【正文】 現(xiàn)如此巨大的容量始于波分復用技術(WDM)和摻鉺光纖放大器(EDFA)的應用。到了九十年代中期，以WDM、EDFA技術為基石的第五代光通信系統(tǒng)已發(fā)展起來，其里程碑是1996年初富士通、貝爾實驗室、NTT突破1Tb/s，人類社會進入太拉（Tera）通信世紀。 提高系統(tǒng)容量的基本途徑其一是采用新的編碼技術。付出約7%帶寬的代價，卻可將誤碼率（BER）從105降至1015，或者說可以獲得6dB的編碼增益。當然光通信不必如銅纜通信系統(tǒng)那樣倚重復雜的編碼技術來實現(xiàn)高傳輸速率，后者頻譜資源有限，只得在編碼上多花氣力。CD是限制外調(diào)光信號傳輸距離的主要因素，用公式表達如下：Ld≈105/（D_B2），Ld為色散限制距離（km），D為光纖色散（ps/（nm_km）），B為傳輸速率（Gb/s）。要增加距離必須進行色散補償，目前最為普遍的仍然是采用色散補償光纖（DCF），其D為90~150ps/（nm_km）。選擇色散補償程度和位置十分重要，不能簡單一插了事，應使線路終端接收到的沿線累積色散盡量小，同時又保留沿線局部色散以不斷分開波長靠得較近﹑相互間“糾纏不休”的多個光信號。至于偏振模色散（PMD），對于10Gb/s系統(tǒng)已不是問題，但對于早年敷設的光纖或40Gb/s系統(tǒng)則不容忽視。同一波長光載波的各路信號占用不同時隙，例如160Gb/s的信號可由4路40Gb/s的光脈沖按時序復接產(chǎn)生，與ETDM不同，ETDM是基于電邏輯器件處理時分復用信息。從器件要求來看，需高度相干的高速窄脈沖激光器和延時器等器件，雖在2000年即有OTDM系統(tǒng)最高容量達到1280Gb/s的報道，實際上目前尚處于實驗研究階段。 WDM意義及分類根據(jù)相鄰波長間隔的大小，WDM分為密集波分復用（DWDM）和稀疏波分復用（CWDM）。由于波長間隔大和信道數(shù)有限，可以避免出現(xiàn)光纖非線性效應，相關元件的成本可大為降低。有統(tǒng)計顯示CWDM與DWDM相比，總成本可降低35~65%，因而有人認為，繼同步數(shù)字體系（SDH）/SONET和EDFA帶動光傳送網(wǎng)帶寬上升之后，在城域網(wǎng)（下文詳介）中采用CWDM將促進第三波帶寬增長時期的到來。具體細分時是按照頻率而不是波長來保持每波信號間隔。應當習慣于用頻率而不僅是波長，因為波長依賴于光波導的特性，沿用波長描述系統(tǒng)和元件就不準確。進入光纖的激光束增多、光功率增大后帶來非線性效應，為此不得不降低輸入光功率，從而降低了傳輸距離；其次是面臨提高器件頻率精度和穩(wěn)定度的挑戰(zhàn)。然而這些成功產(chǎn)品現(xiàn)在還所費不菲，從而限制了DWDM進一步細分。 原理簡說 其工作原理與水泵將水提升至一定高度后突然放掉相似。計算顯示，光通信系統(tǒng)無誤碼（BER為109）。最近十年來，光通信領域再沒有一項發(fā)明象EDFA那樣耀眼，但其實EDFA歷史至少可追溯到上世紀六十年代初美國光學公司斯尼澤（Elias Snitzer）所作的開創(chuàng)性工作，只是在1988年英國南安普頓大學佩恩（David Payne）教授在不知曉前輩工作的情況下“重新發(fā)明”的EDFA才引起了世人的注意，1989年，日本NTT實驗室驗證了EDFA。1990年，貝爾實驗室將EDFA用于長途通信。 EDFA采用980、1480nm光為泵浦，釋放的光子波長恰恰落在C波段，這是大自然對人類的饋贈。有了EDFA，光纖衰減不再是限制傳輸距離的首要因素，取而代之的是光纖色散和激光器啁啾。當然在每個EDFA處，其自發(fā)輻射噪聲（ASE）加入并在其后的EDFA處得到放大和逐段累積，所以超長距離傳輸仍要電中繼。隨著技術的進步，全光傳輸距離大幅度提升，已有聲稱達6000km的報道。這家公司1999年被北電網(wǎng)絡公司（Nortel）收購，看中其超長距離傳輸技術，合并耗資＄。光放大器應當成為光通信系統(tǒng)中的尋常器件，降低其成本和提高其性能同樣重要。（1）新型EDFA對新型EDFA的主要要求有：寬帶化，覆蓋C+L波段，現(xiàn)在主流產(chǎn)品還是單波段；增益光譜曲線平坦，消除多個EDFA級聯(lián)時增益不平坦累積，不能單靠削平增益高峰來達到目的，但現(xiàn)在雙波段EDFA很難達到這一要求，因此還得靠用光纖光柵濾光器將C波段和L波段的信號分離、各自放大后再合并起來。EDFA的核心技術有EDF。在石英基光纖中摻入其它稀土可得到額外帶寬，但量子效率低。在提高稀土離子發(fā)光效率方面，硫化物和氟化物光纖比氧化物（如二氧化硅）光纖好。然而光通信行業(yè)已習慣于石英基的光纖放大器，原因有其它基質(zhì)的光纖、如氟化物光纖的吸潮性及其與石英光纖間的接續(xù)仍未得到很好解決。