1.1　光纤通信发展史

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？光通信是指利用光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。早在公元前两千多年以前，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来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，这种土丘称为烽火台，它就是一种古老的光通信设备。“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，我们可以追溯到公元前3世纪，我国周代就会用凹面镜向日取火，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，这比我国至少落后了十几个世纪。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，这比欧几里得著的《光学》还早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，他用太阳光作为光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上。贝尔光电话实验装置如图1.1.2所示。人嘴对准橡胶管前面的送话口并发出声音，振动镜因振动而发生变形，引起光的反射系数发生变化，使光强（即光的强度）随着声音的强弱而变化，实现声音对光强的调制。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，硒的电阻会随光的强弱而发生变化，使光信号变换为电流信号并传送到受话器，受话器再产生声音。在这种光系统中，光源是太阳光，接收器是硒管，传输介质是大气。1880年，使用这种光电话传输距离最远仅213m，很显然这种系统没有实用价值。

4. 谁发明了激光器

用灯泡作为光源时，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，其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，它是由物质原子结构的本质决定的光，它的频率很高，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，曾使用弧光灯作为发送机，通过声波产生的电流对其光强进行调制，使用硅光电池作为接收器，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，在外电路上产生变化的光生电流，在晴好天气下，这种光电话通信距离可达8km。当光电倍增管出现后，人们又用它作为接收器，将调制后的光信号还原成电信号。在光电倍增管中，有电压逐级提高的多级阳极，其工作原理就是利用电子被多级加速发射，从而放大了外电路光生电流。

实验表明，应用光承载信息的大气传输来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传输系统。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透镜波导变形和振动，为此必须把波导深埋或选择在人、车活动稀少的地区使用。光通信发展历史如图1.1.3所示。

6. 光纤通信的鼻祖——高锟

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而产生变形和振动，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。

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。

光纤由纤芯和包皮两层组成，它们都是玻璃的，只是材料成分稍有不同。有一种光纤的芯径只有50～100μm，包皮直径约为120～140μm，所以光纤比头发丝还细。光在光纤里传输如图1.1.4所示。假定光以一定入射角射入光纤，当光传输到纤芯和包皮的交界面上时，会发生类似镜子反射光的现象，当碰到对面的交界面时，又一次反射回来。当光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，光就不会跑出光纤。光就是这样在光纤内往返曲折地向前传输的。

看来，用光纤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3 000dB，用光纤衰减系数表示为3 000dB/km。这样的光纤，当光通过100m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！

到了20世纪60年代中期，情况发生了根本性的变化，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。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，光纤衰减系数约为3 000dB/km，他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，而是由于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相对质量降低到10-6以下，光纤衰减系数就可以减小到10dB/km，再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步把光纤衰减系数减小到几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）公司研制成功光纤衰减系数为20dB/km的石英光纤。目前G.654光纤在1.55μm波长附近的光纤衰减系数仅为0.151dB/km，接近了石英光纤的理论损耗极限。图1.1.3（d）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，半导体激光器被发明，其研制也取得了实质性进展。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（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（WDM）系统得到普及。光通信发展简史如表1.1.1所示。

在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。

由于高锟在开创光纤通信历史上获得的卓越成就，南京紫金山天文台1996年以他的名字命名了一颗小行星（编号为3463）“高锟星（Kaokuen）”。1998年，IEE又授予他荣誉奖章。2009年10月6日，瑞典皇家科学院因高锟在光纤通信中做出的巨大贡献，授予他2009年度诺贝尔物理学奖，如图1.1.5所示。

7. 现代光纤通信系统

2010年以后，随着光纤通信新技术，如偏振复用（PM）/相干检测技术、先进光调制技术、大芯径低损耗光纤技术、传输光纤分布式拉曼放大技术、数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）色散补偿技术、超强前向纠错技术（SFEC）、传输信号频谱整形技术及平面集成波导（PLC）等技术的不断进步，光纤通信系统的信道传输速率也在不断提高，从10Gbit/s、40Gbit/s已提高到100Gbit/s及其以上[79]。其信道容量和频谱效率也大幅度提高。2014年，传输6 000km、信道传输速率为100Gbit/s的光纤信道容量已超过50Tbit/s。2015年，同样传输6000km、每个波长信道传输速率为400Gbit/s的光纤信道容量也达到2Tbit/s[10]。这种基于WDM+EDFA/Raman+偏振复用（PM）/相干检测技术的光纤通信系统，称为第4代光纤通信系统。各代光纤通信系统的特点如表1.1.2所示。

随着技术进步，单根光纤信道容量在逐年扩大，如图1.1.6所示。共掺磷和铒光纤放大器（P-EDFA）可使WDM系统的带宽扩展到长波段（L波段）。据报道，采用波分复用技术，在C波段可复用176个信道，在L波段可复用256个信道；采用偏振复用（PM）和16QAM调制技术，每个信道传输速率可达160Gbit/s，在240km纯硅芯单根光纤上实现了创纪录的69Tbit/s信道容量，频谱效率也达到了6.4（bit/s）/Hz。

