【文章內容簡介】 E(金屬有機物氣相外延)工藝生產，現在的關鍵問題有解決激光器內反射鏡鈍化以提高其可靠性，特別是當泵浦功率提高時這一問題已很突出。也許是為了彌補多年來對拉曼放大器的怠慢，Lucent的RFA獲得2000年全美十大最佳專利發(fā)明獎，當時有公司預言它是未來光通信的關鍵，現在看來言之過早，原因之一是價格還很昂貴，但與其技術上的局限性也有關：光纖中發(fā)生SRS的閾值功率高，因而需較大功率的泵浦激光器；放大器增益有限，而EDFA則可達到幾個dB，所幸1450~1480nm的高功率激光源已解決。雖然RFA可以普通光纖為增益介質，但芯徑小的光纖，如摻鍺的DSF光纖（其有效面積Aeff的典型值為55μm2）更有利于改善其增益特性，這是因為拉曼散射是一個統(tǒng)計過程。也有分立式RFA，起增益作用的光纖長度在10km以內，這種放大器提高增益難度更大，產品報道很少。（3）半導體光放大器（SOA）SOA放大器典型的增益值為10~30dB，NF為8~10dB，輸出功率為+10dBm（已有+17 dBm的報道），它可在近似線性的區(qū)域運行，使得上下波長時其輸出功率仍保持平穩(wěn)，這是EDFA難于做到的。其缺點有串音相對較高，偏振相關性大。它適于短距離傳輸，隨著技術的進步，有報道稱在SNR為限制因素的40Gb/s系統(tǒng)中，采用SOA的傳輸距離已可達160km。SOA的吸引力在于它可用集成電路的生產工藝大量生產，而且結構緊湊，成本低，易于集成。它是今后1310nm附近實現DWDM的一種備選方案。有人稱如果能做到每只1千美金，那會是另一番景象。最近重新引起興趣是看到它可在光時分應用和波長變換、全光再生、光門型光開關和光相位配合等光信號處理上有潛力。這一行知名的公司如Genoa公司已有很好的SOA產品，用應變量子阱材料制成。（4）摻鉺波導放大器（EDWA）EDWA借鑒了EDFA的技術，結合OEIC技術設計而成，只需幾厘米長的高濃度增益波導（增益介質可以是摻鉺的磷酸鹽玻璃），放大器結構緊湊，預計今后將在城域網中得以應用。在OFC2002上法國Teem光學公司和Inplane 光學公司都有產品推出。骨干光傳送網容量的競賽有了EDFA和DWDM，再加上其它多項技術，一些通信設備大公司展開了通信容量競賽。從初期（1989~1991）的4個WDM信道、發(fā)展速度加快，并且發(fā)布實驗室成果與開通商用系統(tǒng)間的時間差已從上世紀九十年代中期的6年縮短至現在的2年。現將OFC2001公布的進展列表于下（表1），很多論文中都有類似總結。表1 公司波長數單信道速率Gb/s波段通道間隔GHz帶寬Tb/s距離kmNEC27340S、C、L50117Alcatel256C、L25100 進入2002年，1月Alcatel宣布12540Gb/s/1500km成果，采用了Teralight Ultra光纖；3月，貝爾實驗室實現了6440Gb/s/4000km傳輸（），采用了DPSK編碼技術、FEC、L波段放大器、拉曼放大器和優(yōu)化色散補償。上述方案其實是將高速ETDM和DWDM結合起來獲得大容量。今后如果再加上光碼分復用（OCDMA），那就好比造三層的高速立交橋，傳送容量還會增加。遠景暫且不論，就40Gb/s的DWDM光傳送系統(tǒng)而言，其商用還有待時日，一方面技術尚未成熟，交換、色散管理（例如每個信道PMD的動態(tài)補償）有待跟上，元件成本有待降低，主要原因還是缺乏市場驅動。但誰也不敢輕言放棄40Gb/s，既是大勢所趨，也因前車之鑒歷歷在目：1996年，Lucent聽信其主要客戶AT＆T的觀點，認為10Gb/s技術尚不可靠，市場前景遙不可及，將10Gb/s元器件庫存轉給Nortel，結果在其后爆發(fā)的10Gb/s大戰(zhàn)中，Nortel成為霸主。4 一份影響巨大、頗具爭議、被廣泛誤讀的報告 美林報告 (由FCC、RHK、ML編制) 縱坐標表示骨干傳送網容量的平均利用率，%。 這是2001年3月美林證券公司在致其(中小型)投資人的報告中給出的。6月，華爾街日報(WSJ)引用該報告數據。此報告一經披露，“攪得周天寒徹”。 反對聲鵲起美林報告對想從風險投資公司那里享用最后一頓晚餐的小公司、夢想股市高燒不退的上市公司的干系人都是沉重打擊。Corvis、Qwest的CEO立即予以否定，2001年9月期的《國際光纖系統(tǒng)》（Fiber Systems International）刊物上，美國一電信咨詢公司(Telechoice)稱自己不采用將整個美國的光纖基礎設施看作一個大的管道系統(tǒng)這種簡單模型，而是經過對24條業(yè)務路由的分析證明，多數路由很快需升級改造，63%(15條)敷設于美國主要城市之間的光纖路由接近于滿容量，其中14條目前的需求等于或超過總供求量的70%。