對EDF的改進可從以下幾方面入手：為了與高功率泵浦激光器配合，采用雙包層單模光纖結(jié)構(gòu)；一種新型EDF的截止頻率提高，模場直徑小，纖芯集中了90%的光功率，以此提高信號光纖和EDF之間的光功率耦合；提高EDF纖芯鉺離子濃度均勻性；在不對EDFA的NF產(chǎn)生較大影響的前提下盡可能提高鉺離子濃度，并且鉺離子不會兩兩配對而不“干活”。2002年底有報道一家名不見經(jīng)傳的公司采用將光纖材料和想加入的“佐料”一并通入高溫爐中燒結(jié)制得EDF預制棒芯層部分，估計最后還要結(jié)合“管套棒”法（rodintube，RIT）來加外包層套管?，F(xiàn)在EDFA正從單一的放大器變?yōu)槎喙δ芫W(wǎng)元（網(wǎng)絡中所有被管理的有源和無源部件都叫網(wǎng)元），包括ASE濾光器、增益均衡濾光器（GEF）、增益斜率控制器和色散補償器，當然不是在每級光放大器都需要這些功能元件。在超長距離傳輸系統(tǒng)中，甚至在50個光放大器后才加上電中繼，因此單個EDFA的增益平坦度非常重要，以免各信道OSNR差別太過懸殊。高性能EDFA離不開軟件技術的支持，例如它對每信道光功率的調(diào)節(jié)。 （2）拉曼光纖放大器（RFA）RFA的優(yōu)點首先在于其原理簡單，將信號光與泵浦光打入光纖即可。雖然早在1983年即已發(fā)現(xiàn)可利用該現(xiàn)象實現(xiàn)光放大，但直到上世紀九十年代初期都還是將其作為一種非線性缺陷加以研究，看來EDFA的成功掩蓋了開發(fā)RFA的必要性。由此可見開發(fā)新型光通信器件既有賴于發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，更多的則是利用已發(fā)現(xiàn)的各種效應。這里對光纖非線性效應稍加總結(jié)。光纖非線性效應可分為兩大類，一類是光場強度變化造成光纖折射率的變化，即所謂克爾效應，由此衍生出自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）和四波混頻（FWM），后兩種為多信道通信的光纖所獨有，我們不能停留在光纖沒有銅纜串音缺點的粗淺認識上。另一類是受激散射，包括拉曼散射（SRS）和布里淵散射（SBS）。RFA誘人之處是從理論上來說可用于包括S波段在內(nèi)的全頻譜放大，但其實受到泵浦激光源波長限制，其Stokes偏移頻率約13THz，在C波段相當于放大峰值波長與光源波長相差100nm。由此帶來一系列好處，例如可減小每信道的功率，噪聲系數(shù)也降低。RFA與EDFA配合使用，各盡所能，可使光放大距離延長，同時RFA還可補償EDFA在1570~1625nm波長上的低增益，已有帶寬達108nm的報道。當然這里所謂的“平坦”也是相對而言，近年來的一個研究重點即是泵浦多波長和功率間如何優(yōu)化組合以實現(xiàn)增益譜平坦；而多波長也不一定來自多個泵浦激光器，正在研究用一個光源加上光纖布拉格光柵（FBG）得到一階、二階乃至三階泵浦光源，以減少激光器的個數(shù)，降低成本。如果說EDFA關鍵元件主要是EDF，那么RFA的關鍵則是泵浦激光源。1993年980 nm波長的泵浦激光器開始商用化，這是面向C波段的三級泵浦，NF小，光電功率轉(zhuǎn)換高，已成為RFA的首選。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(xiàn)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。也有分立式RFA，起增益作用的光纖長度在10km以內(nèi)，這種放大器提高增益難度更大，產(chǎn)品報道很少。其缺點有串音相對較高，偏振相關性大。SOA的吸引力在于它可用集成電路的生產(chǎn)工藝大量生產(chǎn)，而且結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，易于集成。有人稱如果能做到每只1千美金，那會是另一番景象。這一行知名的公司如Genoa公司已有很好的SOA產(chǎn)品，用應變量子阱材料制成。在OFC2002上法國Teem光學公司和Inplane 光學公司都有產(chǎn)品推出。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(xiàn)在的2年。表1 公司波長數(shù)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(xiàn)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。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。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(zhuǎn)給Nortel，結(jié)果在其后爆發(fā)的10Gb/s大戰(zhàn)中，Nortel成為霸主。 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。