随着光纤通信技术的不断发展，每对光纤传输的通话路数也在不断扩大。1956年敷设的穿越大西洋的模拟通信电缆系统（TAT-1）的通话路数只有48路，第1代海底光缆通信系统（280Mbit/s）的通话路数是20000路；第2代系统（560Mbit/s）的通话路数是40000路；对于第3代系统，当信道传输速率为10Gbit/s时，通话路数却猛增到640000路。

2009—2010年，信道传输速率为100Gbit/s的传输系统同时在陆地网络和海底光缆系统开始演示。

2013年，信道传输速率为100Gbit/s的传输系统第1次被商用[10]。信道传输速率为100Gbit/s的传输系统采用数字相干技术，发送端采用偏振复用多电平编码信号，接收端进

行相干检测。把光/电转换后的信号进行模/数（A/D）转换，然后多比特信号进入数字信号处理器，对波形畸变、符号间干扰（ISI）、信号光和本振光间的偏振失配进行数字补偿。因为采用多电平编码调制、偏振复用和超强前向纠错，符号率可下降到25GSa/s或12.5GSa/s，又因为DSP提供电子均衡技术，使系统对色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）的容限也提高了。2013年，把偏振复用QPSK+8QAM调制和信道传输速率为495Gbit/s的8波长WDM系统，进行了12000km的传输演示[24]。

最困难的事情是如何实现ADC和DSP的电子集成化，最有可能的技术是CMOS，111Gbit/s的ADC+DSP器件2010年已经被商用。目前，信道传输速率为100Gbit/s传输系统已被成熟商用并被规模部署，一些运营商已在进行信道传输速率为400Gbit/s传输系统的实验室测试。

2015年，OIF开展了信道传输速率为400Gbit/s传输系统的标准化工作，试图规范该系统制式和光电集成模块标准，为供应商提供设备研制和生产指南。

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，为了扩大光纤信道容量，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QPSK调制更多比特的多阶正交幅度调制（m-ary Quadrature Amplitude Modulation，mQAM）方式，如8QAM、16QAM、32QAM甚至64QAM（见4.8.5节）。8QAM每个符号可以携带3比特信息；16QAM每个符号可以携带4比特信息（见图1.1.8）；64QAM每个符号携带6比特信息。一般来说，2m-QAM可以携带log22m比特信息。如果使用偏振复用（PM），则每个符号携带的比特数将加倍。

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）。对于使用大有效芯径面积（150μm2）的光纤和偏振复用（PM）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3.2（bit/s）/Hz，实验中没有对光纤的色散进行补偿，最后只用DSP进行了色散补偿[18][23]。

使用数字信号处理（DSP）技术，可显著提高受光纤色度色散（CD）、偏振模色散（PDM）和非线性效应影响的单信道DWDM的系统性能。

使用超强前向纠错技术（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，提高光接收机灵敏度，延长无中继传输距离，增加信道容量，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6.5.2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。

例如，采用传输光纤受激拉曼散射（SRS）放大，在1 430～1 502nm波长范围内，采用4种泵浦源对C+L波段EDFA泵浦，在1 536.4～1 610.4nm波长范围内，增益带宽可以达到74nm，这种系统比C+L波段的EDFA中继器的结构更简单。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，波长间距为37.5GHz，每个波长可携带12Gbit/s的信号。

又如，2017年5月有报道，NEC使用C+L波段EDFA、32QAM调制，不但在11 000km海底光缆单根光纤上实现了50.9Tbit/s的信道容量、6.14（bit/s）/Hz频谱效率，还应用在能传输3 600km 4载波8QAM的系统中[149]。

光纤通信系统对于不同的复用/调制技术，频谱效率逐年提高的情况如图1.1.7所示[19][144][146]。近年来，光纤通信系统除采用偏振复用技术外，还在偏振复用技术的基础上进一步采用偏振间插技术，进一步提高频谱利用率。目前，常用的先进复用/调制技术的星座图如图1.1.8所示。单偏振调制方式有通断键控（OOK）、二进制相移键控（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。此外，利用没有干扰的频谱重叠相干光正交频分复用（Coherent Optical OFDM，CO-OFDM）技术（见7.3节）也可以提高频谱效率。

第4代光纤通信系统技术如表1.1.3所示。

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，实用光纤通信系统的每根光纤已能支持15Tbit/s（150×100Gbit/s）的信道容量，实验结果已接近香农限制。

2016年底有报道，采用信道传输速率为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、香港和台湾地区）、日本、韩国、越南、泰国、马来西亚、新加坡，全长约为10900km，其信道容量达到54.8Tbit/s。

