中國工程院院士 趙梓森
由于2001年IT行業(yè)，更確切地說是通信行業(yè)有泡沫，使通信行業(yè)的市場在2002～2003年不景氣。于是今年光纖通信技術(shù)的進(jìn)步不大，當(dāng)然也有一定的進(jìn)步。本文簡略討論2003年光纖通信技術(shù)的進(jìn)步。
1. 光纖通信系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步
2001年，世界光纖通信傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)的最高速率為10Tb/s，至今也仍然如此。但也有如下一些進(jìn)步：
●光差分相移鍵控(DPSK)系統(tǒng)的研究(ThE1)
采用DPSK系統(tǒng)可以壓縮傳輸頻帶，使頻帶利用率提高到0.8bit/Hz(一般0.4bit/Hz)。系統(tǒng)比較復(fù)雜，在大容量長距離傳輸?shù)那闆r下才顯示其經(jīng)濟(jì)性。這里以 Lucent 的歸零碼差分相移鍵控RZ-DPSK試驗(yàn)系統(tǒng)為例來說明其工作原理，參閱圖1（ThE3）。所謂歸零碼差分相移鍵控RZ-DPSK，即前后2個(gè)信號的載波相位相同是信號“1”；前后2個(gè)信號的載波相位相反是信號“0”,光作為載波，見圖1右下角。在發(fā)送端，某波長的光，經(jīng)過AWG光濾波器，進(jìn)入馬赫曾德調(diào)制器MZM-PC(Mach Zehnder Modulator-Pulse Carver)，產(chǎn)生10Gb/s的光脈沖串。再經(jīng)過MZM-DM 數(shù)據(jù)調(diào)制，成為光RZ-DPSK信號，又經(jīng)過色散預(yù)補(bǔ)償Precomp進(jìn)入環(huán)測線路。環(huán)測線路是由聲光開關(guān)AOS、真波低色散斜率光纖TWRS、色散補(bǔ)償光纖DCF、動(dòng)態(tài)增益均衡濾波器DGEF所組成。在接收端，光信號經(jīng)過后色散補(bǔ)償Postcomp進(jìn)入光帶通濾波器BPF，再經(jīng)過延遲干涉器DI和平衡接收機(jī)可把RZ-DPSK信號檢測還原成通常的二進(jìn)制信號。BERT是誤碼檢測儀。該系統(tǒng)工作波長范圍為1555～1580nm，50GHz 間隔。采用光RZ-DPSK調(diào)制的好處是：比通常的二進(jìn)制光開關(guān)鍵控OOK(On-Off Keying)調(diào)制的S/N比好3dB，同時(shí)可減少非線性交叉相位調(diào)制XPM的影響。
日本NTT研究的CS-DPSK(Carrier Suppressed DPSK) 系統(tǒng)，是對載波頻帶再壓縮，其原理大同小異。相比較可得到1dB的代價(jià)改善。
●UL波段在城域網(wǎng)使用（MF-75）
許多大城市使用光纖通信比較早。早期的光纖的水含量比較多，在短波長S處，損耗比較大。在需要用DWDM擴(kuò)大容量時(shí)，可以采用長波長L和超長波長UL波段。巴西某工程使用了1525～1565nm的波長。線路全長75km。該線路還采用了UL波段的Raman放大器，UL Raman放大比其他波段信噪比優(yōu)1dB，但光泵功率要求大15%。光泵：用1480nm泵入的。線路的特性和有UL-Raman放大的線路損耗如表1和圖2所示：
●日本第一個(gè)波長路由試驗(yàn)線(ThAA5)
日本在北海道的Chitose市（千歲市）進(jìn)行了采用波長可變路由器的工程應(yīng)用試驗(yàn)，如圖3所示。采用了全網(wǎng)格WDM（full mesh WDM），波長范圍 1535.82～1560.61nm，0.8 nm 間隔(ITU-T)。速率：2.5Gb/s（節(jié)點(diǎn)1-3）。共有43個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，但試用了5個(gè)節(jié)點(diǎn)，5km半徑。用SMF星形連接，內(nèi)無光電變換。 器件采用 AWG 32×32。
該網(wǎng)絡(luò)用于多業(yè)務(wù)，包括在VOD系統(tǒng)中提供的8Mb/s的MPEG-2視頻流、HD-SDI 高分辨串行數(shù)字接口和專用網(wǎng)等。需要多協(xié)議：包括SDH、ATM、IP、GbE。網(wǎng)絡(luò)管理由東京以西距離千歲市約1000km的NTT R&D中心控制。該網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是：靈活，速度易改變，如1～40Gb/s，網(wǎng)絡(luò)交換可在光層擴(kuò)大到100×100，采用波長可調(diào)光源，傳輸目的地可方便改變。
●光纖到家庭——采用光無源以太網(wǎng)的試驗(yàn)網(wǎng)FTTH-EPON（ThAA2）