此報告一經(jīng)披露，“攪得周天寒徹”。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(jīng)過對24條業(yè)務路由的分析證明，多數(shù)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%。報告的中立性同樣值得懷疑。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。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。當時即有一家獨立的通信業(yè)咨詢公司調(diào)查認為，多數(shù)運營商30~40%的容量閑置，一些甚至高達70%。T的1/8)來看，供需明顯失衡。然而風物長宜放眼量，語音帶寬固然只需64kb/s，但隨著網(wǎng)絡資源日益豐富，更多的數(shù)據(jù)業(yè)務（如流媒體）將通過廣域網(wǎng)（WAN）傳送，信息源在國外，情形就大不相同了。來看運營部門的觀點。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(wǎng)建設已經(jīng)結(jié)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(lián)通的與會者稱五大運營商現(xiàn)有容量再過十年都用不完。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。由信產(chǎn)部制訂的中國信產(chǎn)業(yè)“十五”發(fā)展規(guī)劃指出，按每對光纖開32波、,現(xiàn)有光纜干線能夠滿足2005年的業(yè)務需求。？ 目前的現(xiàn)狀是，骨干傳送網(wǎng)容量大為超前；在局域網(wǎng)領域，千兆局域網(wǎng)已成為主流，10Mb/s到桌面已出現(xiàn)，而萬兆以太網(wǎng)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。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(wǎng)（Metropolitan Area Network，MAN）。交換瓶頸好比是高速公路上竟然有塞車的十字路口。 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常混用，但在業(yè)內(nèi)人士看來自有差別。更確切的含義應從交換節(jié)點分類來理解。雖然WSC沒有昂貴的光電處理，但它卻把復雜性轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡。（2）波長內(nèi)部交換（WIC）又稱波長交換光交叉連接（OXC）。電交叉連接（EXC）在輸入和輸出段都有光電和電光轉(zhuǎn)發(fā)器，,例如遇到10 Gb/s 粒度的波長。在2001年，已商業(yè)化的、較典型的電交叉連接設備有Sycamore網(wǎng)絡公司型號為SN16000的產(chǎn)品，電端口為512╳512，粒度為OC48（），,用電纜作內(nèi)連接。有了OXC，WDM環(huán)網(wǎng)之間的互連可不經(jīng)過復雜昂貴的DXC。（3）數(shù)字交叉連接（DXC或DCS）這是最基本的網(wǎng)元，已在SONET/SDH系統(tǒng)中大量使用。在輸出端，每個子信道再時分復用為高速光信號。（4）光分組（光包）交換對每個波長攜帶的數(shù)字包選擇路由。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。據(jù)稱現(xiàn)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。從（1）到（4），功能逐漸增多，后者可代替前者。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(wǎng)絡 (ASON)、或稱智能光網(wǎng)絡方向發(fā)展。 不得不承認，現(xiàn)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。相對而言，微電子機械系統(tǒng)（MEMS）光交換較為成熟。MEMS技術的光交換利用自由空間光互連，用電驅(qū)動微型鏡子（鏡片為單晶硅鍍金膜）旋轉(zhuǎn)，將光反射到相應的光纖中。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(shù)為N（即N╳N結(jié)構(gòu)），鏡子數(shù)目需N2個；3維（3D）MEMS交換機的鏡子可在二維方向上旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動更為困難（需兩種模擬