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光通信产业：观察和思考成都普天电缆股份有限公司 代康1 为什么我们应跟踪世界光通信产业现状及趋势（略）2 迎接光电子世纪的全面到来光通信的基础是光电子技术。虽然光电子技术的起点（1962 年半导体激光器问世）仅比微电子技术（以1947年晶体管的发明为标志）晚十多年，但二者远不能等量齐观。2.1 电子瓶颈与摩尔定律。摩尔定律的提出已近四十年，它描述芯片上晶体管集成密度或运行速度每 1824 个月翻一番，但该定律最终必然遭逢物理极限。这是因为随着集成度的提高，集成电路互连线宽减小，导致电子迁移和应力迁移现象；其次，线宽越细，电阻越大，回路的时间常数增加，信号延迟随之上升。结果是电处理速度（取决于集成电路的处理速度而不是单个晶体管的门限速度）受限，形成所谓的“电子瓶颈”。此外，布线距离越窄电磁耦合越严重。 由于光通信系统中有大量的“光-电-光”（OEO）转换，电子瓶颈制约了信号处理速度跟不上传输速率。专家们曾预计建立在微电子技术基础上的电时分复用（ETDM）通信系统的极限传输速率是 10Gb/s，但是柳暗花明又一村，芯片技术进步屡屡冲破了这一预期：一是采用新的化合物半导体材料。一般认为基于 Si、GeSi、InP 材料的电子通信系统传输速率上限分别是 10Gb/s、50Gb/s、160Gb/s。在 2000 年，采用 InP 和 SiGe 这两种技术的静态数字频分器的运行速度都已能达到 70GHz。其次是设计方法上有新思路。电子的脉冲宽度最窄在纳秒（ns）量级，因此电子通信中信息速率被限定在 千兆（109）b/s以内，提高速率可通过并行处理方式。美国 Inphi 公司 2002 年 1 月推出 80Gb/s 解复用器，采用方法是将单一高速串行信号流变换为4个输出信号至收发器，自称这将为同步光网络（SONET）系统 OC-768(40Gb/s) 铺平道路。这种方式也降低了对器件高速特性的要求，从而降低了器件成本。从半导体行业来看，现在已采用铜连线代替铝连线并且采用低介电常数的互连介质，开发出线宽小于 90nm的芯片，集成 1 亿个晶体管。2002 年 5 月英特尔公司总裁贝瑞特访问成都，自信 15 年内摩尔定律仍将有效。该公司在 2002 年 11 月的微处理器论坛上宣布 2007 年将推出集成 10 亿个晶体管、运行频率 6GHz的芯片（线宽可能是 45nm）。看来电子技术对提高通信速率的贡献尚未有穷期。 虽然如此，电子瓶颈始终在前方等着。信息传输和处理能力的大幅度提升将有待于从微电子时代进入光电子、光子时代。为什么有此一说?2.2 光电子和光子学 简单来讲,目前实验室光子脉冲宽度已低于 10 个飞秒 (fs，f为10-15)，如果光脉冲重复速率足够快，光子信息速率将有能力达到几十个太（拉）比特/秒（T b/s，T为1012)。这里有两个基本概念。其一，光子。1926年“光粒子”被美国物理学家命名为光子。光子是玻色子，不带电荷，在自由空间传播的光路交叉却互不影响，即有空间相容性，这也是后面谈到的波分复用（WDM）的物理基础。更完整的表述是，真空中光子间相互不排斥，而在物质（如光纤）中影响极微弱。其二，光子学。研究内容是作为信息和能量载体的光子的行为及其应用，是一门历史久远的学科，其基础包括爱因斯坦理查德_费曼等大师创立的量子物理学。很多光通信用光电器件和系统都是利用了光子的量子特性和效应。曾经是只要了解光的射线理论就可初步理解光纤传输的原理，但要进入新的领域，必须了解光的粒子性不是简单地承认波粒二象性，而是用量子理论的观点来认识。在理解光检测器件的工作原理时就要将接收光看作粒子，但相干光的检测却是基于光的波动性。再举双异质结结构的半导体激光器为例，当它的有源层厚约 100nm时，其中的载流子可以作为粒子来处理；但当该厚度减至 10nm而与电子德布罗意波波长相比拟时，载流子有效质量和运动波动性的量子学特性显露出来，这时有源层与周围包覆层产生很窄的阱状势垒，注入到势阱中的电子与空穴作为满足特定方程与边界条件的波动而被限制在这一量子阱（QW）中，激光器获得崭新的增益频谱特性，功耗下降，响应速度上升。现在上档次的半导体光电子器件几乎都采用了量子阱结构，这要归于20 世纪七十年代后期分子束外延（MBE）和金属有机物化学气相沉积（MOCVD或OMVPE）技术的发展，能控制若干原子层异质材料的生长。2.3 光集成技术光通信的进一步发展离不开光集成化技术，在当前不景气的形势下，光集成技术将有助于降低成本。(1) 功能集成和个数集成光集成有功能集成和个数集成两个方向。所谓的功能集成是把具有不同功能的光、光电器件集成在一个芯片上，解决器件间的连接问题，提高可靠性，与发展集成电路的初衷一样。当然小型化、低成本也是集成的目的，可降低设备功耗从而降低运营成本，这在通信行业不景气的时期尤为重要。从发展来看，早期用光波导代替光学镜子是一进步；现在用光刻法代替光纤、光波导、自由空间辐射光束则更具革新性，不但降低光器件制作工时，而且提高了可靠性。