調查了25家運營商，最常使用的是位于12個大城市之間的路由。報告的中立性同樣值得懷疑。 暗光纖和通光光纖很多人怪罪美林報告將水攪渾，圍繞此報告展開的爭論牽涉投資市場的商業(yè)利益，因而注定將不了了之。有人辯稱容量利用率不等于通光光纖比例，不是97%都是暗光纖。報告撰寫人后來也出來澄清，%數據絕對沒有錯，但這只是平均容量利用率，不是通信高峰值時利用率（IP業(yè)務具有突發(fā)性，峰值業(yè)務量與平均值之比可達10：1），也未考慮保護容量，保護容量可占40%。此外，%，但有Corning、OFS等光纖光纜廠2002年初還辯稱光纜路由上占光纖總量3%的通光光纖容量其實已達到平衡，只是余下的97%光纖未使用（稱為暗光纖，dark fiber），并不是光纖太多，因而指責華爾街日報嚇退投資者。實際情況到底如何？至少干線“光纖過?！保╢iber glut）已是不爭的事實。當時即有一家獨立的通信業(yè)咨詢公司調查認為，多數運營商30~40%的容量閑置，一些甚至高達70%。從長途業(yè)務收費下降(當時Sprint收費為＄，是4年前ATamp。T的1/8)來看，供需明顯失衡。 超前建設的中國光傳送網國內學術權威人士2001年7月初在報刊上引用美林報告數據，并在10月全國光通信大會上指出，美國光纖使用率為3% (最多為5%)，我國情況類似，京漢廣沿線有五、六百芯光纖，用4根光纖采用6410Gb/s的WDM技術足矣，因為不可能全國人民同時打電話。然而風物長宜放眼量，語音帶寬固然只需64kb/s，但隨著網絡資源日益豐富，更多的數據業(yè)務（如流媒體）將通過廣域網（WAN）傳送，信息源在國外，情形就大不相同了。統(tǒng)計表明，現在WAN和LAN傳送的業(yè)務量已從早先的2：8變?yōu)?：2。來看運營部門的觀點。從1997年到2002年間，我國經歷了兩輪WDM長途網建設的高潮，從8 Gb/s、32 Gb/s、3210Gb/s、8010Gb/s、16010Gb/s，發(fā)展速度居于世界前列（每信道10 Gb/s也是在2001年才商業(yè)化）。在2002年10月召開的中國通信學會光電纜學術年會上，中國電信的參會人士稱，新世紀初用兩年時間進行的第二輪干線網建設已經結束，敷設的部分光纖（如北京到哈爾濱和北京到廣州的96芯光纜）實際并未使用，看不到今后新一輪大規(guī)模建設的必要；中國聯通的與會者稱五大運營商現有容量再過十年都用不完。還有報道稱到2002年底，我國五大運營商（中國電信、聯通、網通、移動和鐵通）的骨干網建設高潮已經過去，今后將進入平穩(wěn)發(fā)展的時期。作者在2001年底聽說，——聽說而已，廣州與汕頭間1999年建成8，但到2001年底仍按3，而2001年建成的3210Gb/s則完全閑置，這多少有些出人意料，因為汕頭是海纜登陸點。下面給出權威的報告。由信產部制訂的中國信產業(yè)“十五”發(fā)展規(guī)劃指出，按每對光纖開32波、,現有光纜干線能夠滿足2005年的業(yè)務需求。該報告同時認為，新型光纜網絡建設仍不可避免，“十五”期間將新建光纜線路約250萬芯公里。？ 目前的現狀是，骨干傳送網容量大為超前；在局域網領域，千兆局域網已成為主流，10Mb/s到桌面已出現，而萬兆以太網標準（IEEE ）已在2002年6月浮出水面；用戶終端（如計算機）主頻在飆升。兩頭已是夠寬，但用戶并未享受到寬帶的魅力，其間必然存在障礙和瓶頸。突破障礙即是贏得商機，因此下文將介紹光交換（節(jié)點）和城域網（Metropolitan Area Network，MAN）。5 交換瓶頸 交換容量的增長從2001年所作的統(tǒng)計（見表2）來看，交換容量增長跟不上傳送容量的增長，吞吐能力不夠。交換瓶頸好比是高速公路上竟然有塞車的十字路口。表2 1997年2000年增長倍數每根光纖傳送容量20（Gb/s）800（Gb/s）40倍每根光纜傳送容量400（Gb/s）80000（Gb/s）200倍每臺交換機容量55（Gb/s）640（Gb/s）12倍每臺交換機交換光纖數每根光纜所用交換機7臺125臺 注：1997年光纜平均芯數為20芯，2000年則為100芯。 四種交叉節(jié)點光交換機、光交叉連接矩陣和光路由器等名詞常?；煊茫跇I(yè)內人士看來自有差別。