【正文】 建設(shè)的全自動交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）中，Ciena公司的Core Director光交換機得到應(yīng)用。那么誰有更快的開關(guān)速度？鈮酸鋰（LiNbO3）MZ調(diào)制器和半導(dǎo)體光放大器可作為候選。由于MEMS交換響應(yīng)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(xiàn)在只能用于光交叉連接。通常N為132的光開關(guān)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(shù)。屬機械式光開關(guān)，可以用光刻技術(shù)在硅襯底上集成多個尺寸為幾百um大小的微鏡。然而MEMS交換機可靠性還有待實用的進(jìn)一步檢驗，過高的驅(qū)動電壓（典型值為100V）也是一個問題。有Agilent公司基于噴墨打印技術(shù)開發(fā)的微氣泡交換技術(shù)、Cooch公司開發(fā)的基于聲光效應(yīng)的交換設(shè)備，都無轉(zhuǎn)動部分，損耗小，但又存在其它問題。 光交換技術(shù) 對于光交換技術(shù)，可根據(jù)利用何種光學(xué)現(xiàn)象將光從輸入端口轉(zhuǎn)向輸出端口進(jìn)行分類；也可按交換煤質(zhì)是自由空間還是波導(dǎo)細(xì)分，而波導(dǎo)是由哪些材料（是半導(dǎo)體還是LiNbO3晶體）制成將影響到成本和集成性。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。但普遍認(rèn)為，由于光器件的限制，光分組交換仍處于實驗室研究階段。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(dá)到毫秒級已能滿足要求。有人認(rèn)為下一代交換將是WDM電路交換和光分組交換的混合型。DCS有很多低速端口，電交叉連接更為適合。將輸入光按照時分解復(fù)用為SONET/SDH粒度（如SDH的STM1 ），每個子通道（subchannel）再通過DCS分別進(jìn)行交叉連接。最著名者當(dāng)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(jìn)出可各有256個波長，可交叉粒度為OC768（40Gb/s），可達(dá)到的總的吞吐能力為10 Tb/s，每秒可處理數(shù)十億封電子郵件，交換速度比電交換快上16倍。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?shù)募す馄鲗⑿盘柹淙牍饨徊骊嚵兄型瓿山徊?，然后送到輸出端。?0Gb/s信號將使系統(tǒng)更為復(fù)雜，端口數(shù)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(nèi)。進(jìn)入WIC的波長與出去波長間沒有任何關(guān)系，這是光交換技術(shù)實用化的重點領(lǐng)域。另外其模擬性決定了產(chǎn)品的排它性，這是電信運營商難以接受的。（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(fù)用（OADM）是其相對簡單的特例。有文獻(xiàn)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(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中的光信號在不同鏈路間建立連接或切換路由。表2 1997年2000年增長倍數(shù)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(shù)每根光纜所用交換機7臺125臺 注：1997年光纜平均芯數(shù)為20芯，2000年則為100芯。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。兩頭已是夠?qū)挘脩舨⑽聪硎艿綄拵У镊攘?，其間必然存在障礙和瓶頸。