这项工作始于20 世纪八十年代后期将无源光器件集成在单一芯片上的探索，今后还会加上激光器等有源器件，但难度比集成电路技术大得多，因为很难解决不同材料制成的器件如何集成。例如铌酸锂（LiNbO3）晶体为衬底的M-Z电光调制器（EOM）还无法和半导体材料的分布反馈激光器（DFB-LD）、分布布拉格反射激光器（DBR-LD）集成在一起，只能通过保偏光纤将光从激光器引入到调制器后再用普通光纤引出，所需的工艺既难又耗费时间，封装要求高；而由半导体材料制成的量子阱电吸收调制器（EAM）除尺寸小、驱动电压低的优点外，最有吸引力之处还在于它可以与DFB-LD集成在一起，是当前高速调制器的研究热点。但EAM的消光比不及EOM，且现在只达到10Gb/s的调制速率，可以判断的是今后几年铌酸锂调制器仍将是高速外调制器的主流技术，谁也难于断言它会在何时受到多大程度的挑战，关键是改进制造工艺以降低半波电压（OFC2002上日本富士通介绍了半波电压仅为0.9V的产品）。光通信业产品更新快，研发一旦停顿就将前功尽弃，在进行产品技术可行性分析时，不要强行去预测五年甚至三年以后的事情。个数集成则是将多个同样的器件集成在一个单片上，其目的主要在于解决小型化的问题。这方面的例子很多，如阵列波导光栅（AWG）；多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL）集成在一起构成 密集波分复用（DWDM）系统所需的激光器阵列。具体例子有2002年年初报道的Lightwave Microsystems 公司将低损耗的AWG和 10 个VOA (可变光衰减器)集成在一个芯片上，而一般至少需 79 个分立元件。（2）光光集成和光电集成这是集成的两种方式。光光集成以 1969 年始创的集成光路为代表，从体结构的组合到以光波导形式实现光调制器和光开关等；光电集成指光子器件和电子器件均集成在同一衬底上得到光电子集成回路（OEIC）。典型例子有微电子机械系统（MEMS），它从1972年诞生到今天已发展成为跨越多个学科的领域，形成了产业，应用面不单限于光通信。（3）单片集成和混合光集成单片集成是用同一种工艺将所有元器件集成在半导体或光学晶体的衬底上。在OEIC上的所有光/电子器件、电路、光波导经晶体生长、光刻、刻蚀、镀膜工艺制成，有利于量产和降低成本。就激光器而言，将激光器、调制器、波导和其它光功能集成在同一基片上，是当今最重要的趋势，这样可增加功能，降低成本。混合光集成则是用不同工艺制作不同器件，将它们组装在大衬底上，例如光收发器。总的说来，光集成还处于初级阶段，远未达到讨论集成规模的程度，能否和有无必要达到集成电路的水平、能否如硅微电子技术一般实现从量变到质变还难以预料。目前所说的光集成主要还停留在模块集成阶段，与这里所说的光集成还有区别，但能做到这一步已不简单。例如英特尔在 ECOC2001上推出将三个基于CMOS技术的LXT17001激光驱动器（VCSEL驱动器IC）、LXT14002阻抗转换放大器（TIA）、LXT13002限幅放大器（LIA）合在一起的芯片组，大大降低了功耗，面向 10 Gb/s 短距离应用；2002年年初英国 Bookham 公司推出光频谱分析模块，集成了光开关、解复用、光探测 (接收)功能，使检测光端口的费用 (通常成百上千美元)急剧下降，获得 Nortel 公司的认可这已足以自慰，世界上大的系统商屈指可数，器件厂商只有将产品提供给他们，才能真正算是成功。2.4 光电子产业和全光通信预计随着高速电子学技术的发展，本世纪头十年内在ETDM方面将可能出现速率160Gb/的光收发器，每波长100Gb/s 的光通信系统并非不可能实现。光通信最终将向全光通信方向发展，但这是一个长期的过程，全光通信也不是纯光通信。现在一般所说的全光网只是包括传输层和交换层，终端还是电，并不排斥有电控制的成分。在城域网边缘，有低成本、多协议的压力，必须依靠智能化的光电解决方案，而“智能化”则是电子技术更为擅长。目前光通信的缺陷（如色散、非线性效应等）还得靠低成本高性能的电子器件来解决,在光域对信号处理和缓冲还很困难。此外，全透明的光网会有性能监测、故障定位的困难，系统要升级（如DWDM相邻信道频率间隔从100GHz变窄至25GHz）需要更换大量元件。在未来的光通信中，电子和光子可以发挥互补优势，电子相互间影响的特性可以用于交换和路由，光子则可用于信号的并行传输和处理。从行业发展来看，光通信产业应当充分利用微电子产业技术成果，例如生产电信级激光器的大多数工艺都可在硅集成电路工艺中找到；其次是学习微电子产业规模做大的经验，提高自动化生产水平，推动标准化，从而大幅度地削减成本，提高产品可靠性。半导体行业的巨无霸企业不但染指、而且已经很深地进入光通信领域，例如英特尔公司正计划用投资 20 多亿美元、生产 12 英寸晶片的工厂来生产光通信模块。建立在光电子技术之上的光通信已成为一个巨大的产业，而且还将持续壮大，目前光通信业虽然困难重重，但仍然是一个年青、充满活力的产业，原因在于与人需求紧密相关的产业是不会老的带宽已成为人类除了衣食住行以外最基本的需求，但现状却远不如人意，即使在美国，2001年宽带订户也不过 3.24%，这已是世界第四位，第一位是韩国（13.92%），政府将宽带接入作为提高国民教育素质的工具加以推广。