有文獻稱光交換是對鏈路中用戶信道之間光信號作實時通斷和換接處理，涉及大量用戶信道且交換頻繁；光交叉連接則實現通信網絡中的光信號在不同鏈路間建立連接或切換路由。更確切的含義應從交換節(jié)點分類來理解。（1）波長選擇交叉連接（WSC）光從一根光纖變換到另一根光纖，這是一種全透明的連接，光的分插（上下）復用（OADM）是其相對簡單的特例。雖然WSC沒有昂貴的光電處理，但它卻把復雜性轉移到網絡。另外其模擬性決定了產品的排它性，這是電信運營商難以接受的。（2）波長內部交換（WIC）又稱波長交換光交叉連接（OXC）。進入WIC的波長與出去波長間沒有任何關系，這是光交換技術實用化的重點領域。電交叉連接（EXC）在輸入和輸出段都有光電和電光轉發(fā)器，,例如遇到10 Gb/s 粒度的波長。遇40Gb/s信號將使系統(tǒng)更為復雜，端口數增多及功率消耗和機架尺寸增大暫且不論，衰減及阻抗不均勻已使其傳輸距離局限于半米內。在2001年，已商業(yè)化的、較典型的電交叉連接設備有Sycamore網絡公司型號為SN16000的產品，電端口為512╳512，粒度為OC48（），,用電纜作內連接。而OXC不存在帶寬限制，例如對40Gb/s信號可先用長距離接收機接收下來作3R處理，再以適于短距離傳輸的激光器將信號射入光交叉陣列中完成交叉，然后送到輸出端。有了OXC，WDM環(huán)網之間的互連可不經過復雜昂貴的DXC。最著名者當推Lucent公司的光波長路由器(其命運下文介紹)，采用256╳256光端口，進出可各有256個波長，可交叉粒度為OC768（40Gb/s），可達到的總的吞吐能力為10 Tb/s，每秒可處理數十億封電子郵件，交換速度比電交換快上16倍。（3）數字交叉連接（DXC或DCS）這是最基本的網元，已在SONET/SDH系統(tǒng)中大量使用。將輸入光按照時分解復用為SONET/SDH粒度（如SDH的STM1 ），每個子通道（subchannel）再通過DCS分別進行交叉連接。在輸出端，每個子信道再時分復用為高速光信號。DCS有很多低速端口，電交叉連接更為適合。（4）光分組（光包）交換對每個波長攜帶的數字包選擇路由。有人認為下一代交換將是WDM電路交換和光分組交換的混合型。如果說交叉連接好比是鐵路換軌，分組交換則是郵政局分揀信件。分組交換最顯著的要求是要快，交換時間（輸入控制信號前沿與輸出光信號前沿之時間差）要在納秒級；而WSC基本是一種長期連接，交叉連接達到毫秒級已能滿足要求。據稱現在市場上光分組交換設備能力已達到160Gb/s，繼續(xù)擴大容量需采用光并行處理等技術。但普遍認為，由于光器件的限制，光分組交換仍處于實驗室研究階段。從（1）到（4），功能逐漸增多，后者可代替前者。因為成本和規(guī)模能力的限制，不可能一下子提出一種最終解決方案。當前有了OADM和OXC，就可在光域以波長為基本交換單元解決節(jié)點容量擴展問題，基本適應向自動交換光網絡 (ASON)、或稱智能光網絡方向發(fā)展。 光交換技術 對于光交換技術，可根據利用何種光學現象將光從輸入端口轉向輸出端口進行分類；也可按交換煤質是自由空間還是波導細分，而波導是由哪些材料（是半導體還是LiNbO3晶體）制成將影響到成本和集成性。 不得不承認，現在還未有一種普遍認可的光交換技術，因而相互競爭的技術種類繁多。有Agilent公司基于噴墨打印技術開發(fā)的微氣泡交換技術、Cooch公司開發(fā)的基于聲光效應的交換設備，都無轉動部分，損耗小，但又存在其它問題。相對而言，微電子機械系統(tǒng)（MEMS）光交換較為成熟。然而MEMS交換機可靠性還有待實用的進一步檢驗，過高的驅動電壓（典型值為100V）也是一個問題。MEMS技術的光交換利用自由空間光互連，用電驅動微型鏡子（鏡片為單晶硅鍍金膜）旋轉，將光反射到相應的光纖中。屬機械式光開關，可以用光刻技術在硅襯底上集成多個尺寸為幾百um大小的微鏡。對于2維MEMS交換機，鏡子只有上下兩種位置（分別對應“通過”和“反射”兩種狀態(tài)），假定輸入輸出端口數為N（即N╳N結構），鏡子數目需N2個；3維（3D）MEMS交換機的鏡子可在二維方向上旋轉，驅動更為困難（需兩種模擬電壓），但其好處是明顯的：N╳N結構的光交叉連接只需2N個鏡子，適于端口數多的系統(tǒng)。通常N為132的光開關用于OADM或作為模塊組合為大容量光交換機，3232以上采用3D MEMS技術。目前看來3D MEMS交換機已放棄。由于MEMS交換響應時間為毫秒級，因而對于10Gb/s以上速率的信號還是顯得較慢,現在只能用于光交叉連接。凡是用機械和熱光效應的交換技術都不適合快速交換的要求。那么誰有更