該報告同時認(rèn)為，新型光纜網(wǎng)絡(luò)建設(shè)仍不可避免，“十五”期間將新建光纜線路約250萬芯公里。下面給出權(quán)威的報告。還有報道稱到2002年底，我國五大運營商（中國電信、聯(lián)通、網(wǎng)通、移動和鐵通）的骨干網(wǎng)建設(shè)高潮已經(jīng)過去，今后將進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展的時期。從1997年到2002年間，我國經(jīng)歷了兩輪WDM長途網(wǎng)建設(shè)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）。統(tǒng)計表明，現(xiàn)在WAN和LAN傳送的業(yè)務(wù)量已從早先的2：8變?yōu)?：2。 超前建設(shè)的中國光傳送網(wǎng)國內(nèi)學(xué)術(shù)權(quán)威人士2001年7月初在報刊上引用美林報告數(shù)據(jù)，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(shù)足矣，因為不可能全國人民同時打電話。從長途業(yè)務(wù)收費下降(當(dāng)時Sprint收費為＄，是4年前ATamp。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。報告撰寫人后來也出來澄清，%數(shù)據(jù)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(wù)具有突發(fā)性，峰值業(yè)務(wù)量與平均值之比可達(dá)10：1），也未考慮保護(hù)容量，保護(hù)容量可占40%。 暗光纖和通光光纖很多人怪罪美林報告將水?dāng)嚋?，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。調(diào)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。 反對聲鵲起美林報告對想從風(fēng)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。6月，華爾街日報(WSJ)引用該報告數(shù)據(jù)。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(biāo)表示骨干傳送網(wǎng)容量的平均利用率，%。遠(yuǎn)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(shù)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(qū)動。上述方案其實是將高速ETDM和DWDM結(jié)合起來獲得大容量?，F(xiàn)將OFC2001公布的進(jìn)展列表于下（表1），很多論文中都有類似總結(jié)。骨干光傳送網(wǎng)容量的競賽有了EDFA和DWDM，再加上其它多項技術(shù)，一些通信設(shè)備大公司展開了通信容量競賽。（4）摻鉺波導(dǎo)放大器（EDWA）EDWA借鑒了EDFA的技術(shù)，結(jié)合OEIC技術(shù)設(shè)計而成，只需幾厘米長的高濃度增益波導(dǎo)（增益介質(zhì)可以是摻鉺的磷酸鹽玻璃），放大器結(jié)構(gòu)緊湊，預(yù)計今后將在城域網(wǎng)中得以應(yīng)用。最近重新引起興趣是看到它可在光時分應(yīng)用和波長變換、全光再生、光門型光開關(guān)和光相位配合等光信號處理上有潛力。它是今后1310nm附近實現(xiàn)DWDM的一種備選方案。它適于短距離傳輸，隨著技術(shù)的進(jìn)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(dá)160km。（3）半導(dǎo)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。雖然RFA可以普通光纖為增益介質(zhì)，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。