我国要全面实现小康社会的宏大目标，宽带接入率应作为一个重要指标。真要是农村实现了“村村宽带化”，城市里宽带之“光”照进每户人家（那时电信局内电缆可能被光纤彻底赶出），光通信规模还差得远。3 光传送网络的演进3.1 海量光纤带宽谈论光通信系统的演进可以以克服光纤的缺陷为线索。首先是光纤固有的衰减、色度色散两个线性效应，其次是光传输功率增大引起的非线性效应，现在则是传输速率增加带来的随机性（主要指偏振模色散，PMD），还没有较完美的解决方案。当然对降低光纤损耗的探索从未停止过,最新的例子有：住友电工（SEI）在 OFC2002上介绍的在1568nm波长衰减为0.151dB/km 的光纤，其纤芯为纯石英，包层则掺氟。以前人们只关心单模光纤衰减小的1310、1550nm窗口，现在已扩展到全频谱（12601625nm），引入波段代替窗口：O(初始)波段为12601360nm；E(扩展)波段为13601460nm；S(短波长)波段为14601530nm；C(常规)波段为15301565nm；L(长波)波段为15651625nm；U(超长)波段为16251675nm，用于网络监测。所有产品的使用波段均应对号入座，波段如何划分的背后存在各大厂家之间巨大的商业利益之争，日本公司在覆盖“C+L”波段的宽带掺铒光纤放大器（EDFA）开发上曾走在世界前列，但在标准面前猛然发现自己的产品两头不靠。去除掉1385nm处OH根离子的水峰后，从12601625nm共有365nm宽的资源。按对应频率宽度的10%来粗略估算，大致有50THz的带宽。 按目前双幅度调制技术所达到的0.4 b/s/Hz水平来计算，一根光纤容量为20Tb/s；按四象限幅度调制(QAM)所达到的4b/s/Hz，一根光纤容量200Tb/s。另一种粗算方法假定50THz带宽提供1000个波长的信道，每个波长40Gb/s，每根光纤总带宽40Tb/s。 现在每根光纤传输带宽为1.6Tb/s的系统已商业化（例如Lucent 和Nortel的16010Gb/s）。2002年11月统计全球最繁忙的互联网路由为伦敦到纽约，也不过才97Gb/s。系统容量取决于带宽和传输距离之乘积。在1993年实现810Gb/s、280km传输；在1999年，单根光纤容量达到120160Tb/skm（80 OC-48 over 600km，或40 OC-192 over 400km），发展至今已是1600-2400Tb/skm（80 OC-192 over 3000km，或 40 OC-192 over 400km），预计下一代将达到32004800 Tb/skm的水平，将电再生距离从500 km扩至3000 km（但可以想见的是光放大器和复用解复用器等器件成本随之迅速上升）。实现如此巨大的容量始于波分复用技术(WDM)和掺铒光纤放大器(EDFA)的应用。1987年，美国贝尔实验室一夜之间决定放弃相干光通信的研究，集中力量开发WDM技术。到了九十年代中期，以WDM、EDFA技术为基石的第五代光通信系统已发展起来，其里程碑是1996年初富士通、贝尔实验室、NTT突破1Tb/s，人类社会进入太拉（Tera）通信世纪。在重点介绍WDM和EDFA之前，先来看其它提高系统容量的方法。3.2 提高系统容量的基本途径其一是采用新的编码技术。现在已获得认可的是前向纠错技术（FEC），在发送器用FEC编码器将额外比特加到传输数据上，在接收端用FEC解码器发现和修复损坏的数据。付出约7%带宽的代价，却可将误码率（BER）从10-5降至10-15，或者说可以获得6dB的编码增益。10Gb/s的DWDM系统所要求的光信噪比（OSNR）为23dB，采用FEC技术后降为17dB，可以保持误码率不变。当然光通信不必如铜缆通信系统那样倚重复杂的编码技术来实现高传输速率，后者频谱资源有限，只得在编码上多花气力。其次是提高ETDM的单通道传输速率，从622Mb/s到2.5Gb/s（OC-48）、到10 Gb/s（OC-192）、40Gb/s（OC-768），但继续增加将遭遇诸多限制（归根到底是电子瓶颈）：外调制昂贵、复杂；交换速率跟不上，信号堵塞；器件封装工艺有难度，不能很好实现设计意图；色度色散（CD）的限制。CD是限制外调光信号传输距离的主要因素，用公式表达如下：Ld105/（D_B2），Ld为色散限制距离（km），D为光纤色散（ps/（nm_km），B为传输速率（Gb/s）。将D为17 ps/（nmkm）（普通G652光纤在1550 nm波长的典型值）、B为10Gb/s带入计算，Ld只有59km。要增加距离必须进行色散补偿，目前最为普遍的仍然是采用色散补偿光纤（DCF），其D为-90-150ps/（nm_km）。DCF的优点在于其固有的频谱光滑特性，即可对所有信道同时进行补偿，但其模场直径小，故馈入功率不能太大，否则光纤的非线性效应会猛然冒出；DCF使用长度较长也带来成本高和引起额外损耗的问题。选择色散补偿程度和位置十分重要，不能简单一插了事，应使线路终端接收到的沿线累积色散尽量小，同时又保留沿线局部色散以不断分开波长靠得较近相互间“纠缠不休”的多个光信号。