2016年12月30日，中国联通宣布，其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、香港和台湾地区）、新加坡、马来西亚、印度尼西亚、孟加拉国、斯里兰卡、缅甸、巴基斯坦、吉布提、沙特、阿联酋、埃及、土耳其、意大利、法国等19个国家，其骨干段信道传输速率为100Gbit/s、设计信道容量为24Tbit/s。

据OFC 2017年报道，对于单载波400G/500G信号、信道间距为50GHz的光纤通信系统，DAC以43.125Gbaud信号对I/Q调制器进行驱动，使用G.654光纤拉曼放大技术和采用PM-64QAM或128QAM调制，传输1 000km后，频谱效率分别达到8（bit/s）/Hz或10（bit/s）/Hz[20]。

又据OFC 2017年报道，对于C波段235个WDM系统，使用PM-64QAM调制，以18Gbaud信号对I/Q调制器进行驱动，使用注入锁定零差相干检测技术，传输距离为160km，频谱效率为9（bit/s）/Hz，信道容量达到42.3Tbit/s[21]。

1.1.3　通信网络的分层结构

构成通信网络的基础设施可用通信网络的分层结构（见图1.1.9）来描述，这种分层网络支持传统的电复用信号传输，但是也可以提供全光端对端透明连接。在光层中传输的网络功能，如分插复用（ADM）、交叉连接、信号存储及业务调度均在光层中完成[46][47]。

传送IP业务的网络称为因特网（Internet），它是在世界范围内，用统一的TCP/IP协议将所有网络，包括传统企业网（Intranet）互连在一起的网络总称，所以又称国际互联网。Intranet是通过防火墙与国际互联网相连的单位内部网，它是Internet的组成部分。在因特网上，用户可以用调制/解调器接收和发送数据文件、电子邮件；用声卡打电话；并可以接收和发送语音、图像信息，进行多媒体通信；也可以享受广播电台和电视台的点播节目服务。

IP电话/传真是利用完整的IP电话交换系统，通过压缩传输带宽[压缩比为1:（8～10）]提高传输电话利用率。IP电话（Voice over IP，VoIP）是基于Internet协议的网络电话和数据通信。IP电话的智能网络服务将集电话、留言、传真和电子邮件为一体，以单一账户向用户提供多媒体服务。

IP电话要通过市内电话、国际互联网入口传送到互联网出口，再到市内电话。

光互联网使基于分组的互联网络固有的可靠性得到增强，比今天的基于电路传输的网络具有更高的可靠性，并能在网络发生故障时实现智能响应。

将来网络的核心网为全光网[61][62][66][67]，传统的起接入作用的路由器将被光接入路由器取代，路由器的一端连接ATM、SDH、IP等宽带设备，另一端则通过WDM技术直接与光传送网连接。具有自愈功能和抗毁能力的光传送网结构如图1.1.10所示，几种可能的IP传送技术如图1.1.11所示。

1.1.4　ITU-T光传输网（OTN）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3个组织在进行光纤通信系统技术的标准化。这3个组织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100Gbit/s超长DWDM系统的标准化，IEEE P802.3ba制定了100Gbit/s以太网接口标准，IEEE P802.3bs制定了200Gbit/s和400Gbit/s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100Gbit/s和400Gbit/s信号的有效传输；OIF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[25][26][30]。100G系统端对端所涉及的标准及其组织如图1.1.12所示。

OIF制定了传输OTU4净荷信号、添加帧对准信号并打包成OTU4帧的规范。OIF制定的100Gbit/s传输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传输速率的以太网模块（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[30]。

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传输速率应用媒质接入、控制参数、物理层和管理参数，包括400Gbit/s传输速率多模光纤10m16发16收，400Gbit/s（4×100Gbit/s）单模光纤500m、8波长2km和10km传输，200Gbit/s多模光纤4路并行500m、4波长CWDM 2km和10km传输。

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（OTN）ITU-T G.70912/2009标准，将100Gbit/s以太网净荷封装在光传输单元4（Optical Transport Unit 4，OTU4）中，称为通用映射程序（GMP）。光传输网（OTN）复用映射结构如图1.1.13所示。OTU4支持较低传输速率OTN信号的复用信号。OTUk帧速率如表1.1.4所示。OTU4传输速率约为111.81Gbit/s，包括FEC数据等开销。组成100G系统可能有两种可能：2×40G和10×10G。不同业务到OTU4的复用/解复用如图1.1.14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映射复用制式，如图1.1.15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。

ODUflex（GFP）：灵活速率ODU，当一个GFP-F映射进ODUflex时，用于携带用户数据包信号；

ODUflex（CBR）：灵活速率ODU，用于携带恒定比特率（CBR）用户信号；

ODUflex（IMP）：灵活速率ODU，当映射进ODUflex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100G 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。

OTN B100G接口速率如表1.1.5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传输速率的以太网模块，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。