這種激光器為AlGaAs 或AlGaInAs材料體系，可用MBE和OMVPE(金屬有機物氣相外延)工藝生產(chǎn)，現(xiàn)在的關(guān)鍵問題有解決激光器內(nèi)反射鏡鈍化以提高其可靠性，特別是當(dāng)泵浦功率提高時這一問題已很突出。早先主要是采用基于成熟的InGaAsP技術(shù)的1480nm波長的激光器，雖有較高的光轉(zhuǎn)換系數(shù)，但泵浦波長距C波段太近，增加了RFA的NF，當(dāng)DWDM系統(tǒng)波長間隔小于100GHz時較為不利。例如在OFC2002上貝爾實驗室報道用一個波長為1100nm的包層泵浦激光器加上光纖光柵，同時得到1365和1455nm波長的激光輸出。拉曼放大器自身有增益頻譜曲線平坦的優(yōu)點，并且可用多波長泵浦光源獲得更寬的增益頻譜。通常所說RFA的OSNR好的含義是，RFA通常置于系統(tǒng)中每個傳輸段末端，采用反向泵浦，避免將泵浦的相對強度噪聲引入信號光；分布式的特點可減少起始段的光功率，因而減輕或消除了光纖非線性效應(yīng)。RFA多采用分布式結(jié)構(gòu)，與SOA和EDFA利用受激輻射不同，拉曼放大器中光纖既是傳輸介質(zhì)又是增益介質(zhì)，具備這樣雙重作用的光纖長度大致有30公里。從認(rèn)識論的角度來看，不要一提到非線性效應(yīng)就頭疼，現(xiàn)在有利用非線性效應(yīng)制成波長轉(zhuǎn)換器，解決同一目的地相同波長光信號匯聚；而光孤子通信也是利用非線性效應(yīng)克服隨機性：SPM使光脈沖變窄而PMD使脈沖展寬；最新的例子是OFC2002上貝爾實驗室報道的利用高度非線性光纖實現(xiàn)1╳106km的40Gb/s信號偽線性傳輸（pseudolinear transmission）。如果用非等距信道間隔,對減輕FWM有利,也有利于減輕EDFA的增益譜不平坦。首先要了解的一個事實是光纖傳輸鏈路全長上非線性效應(yīng)有強有弱，原因是與電場一樣，非線性均由過高的功率引起（在移動通信基站天饋線系統(tǒng)中同樣可能存在交叉相位調(diào)制現(xiàn)象），而光纖全長的功率分配是不一致的。拉曼效應(yīng)是一種非線性效應(yīng)。到了九十年代末期，多種高功率激光源的出現(xiàn)和擴(kuò)展光通信帶寬的需要才重新點燃研究RFA的熱情，此時距發(fā)現(xiàn)拉曼散射已經(jīng)過漫長的歲月。拉曼效應(yīng)早在1928年就由印度籍科學(xué)家拉曼所發(fā)現(xiàn)，光纖中的拉曼效應(yīng)則在1972年被發(fā)現(xiàn)，即入射光被光纖中的分子散射，產(chǎn)生非傳輸?shù)姆肿诱駝樱芰肯虻皖l光轉(zhuǎn)移。采用軟件實現(xiàn)的信道功率監(jiān)測技術(shù)和泵浦功率調(diào)節(jié)技術(shù)既可降低成本，又保證調(diào)節(jié)速度足夠快。在GEF基礎(chǔ)上發(fā)展出了動態(tài)增益均衡（DGE）模塊，這對于光信號頻繁上下造成線路損耗隨時動態(tài)變化的城域網(wǎng)來說尤其重要。其中GEF為基于石英光纖的EDFA拓寬帶寬提供了可能性，它瞄準(zhǔn)的是在C波段上滿負(fù)荷運行的EDFA。除上述要求外，EDFA應(yīng)有靈活性，能保持輸出信號功率的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的制造EDF的方法是將疏松的石英芯棒浸入鉺離子溶液，讓鉺離子擴(kuò)散進(jìn)入纖芯，效率不高自不待言，結(jié)果必然是越接近纖芯中央鉺離子濃度越低，剛好與所希望的情形相反（纖芯中央光場強度最高）。因此有必要選擇材料以外的其它方法，不能寄希望于有朝一日發(fā)現(xiàn)新材料。研究成果有：摻鐠（Pr3+）的氟化物和硫化物玻璃光纖放大器合起來使用可得到1290~1350nm波段平坦的增益譜；摻鉺的氟化物光纖放大器，帶寬得到擴(kuò)展，具有較好的增益平坦度；碲（Te）、鉛/石英基玻璃材料在開發(fā)寬帶EDFA上顯示出很好的光譜特性，有帶寬達(dá)80nm的報道，對S波段應(yīng)用很有吸引力，但Te具有高的光學(xué)非線性；在ZBLAN氟化物光纖中加銩（Tm）制成的光放大器（TDFA）有希望用于S波段。