符合ITU-T G.655建议的非零色散位移光纤（NZDSF）在C波段的典型CD值为4 ps/（nm_km），因而10Gb/s系统色散受限距离保持为250 km。至于偏振模色散（PMD），现在光纤平均PMD都已达到小于0.125ps/km1/2的水平，对于10Gb/s系统已不是问题，但对于早年敷设的光纤或40Gb/s系统则不容忽视。方法之三是采用光时分复用（OTDM）技术。同一波长光载波的各路信号占用不同时隙，例如160Gb/s的信号可由4路40Gb/s的光脉冲按时序复接产生，与ETDM不同，ETDM是基于电逻辑器件处理时分复用信息。OTDM是单波长高速光信号处理技术，无非线性效应，对光放大器平坦度要求低，但采用归零超短脉冲，占用带宽很宽，受色散影响大。从器件要求来看，需高度相干的高速窄脉冲激光器和延时器等器件，虽在2000年即有OTDM系统最高容量达到1280Gb/s的报道，实际上目前尚处于实验研究阶段。当前现实的扩大带宽的方法是波分复用技术（WDM）。3.3 WDM意义及分类根据相邻波长间隔的大小，WDM分为密集波分复用（DWDM）和稀疏波分复用（CWDM）。ITU-T G.694.2已规定CWDM相邻波长间隔为20nm，在12701610 nm全频谱可以有18个波长。由于波长间隔大和信道数有限，可以避免出现光纤非线性效应，相关元件的成本可大为降低。例如可采用非致冷激光器，功耗下降，封装成本也降低,其成本是DWDM激光器的三分之一；而用薄膜滤光器（TFF）制成的复用解复用器（Mux/DeMux）已完全满足要求。有统计显示CWDM与DWDM相比，总成本可降低3565%，因而有人认为，继同步数字体系（SDH）/SONET和EDFA带动光传送网带宽上升之后，在城域网（下文详介）中采用CWDM将促进第三波带宽增长时期的到来。DWDM相邻波长间隔是0.82nm或更小。具体细分时是按照频率而不是波长来保持每波信号间隔。在ITU-T G.692建议中将1528.771560.61 nm按100GHz（约0.78nm）间隔分为41个信道，基准频率为193.1THz（对应波长为1552.52nm）。应当习惯于用频率而不仅是波长，因为波长依赖于光波导的特性，沿用波长描述系统和元件就不准确。 那么是否可以依靠进一步将信道间隔变窄来得到更多的带宽？凡事都有限度。进入光纤的激光束增多、光功率增大后带来非线性效应，为此不得不降低输入光功率，从而降低了传输距离；其次是面临提高器件频率精度和稳定度的挑战。有挑战就有人应答，例如BaySpec公司推出基于先进的VPG（Volume Phase Gratings）技术的DWDM元件，在070使用温度内，其波长漂移小于0.4nm/，插入损耗小于0.01dB/，已用于Mux/DeMux、光通道性能监测器、便携式光谱分析仪等产品；OFC2002上有英国大学利用光注入锁相环技术（OIPLL）将宽调谐取样光栅的DBR激光器（SG-DBR LD）在室温条件下相邻信道间隔频移控制在1Hz内的报道，10Gb/s 系统相邻信道间隔可以实现18.8GHz。然而这些成功产品现在还所费不菲，从而限制了DWDM进一步细分。3.4 掺铒光纤放大器（EDFA）可以说天赐良缘让EDFA和WDM结合，宽带才可能成为现实。3.4.1 原理简说 其工作原理与水泵将水提升至一定高度后突然放掉相似。掺铒光纤（EDF）是在光纤芯子中掺入稀土铒离子(Er 3+)作为增益介质，泵浦激光器将Er 3+从基态能级激发到高能级，好比水向高处流，实现粒子数反转；在高能级停留短暂的时间后，在外来光子（即传输光波粒子）光场的感应下，一起骤然返回到低能级，并释放出与入射光子波长、方向、相位相同的光子，这样实现了把能量持续不断地传递给光子，或者说增加了传输光子的数量，达到了放大的目的。计算显示，光通信系统无误码（BER为10-9）数据传输所需光子数为0.347个/比特。3.4.2 开发历史和意义 从技术史的角度来看，相当于电子技术中晶体管的发明。最近十年来，光通信领域再没有一项发明象EDFA那样耀眼，但其实EDFA历史至少可追溯到上世纪六十年代初美国光学公司斯尼泽（Elias Snitzer）所作的开创性工作，只是在1988年英国南安普顿大学佩恩（David Payne）教授在不知晓前辈工作的情况下“重新发明”的EDFA才引起了世人的注意，1989年，日本NTT实验室验证了EDFA。其间贝尔实验室受用EDFA开通WDM可大大降低系统费用的前景所驱动，开始研发长途WDM系统。1990年，贝尔实验室将EDFA用于长途通信。1996年，ATT和Alcatel将EDFA用于跨大西洋的海底光缆线路，每信道5Gb/s。 EDFA采用980、1480nm光为泵浦，释放的光子波长恰恰落在C波段，这是大自然对人类的馈赠。EDFA出现以前，在中继站将每个光信号转换为电信号放大处理后再转换回光信号继续传输，成本高昂，例如世界上第一条跨洋海缆系统（TAT-8）每隔3550km就要安装一个中继器。有了EDFA，光纤衰减不再是限制传输距离的首要因素，取而代之的是光纤色散和激光器啁啾。EDFA“透明”的特点意味着它可同时放大多个波长的信号，而不是一个波长一个放大器，且与信号速率、格式无关，从而降低了系统成本，通信系统因而有可能从点到点链路发展到网络的水平。