］，发布了OTN模块帧结构支持文件58［28］。灵活的OTN（Flexible OTN, FlexO）（G.709.1）允许使用100GbE/OTN4光模块，作为单独的FlexO物理层，从而受益于这些低成本的光模块。未来也可以使用较高速率的以太网模块（如200Gbit/s或400Gbit/s物理层模块）。FlexO也可以部分使用100GbE和400GbE以太网FEC结构，以便发挥以太网IP的优势。

2017年8月，OIF发布了灵活的相干DWDM传输框架文件，指定了一种灵活的相干DWDM传输的技术途径，提供了一些网络设备供应商对模块和器件供应感兴趣的技术方向指南［26］。

2017年12月6日，以太网联盟批准了IEEE 802.3bs 200GbE和400GbE以太网补充标准，规范了200Gbit/s和400Gbit/s应用媒质接入、控制参数、物理层和管理参数，包括400GbE多模光纤10m 16发16收；400GbE（4×100Gbit/s）单模光纤500m、8波长2km和10km传输；200GbE多模光纤4路并行500m、4波长CWDM传输距离2km和10km。

2.ITU-T规范的光传输网（OTN）

ITU-T第15研究组制定了光传输网ITU-T G.709 12/2009标准，将100 GbE以太网净荷封装在OTU4中，称为通用映射程序（General Mapper Procedure,GMP），如图1.1.9所示。OTU4支持较低速率OTN信号的复用信号（表1.1.3）。OTU4速率约为111.81Gbit/s，包括FEC数据等开销。组成100G系统有2种可能，2×40G和10×10G，如图1.1.10所示。

ITU-T在2016年制定的G.709光传输网（OTN）接口标准中［27］，给出OTNCn复用制式，如图1.1.11所示。在复用进OPUCn之前，首先，所有OTNCn用户数据被映射进自己的ODUk中，2级复用允许用户数据首先复用进传统的OPUk中。

在图1.1.11中，ODUflex（GFP）为灵活速率ODU，当一个GFP-F映射进OPUflex时，用于携带用户数据包信号；ODUflex（CBR）为灵活速率ODU，用于携带恒定比特率（CBR）用户信号；ODUflex（IMP）为灵活速率ODU，当映射进OPUflex时，用于携带具有以太网空闲字节的用户数据包信号。

B100G接口应能重复使用尽可能多的速率为100Gbit/s的OTN IP接口。新OTN制式不仅要携带400GbE，而且只要可能也要重复使用它的技术和物理层器件，以便从成熟的以太网器件成本中受益。一个OPUC1必须能够携带一个ODU4用户，而一个OPUC4必须能够携带一个400GbE用户。

光传输网B100G速率如表1.1.4所示。

ITU-T定义了灵活的光传输网（FlexO），以便提供灵活的模块化物理层机制，用于支持不同的B100G信号接口速率。FlexO在概念上与OIF的FlexE类似，和FlexE一样，FlexO是一种模块化接口，包括一套100G光物理层数据流，允许OTUCn使用任意的n值，允许使用100GbE/OTU4光模块，未来也可以使用更高速率的以太网模块，如200GbE或400GbE物理层模块。FlexO具有绑在一起的n个100G物理层，以便携带一个OTUCn，每个100G物理层携带一片OTUC。