新型EDFA的研發(fā)應(yīng)當(dāng)跳出增益光纖基質(zhì)玻璃為石英的思路，采用其它材料。其實EDF中還摻鋁以改善增益平坦度和提高鉺離子的濃度，在保證增益的條件下減少所需摻鉺光纖的長度；也可能摻其它金屬作為鉺的激活劑。然而摻鉺光纖（EDF）在L波段的增益效率低，所需EDF較長，一般來說需要5倍于C波段的增益光纖長度，因而噪聲系數(shù)（NF）大。這里側(cè)重于性能方面的介紹。 光放大器發(fā)展動態(tài)雖然有公司2002年年終估計當(dāng)年光放大器市場不過7億美元，預(yù)測2006年會達(dá)到11億，遠(yuǎn)低于此前樂觀預(yù)測的47億，但這并不影響對它的研究熱情。2001年，Corvis公司在芝加哥至西雅圖的路由上實現(xiàn)3200km 160；2002年年初的報道是，Qtera公司實現(xiàn)了4000km 的10Gb/s光信號的無電中繼傳輸。一般每隔5至8個光放大器（約700km）就要電中繼作3R處理。EDFA“透明”的特點意味著它可同時放大多個波長的信號，而不是一個波長一個放大器，且與信號速率、格式無關(guān)，從而降低了系統(tǒng)成本，通信系統(tǒng)因而有可能從點到點鏈路發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)的水平。EDFA出現(xiàn)以前，在中繼站將每個光信號轉(zhuǎn)換為電信號放大處理后再轉(zhuǎn)換回光信號繼續(xù)傳輸，成本高昂，例如世界上第一條跨洋海纜系統(tǒng)（TAT8）每隔35~50km就要安裝一個中繼器。1996年，AT＆T和Alcatel將EDFA用于跨大西洋的海底光纜線路，每信道5Gb/s。其間貝爾實驗室受用EDFA開通WDM可大大降低系統(tǒng)費用的前景所驅(qū)動，開始研發(fā)長途W(wǎng)DM系統(tǒng)。 開發(fā)歷史和意義 從技術(shù)史的角度來看，相當(dāng)于電子技術(shù)中晶體管的發(fā)明。摻鉺光纖（EDF）是在光纖芯子中摻入稀土鉺離子(Er 3+)作為增益介質(zhì)，泵浦激光器將Er 3+從基態(tài)能級激發(fā)到高能級，好比水向高處流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；在高能級停留短暫的時間后，在外來光子（即傳輸光波粒子）光場的感應(yīng)下，一起驟然返回到低能級，并釋放出與入射光子波長、方向、相位相同的光子，這樣實現(xiàn)了把能量持續(xù)不斷地傳遞給光子，或者說增加了傳輸光子的數(shù)量，達(dá)到了放大的目的。 摻鉺光纖放大器（EDFA）可以說天賜良緣讓EDFA和WDM結(jié)合，寬帶才可能成為現(xiàn)實。有挑戰(zhàn)就有人應(yīng)答，例如BaySpec公司推出基于先進(jìn)的VPG（Volume Phase Gratings）技術(shù)的DWDM元件，在0~70℃使用溫度內(nèi)，℃，℃，已用于Mux/DeMux、光通道性能監(jiān)測器、便攜式光譜分析儀等產(chǎn)品；OFC2002上有英國大學(xué)利用光注入鎖相環(huán)技術(shù)（OIPLL）將寬調(diào)諧取樣光柵的DBR激光器（SGDBR LD）在室溫條件下相鄰信道間隔頻移控制在1Hz內(nèi)的報道，10Gb/s 。 那么是否可以依靠進(jìn)一步將信道間隔變窄來得到更多的帶寬？凡事都有限度。在ITUT ~ nm按100GHz（）間隔分為41個信道，（）。~2nm或更小。例如可采用非致冷激光器，功耗下降，封裝成本也降低,其成本是DWDM激光器的三分之一；而用薄膜濾光器（TFF）制成的復(fù)用解復(fù)用器（Mux/DeMux）已完全滿足要求。ITUT ，在1270~1610 nm全頻譜可以有18個波長。當(dāng)前現(xiàn)實的擴(kuò)大帶寬的方法是波分復(fù)用技術(shù)（WDM）。OTDM是單波長高速光信號處理技術(shù)，無非線性效應(yīng)，對光放大器平坦度要求低，但采用歸零超短脈沖，占用帶寬很寬，受色散影響大。方法之三是采用光時分復(fù)用（OTDM）技術(shù)。符合ITUT （NZDSF）在C波段的典型CD值為4 ps/（nm_km），因而10Gb/s系統(tǒng)色