当然在每个EDFA处，其自发辐射噪声（ASE）加入并在其后的EDFA处得到放大和逐段累积，所以超长距离传输仍要电中继。目前对2.5Gb/s和10Gb/s的系统，一般每隔5至8个光放大器（约700km）就要电中继作3R处理。随着技术的进步，全光传输距离大幅度提升，已有声称达6000km的报道。2001年，Corvis公司在芝加哥至西雅图的路由上实现3200km 1602.5Gb/s无电再生传输；2002年年初的报道是，Qtera公司实现了4000km 的10Gb/s光信号的无电中继传输。这家公司1999年被北电网络公司（Nortel）收购，看中其超长距离传输技术，合并耗资32.5亿。3.4.3 光放大器发展动态虽然有公司2002年年终估计当年光放大器市场不过7亿美元，预测2006年会达到11亿，远低于此前乐观预测的47亿，但这并不影响对它的研究热情。光放大器应当成为光通信系统中的寻常器件，降低其成本和提高其性能同样重要。这里侧重于性能方面的介绍。（1）新型EDFA对新型EDFA的主要要求有：宽带化，覆盖C+L波段，现在主流产品还是单波段；增益光谱曲线平坦，消除多个EDFA级联时增益不平坦累积，不能单靠削平增益高峰来达到目的，但现在双波段EDFA很难达到这一要求，因此还得靠用光纤光栅滤光器将C波段和L波段的信号分离、各自放大后再合并起来。然而掺铒光纤（EDF）在L波段的增益效率低，所需EDF较长，一般来说需要5倍于C波段的增益光纤长度，因而噪声系数（NF）大。EDFA的核心技术有EDF。其实EDF中还掺铝以改善增益平坦度和提高铒离子的浓度，在保证增益的条件下减少所需掺铒光纤的长度；也可能掺其它金属作为铒的激活剂。在石英基光纤中掺入其它稀土可得到额外带宽，但量子效率低。新型EDFA的研发应当跳出增益光纤基质玻璃为石英的思路，采用其它材料。在提高稀土离子发光效率方面，硫化物和氟化物光纤比氧化物（如二氧化硅）光纤好。研究成果有：掺镨（Pr3+）的氟化物和硫化物玻璃光纤放大器合起来使用可得到12901350nm波段平坦的增益谱；掺铒的氟化物光纤放大器，带宽得到扩展，具有较好的增益平坦度；碲（Te）、铅/石英基玻璃材料在开发宽带EDFA上显示出很好的光谱特性，有带宽达80nm的报道，对S波段应用很有吸引力，但Te具有高的光学非线性；在ZBLAN氟化物光纤中加铥（Tm）制成的光放大器（TDFA）有希望用于S波段。然而光通信行业已习惯于石英基的光纤放大器，原因有其它基质的光纤、如氟化物光纤的吸潮性及其与石英光纤间的接续仍未得到很好解决。因此有必要选择材料以外的其它方法，不能寄希望于有朝一日发现新材料。对EDF的改进可从以下几方面入手：为了与高功率泵浦激光器配合，采用双包层单模光纤结构；一种新型EDF的截止频率提高，模场直径小，纤芯集中了90%的光功率，以此提高信号光纤和EDF之间的光功率耦合；提高EDF纤芯铒离子浓度均匀性；在不对EDFA的NF产生较大影响的前提下尽可能提高铒离子浓度，并且铒离子不会两两配对而不“干活”。传统的制造EDF的方法是将疏松的石英芯棒浸入铒离子溶液，让铒离子扩散进入纤芯，效率不高自不待言，结果必然是越接近纤芯中央铒离子浓度越低，刚好与所希望的情形相反（纤芯中央光场强度最高）。2002年底有报道一家名不见经传的公司采用将光纤材料和想加入的“佐料”一并通入高温炉中烧结制得EDF预制棒芯层部分，估计最后还要结合“管套棒”法（rod-in-tube，RIT）来加外包层套管。除上述要求外，EDFA应有灵活性，能保持输出信号功率的稳定。现在EDFA正从单一的放大器变为多功能网元（网络中所有被管理的有源和无源部件都叫网元），包括ASE滤光器、增益均衡滤光器（GEF）、增益斜率控制器和色散补偿器，当然不是在每级光放大器都需要这些功能元件。其中GEF为基于石英光纤的EDFA拓宽带宽提供了可能性，它瞄准的是在C波段上满负荷运行的EDFA。在超长距离传输系统中，甚至在50个光放大器后才加上电中继，因此单个EDFA的增益平坦度非常重要，以免各信道OSNR差别太过悬殊。在GEF基础上发展出了动态增益均衡（DGE）模块，这对于光信号频繁上下造成线路损耗随时动态变化的城域网来说尤其重要。高性能EDFA离不开软件技术的支持，例如它对每信道光功率的调节。采用软件实现的信道功率监测技术和泵浦功率调节技术既可降低成本，又保证调节速度足够快。 （2）拉曼光纤放大器（RFA）RFA的优点首先在于其原理简单，将信号光与泵浦光打入光纤即可。拉曼效应早在1928年就由印度籍科学家拉曼所发现，光纤中的拉曼效应则在1972年被发现，即入射光被光纤中的分子散射，产生非传输的分子振动，能量向低频光转移。虽然早在1983年即已发现可利用该现象实现光放大，但直到上世纪九十年代初期都还是将其作为一种非线性缺陷加以研究，看来EDFA的成功掩盖了开发RFA的必要性。到了九十年代末期，多种高功率激光源的出现和扩展光通信带宽的需要才重新点燃研究RFA的热情，此时距发现拉曼散射已经过漫长的岁月。由此可见开发新型光通信器件既有赖于发现新的物理现象，更多的则是利用已发现的各种效应。拉曼效应是一种非线性效应。这里对光纤非线性效应稍加总结。首先要了解的一个事实是光纤传输链路全长上非线性效应有强有弱，原因是与电场一样，非线性均由过高的功率引起（在移动通信基站天馈线系统中同样可能存在交叉相位调制现象），而光纤全长的功率分配是不一致的。光纤非线性效应可分为两大类，一类是光场强度变化造成光纤折射率的变化，即所谓克尔效应，由此衍生出自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM），后两种为多信道通信的光纤所独有，我们不能停留在光纤没有铜缆串音缺点的粗浅认识上。如果用非等距信道间隔,对减轻FWM有利,也有利于减轻EDFA的增益谱不平坦。另一类是受激散射，包括拉曼散射（SRS）和布里渊散射（SBS）。从认识论的角度来看，不要一提到非线性效应就头疼，现在有利用非线性效应制成波长转换器，解决同一目的地相同波长光信号汇聚；而光孤子通信也是利用非线性效应克服随机性：SPM使光脉冲变窄而PMD使脉冲展宽；最新的例子是OFC2002上贝尔实验室报道的利用高度非线性光纤实现1106km的40Gb/s信号伪线性传输（pseudo-linear transmission）。RFA诱人之处是从理论上来说可用于包括S波段在内的全频谱放大，但其实受到泵浦激光源波长限制，其Stokes偏移频率约13THz，在C波段相当于放大峰值波长与光源波长相差100nm。RFA多采用分布式结构，与SOA和EDFA利用受激辐射不同，拉曼放大器中光纤既是传输介质又是增益介质，具备这样双重作用的光纤长度大致有30公里。由此带来一系列好处，例如可减小每信道的功率，噪声系数也降低。通常所说RFA的OSNR好的含义是，RFA通常置于系统中每个传输段末端，采用反向泵浦，避免将泵浦的相对强度噪声引入信号光；分布式的特点可减少起始段的光功率，因而减轻或消除了光纤非线性效应。RFA与EDFA配合使用，各尽所能，可使光放大距离延长，同时RFA还可补偿EDFA在15701625nm波长上的低增益，已有带宽达108nm的报道。拉曼放大器自身有增益频谱曲线平坦的优点，并且可用多波长泵浦光源获得更宽的增益频谱。当然这里所谓的“平坦”也是相对而言，近年来的一个研究重点即是泵浦多波长和功率间如何优化组合以实现增益谱平坦；而多波长也不一定来自多个泵浦激光器，正在研究用一个光源加上光纤布拉格光栅（FBG）得到一阶、二阶乃至三阶泵浦光源，以减少激光器的个数，降低成本。例如在OFC2002上贝尔实验室报道用一个波长为1100nm的包层泵浦激光器加上光纤光栅，同时得到1365和1455nm波长的激光输出。如果说EDFA关键元件主要是EDF，那么RFA的关键则是泵浦激光源。早先主要是采用基于成熟的InGaAsP技术的1480nm波长的激光器，虽有较高的光转换系数，但泵浦波长距C波段太近，增加了RFA的NF，当DWDM系统波长间隔小于100GHz时较为不利。1993年980 nm波长的泵浦激光器开始商用化，这是面向C波段的三级泵浦，NF小，光电功率转换高，已成为RFA的首选。这种激光器为AlGaAs 或AlGaInAs材料体系，可用MBE和OMVPE(金属有机物气相外延)工艺生产，现在的关键问题有解决激光器内反射镜钝化以提高其可靠性，特别是当泵浦功率提高时这一问题已很突出。也许是为了弥补多年来对拉曼放大器的怠慢，Lucent的RFA获得2000年全美十大最佳专利发明奖，当时有公司预言它是未来光通信的关键，现在看来言之过早，原因之一是价格还很昂贵，但与其技术上的局限性也有关：光纤中发生SRS的阈值功率高，因而需较大功率的泵浦激光器；放大器增益有限，在常规的单模光纤上每mW泵浦功率只能得到区区0.06dB的增益，而EDFA则可达到几个dB，所幸14501480nm的高功率激光源已解决。虽然RFA可以普通光纤为增益介质，但芯径小的光纤，如掺锗的DSF光纤（其有效面积Aeff的典型值为55m2）更有利于改善其增益特性，这是因为拉曼散射是一个统计过程。也有分立式RFA，起增益作用的光纤长度在10km以内，这种放大器提高增益难度更大，产品报道很少。（3）半导体光放大器（SOA）SOA放大器典型的增益值为1030dB，NF为810dB，输出功率为+10dBm（已有+17 dBm的报道），它可在近似线性的区域运行，使得上下波长时其输出功率仍保持平稳，这是EDFA难于做到的。其缺点有串音相对较高，偏振相关性大。它适于短距离传输，随着技术的进步，有报道称在SNR为限制因素的40Gb/s系统中，采用SOA的传输距离已可达160km。SOA的吸引力在于它可用集成电路的生产工艺大量生产，而且结构紧凑，成本低，易于集成。它是今后1310nm附近实现DWDM的一种备选方案。有人称如果能做到每只1千美金，那会是另一番景象。最近重新引起兴趣是看到它可在光时分应用和波长变换、全光再生、光门型光开关和光相位配合等光信号处理上有潜力。这一行知名的公司如Genoa公司已有很好的SOA产品，用应变量子阱材料制成。（4）掺铒波导放大器（EDWA）EDWA借鉴了EDFA的技术，结合OEIC技术设计而成，只需几厘米长的高浓度增益波导（增益介质可以是掺铒的磷酸盐玻璃），放大器结构紧凑，预计今后将在城域网中得以应用。在OFC2002上法国Teem光学公司和Inplane 光学公司都有产品推出。3.5骨干光传送网容量的竞赛有了EDFA和DWDM，再加上其它多项技术，一些通信设备大公司展开了通信容量竞赛。从初期（19891991）的4个WDM信道、每个波长1.7Gb/s到现在，发展速度加快，并且发布实验室成果与开通商用系统间的时间差已从上世纪九十年代中期的6年缩短至现在的2年。现将OFC2001公布的进展列表于下（表1），很多论文中都有类似总结。表1 公司波长数单信道速率Gb/s波段通道间隔GHz带宽Tb/s距离kmNEC27340S、C、L5010.92117Alcatel25642.7C、L2510.2100 进入2002年，1月Alcatel宣布12540Gb/s/1500km成果，采用了Teralight Ultra光纤；3月，贝尔实验室实现了6440Gb/s/4000km传输（即2.56Tb/s over 4000km），采用了DPSK编码技术、FEC、L波段放大器、拉曼放大器和优化色散补偿。上述方案其实是将高速ETDM和DWDM结合起来获得大容量。今后如果再加上光码分复用（O-CDMA），那就好比造三层的高速立交桥，传送容量还会增加。远景暂且不论，就40Gb/s的DWDM光传送系统而言，其商用还有待时日，一方面技术尚未成熟，交换、色散管理（例如每个信道PMD的动态补偿）有待跟上，元件成本有待降低，主要原因还是缺乏市场驱动。但谁也不敢轻言放弃40Gb/s，既是大势所趋，也因前车之鉴历历在目：1996年，Lucent听信其主要客户ATT的观点，认为10Gb/s技术尚不可靠，市场前景遥不可及，将10Gb/s元器件库存转给Nortel，结果在其后爆发的10Gb/s大战中，Nortel成为霸主。4 一份影响巨大、颇具争议、被广泛误读的报告4.1 美林报告 (由FCC、RHK、ML编制) 纵坐标表示骨干传送网容量的平均利用率，2000年仅为2.69%。 这是2001年3月美林证券公司在致其(中小型)投资人的报告中给出的。6月，华尔街日报(WSJ)引用该报告数据。此报告一经披露，“搅得周天寒彻”。4.2 反对声鹊起美林报告对想从风险投资公司那里享用最后一顿晚餐的小公司、梦想股市高烧不退的上市公司的干系人都是沉重打击。Corvis、Qwest的CEO立即予以否定，2001年9月期的国际光纤系统（Fiber Systems International）刊物上，美国一电信咨询公司(Telechoice)称自己不采用将整个美国的光纤基础设施看作一个大的管道系统这种简单模型，而是经过对24条业务路由的分析证明，多数路由很快需升级改造，63%(15条)敷设于美国主要城市之间的光纤路由接近于满容量，其中14条目前的需求等于或超过总供求量的70%。调查了25家运营商，最常使用的是位于12个大城市之间的路由。报告的中立性同样值得怀疑。4.3 暗光纤和通光光纤很多人怪罪美林报告将水搅浑，围绕此报告展开的争论牵涉投资市场的商业利益，因而注定将不了了之。有人辩称容量利用率不等于通光光纤比例，不是97%都是暗光纤。报告撰写人后来也出来澄清，2.6%数据绝对没有错，但这只是平均容量利用率，不是通信高峰值时利用率（IP业务具有突发性，峰值业务量与平均值之比可达10：1），也未考虑保护容量，保护容量可占40%。此外，报告称运营商只用到通光光纤容量的2.6%，但有Corning、OFS等光纤光缆厂2002年初还辩称光缆路由上占光纤总量3%的通光光纤容量其实已达到平衡，只是余下的97%光纤未使用（称为暗光纤，dark fiber），并不是光纤太多，因而指责华尔街日报吓退投资者。实际情况到底如何？至少干线“光纤过剩”（fiber glut）已是不争的事实。当时即有一家独立的通信业咨询公司调查认为，多数运营商3040%的容量闲置，一些甚至高达70%。从长途业务收费下降(当时Sprint收费为0.02/min，是4年前AT&T的1/8)来看，供需明显失衡。4.4 超前建设的中国光传送网国内学术权威人士2001年7月初在报刊上引用美林报告数据，并在10月全国光通信大会上指出，美国光纤使用率为3% (最多为5%)，我国情况类似，京汉广沿线有五、六百芯光纤，用4根光纤采用6410Gb/s的WDM技术足矣，因为不可能全国人民同时打电话。然而风物长宜放眼量，语音带宽固然只需64kb/s，但随着网络资源日益丰富，更多的数据业务（如流媒体）将通过广域网（WAN）传送，信息源在国外，情形就大不相同了。统计表明，现在WAN和LAN传送的业务量已从早先的2：8变为8：2。来看运营部门的观点。从1997年到2002年间，我国经历了两轮WDM长途网建设的高潮，从82.5Gb/s逐步提升至162.5 Gb/s、322.5 Gb/s、3210Gb/s、8010Gb/s、16010Gb/s，发展速度居于世界前列（每信道10 Gb/s也是在2001年才商业化）。在2002年10月召开的中国通信学会光电缆学术年会上，中国电信的参会人士称，新世纪初用两年时间进行的第二轮干线网建设已经结束，敷设的部分光纤（如北京到哈尔滨和北京到广州的96芯光缆）实际并未使用，看不到今后新一轮大规模建设的必要；中国联通的与会者称五大运营商现有容量再过十年都用不完。还有报道称到2002年底，我国五大运营商（中国电信、联通、网通、移动和铁通）的骨干网建设高潮已经过去，今后将进入平稳发展的时期。作者在2001年底听说，听说而已，广州与汕头间1999年建成82.5Gb/s，但到2001年底仍按315.5Mb/s使用，而2001年建成的3210Gb/s则完全闲置，这多少有些出人意料，因为汕头是海缆登陆点。下面给出权威的报告。由信产部制订的中国信产业“十五”发展规划指出，按每对光纤开32波、每波承载2.5Gb/s来计算,现有光缆干线能够满足2005年的业务需求。该报告同时认为，新型光缆网络建设仍不可避免，“十五”期间将新建光缆线路约250万芯公里。4.5亮点将在哪里闪现？ 目前的现状是，骨干传送网容量大为超前；在局域网领域，千兆局域网已成为主流，10Mb/s到桌面已出现，而万兆以太网标准（IEEE 802.3ae）已在2002年6月浮出水面；用户终端（如计算机）主频在飙升。两头已是够宽，但用户并未享受到宽带的魅力，其间必然存在障碍和瓶颈。突破障碍即是赢得商机，因此下文将介绍光交换（节点）和城域网（Metropolitan Area Network，MAN）。5 交换瓶颈5.1 交换容量的增长从2001年所作的统计（见表2）来看，交换容量增长跟不上传送容量的增长，吞吐能力不够。交换瓶颈好比是高速公路上竟然有塞车的十字路口。表2 1997年2000年增长倍数每根光纤传送容量20（Gb/s）800（Gb/s）40倍每根光缆传送容量400（Gb/s）80000（Gb/s）200倍每台交换机容量55（Gb/s）640（Gb/s）12倍每台交换机交换光纤数2.75根0.8根每根光缆所用交换机7台125台 注：1997年光缆平均芯数为20芯，2000年则为100芯。5.2 四种交叉节点光交换机、光交叉连接矩阵和光路由器等名词常常混用，但在业内人士看来自有差别。有文献称光交换是对链路中用户信道之间光信号作实时通断和换接处理，涉及大量用户信道且交换频繁；光交叉连接则实现通信网络中的光信号在不同链路间建立连接或切换路由。更确切的含义应从交换节点分类来理解。（1）波长选择交叉连接（WSC）光从一根光纤变换到另一根光纤，这是一种全透明的连接，光的分插（上下）复用（OADM）是其相对简单的特例。虽然WSC没有昂贵的光电处理，但它却把复杂性转移到网络。另外其模拟性决定了产品的排它性，这是电信运营商难以接受的。（2）波长内部交换（WIC）又称波长交换光交叉连接（OXC）。进入WIC的波长与出去波长间没有任何关系，这是光交换技术实用化的重点领域。电交叉连接（EXC）在输入和输出段都有光电和电光转发器，背板最高只能支持到2.5Gb/s,例如遇到10 Gb/s 粒度的波长，在输入端就得先将其转发为4路并行的2.5Gb/s信号以便作电交叉处理，到了输出端还得将4路2.5Gb/s信号合为10Gb/s信号。遇40Gb/s信号将使系统更为复杂，端口数增多及功率消耗和机架尺寸增大暂且不论，单是对于2.5Gb/s的高速电信号，衰减及阻抗不均匀已使其传输距离局限于半米内。在2001年，已商业化的、较典型的电交叉连接设备有Sycamore网络公司型号为SN16000的产品，电端口为512512，粒度为OC-48（2.5Gb/s），总的交叉能力为1.2Tb/s,用电缆作内连接。而OXC不存在带宽限制，例如对40Gb/s信号可先用长距离接收机接收下来作3R处理，再以适于短距离传输的激光器将信号射入光交叉阵列中完成交叉，然后送到输出端。有了OXC，WDM环网之间的互连可不经过复杂昂贵的DXC。最著名者当推Lucent公司的光波长路由器(其命运下文介绍)，采用256256光端口，进出可各有256个波长，可交叉粒度为OC-768（40Gb/s），可达到的总的吞吐能力为10 Tb/s，每秒可处理数十亿封电子邮件，交换速度比电交换快上16倍。（3）数字交叉连接（DXC或DCS）这是最基本的网元，已在SONET/SDH系统中大量使用。将输入光按照时分解复用为SONET/SDH粒度（如SDH的STM-1 155.52Mb/s），每个子通道（subchannel）再通过DCS分别进行交叉连接。在输出端，每个子信道再时分复用为高速光信号。DCS有很多低速端口，电交叉连接更为适合。（4）光分组（光包）交换对每个波长携带的数字包选择路由。有人认为下一代交换将是WDM电路交换和光分组交换的混合型。如果说交叉连接好比是铁路换轨，分组交换则是邮政局分拣信件。分组交换最显著的要求是要快，交换时间（输入控制信号前沿与输出光信号前沿之时间差）要在纳秒级；而WSC基本是一种长期连接，交叉连接达到毫秒级已能满足要求。据称现在市场上光分组交换设备能力已达到160Gb/s，继续扩大容量需采用光并行处理等技术。但普遍认为，由于光器件的限制，光分组交换仍处于实验室研究阶段。从（1）到（4），功能逐渐增多，后者可代替前者。因为成本和规模能力的限制，不可能一下子提出一种最终解决方案。当前有了OADM和OXC，就可在光域以波长为基本交换单元解决节点容量扩展问题，基本适应向