日本KDDI的FTTH試驗(yàn)網(wǎng)如圖4所示。在450個(gè)用戶中，96個(gè)用戶用EPON/每戶1光纖。連接中心局用Gb-Ethernet。光節(jié)點(diǎn)單元ONU間隔距離20km。用戶下行帶寬：100Mb/s，用戶上行帶寬：2～100Mb/s(采用動(dòng)態(tài)帶寬設(shè)定：ITU-T G983.4)。視頻流速率8Mb/s。在該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了業(yè)務(wù)量的測定。觀察到在20:00～22:00時(shí)，視頻流瞬間超過500Mb/s。(圖內(nèi)英文縮寫：FE—Fast Ethernet（快速以太網(wǎng))，HGW—Home Gateway（家庭網(wǎng)關(guān)），RGW—Residential Gateway（住宅網(wǎng)關(guān)），OLT—Optical Line Terminal（光線路終端），ONU—Optical Network Unit（光網(wǎng)絡(luò)單元））
●光包交換
●光網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展（WH1）
日本NTT光網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程如下：
1997～2001年：技術(shù)上采用DWDM-p to p，點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（圖5），容量100Gb/s。
2001～2003年：采用DWDM-Ring(圖6)，具有OADM的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，容量約100Gb/s。
2003～2004年：采用具有OXC-OADM的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(圖7)，容量1～10Tb/s。
2005年以后：采用光突發(fā)路由技術(shù)，容量>10Tb/s。日本NTT已經(jīng)開始對光包交換以及光標(biāo)簽交換路由器進(jìn)行研究(FS1)。
�。ㄗⅲ涸髡哳A(yù)計(jì)NTT的進(jìn)度是開發(fā)時(shí)間，筆者認(rèn)為商用可能要慢2～3年）
●對光纖到家庭FTTH的看法（Cominet；PFI；TuR1）
長期以來，人們都認(rèn)為光纖到家庭（FTTH）是最理想的接入網(wǎng)技術(shù)，因?yàn)镕TTH具有極大的帶寬。但過去因?yàn)楣怆娮悠骷䞍r(jià)格昂貴，難以普及。近來，光電子器件有較大的突破，以前價(jià)格為千元人民幣的光收發(fā)模塊，現(xiàn)在只要200元，其價(jià)格已可與ADSL、Cable Modem相比。特別是目前光纖的價(jià)格比電線還低。發(fā)展FTTH現(xiàn)在已經(jīng)具備一定條件。
發(fā)達(dá)國家、世界大運(yùn)行商對FTTH的發(fā)展的看法也各不相同。日本大力發(fā)展FTTH。根據(jù)PIF(Photonic Internet Forum)的統(tǒng)計(jì)，日本2003年FTTH的用戶只有350萬。在2005年日本FTTH將成為主流。
美國AT&T認(rèn)為（OFC 2003 ，TuR1），F(xiàn)TTH 是否有需求？認(rèn)為在30～50年后才會(huì)成為主流�？赡苁敲绹腁DSL、Cable Modem和衛(wèi)星TV廣播已經(jīng)普遍采用，要對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源充分利用。近來美國的Verizon 和Spring公司要在10～12年內(nèi)建成FTTH網(wǎng)。
2．光電子器件和光纖的進(jìn)步
在2002～2003年，盡管通信業(yè)不景氣，世界各大公司和大學(xué)對光電子器件的研究并沒有停止，出現(xiàn)了各式各樣的新器件。筆者只對一些有前景和有特色的進(jìn)行介紹。
●40Gb/s EAM-DFB 集成器件（TuP4）
通常數(shù)據(jù)速率高達(dá)40Gb/s時(shí)，需要用LiNbO3外調(diào)制器，但其價(jià)格貴，體積大。EAM半導(dǎo)體電吸收外調(diào)制器體積小，便于集成。OKI公司研制了把DFB激光器和EAM集在一起的光電子器件。采用結(jié)構(gòu)：MQW-DFB-EAM，波長：1310 nm，消光比：9.77dB，電回?fù)p<-9dB。采用NRZ碼進(jìn)行了傳輸試驗(yàn)，傳輸距離>2km（無色散補(bǔ)償）�？捎糜谏醵叹嚯x傳輸VSR（Very Short Reach）。E/O響應(yīng)特性如圖9所示。
●液晶電調(diào)光濾波器（MF-28)
NanoOpto公司研制的液晶電調(diào)光濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖10。其中的光柵構(gòu)成諧振腔，利用電壓調(diào)變液晶的參數(shù)，改變諧振波長。不諧振時(shí)透過；諧振時(shí)不能透過，從而實(shí)現(xiàn)濾波作用。其可調(diào)范圍：30nm。ITO氧化錫銦是透明的電極。液晶器件的優(yōu)點(diǎn)是功耗極小。
●64×64波長可調(diào)光交換（PD8）
Lucent公司采用AWG無源光濾波器和波長可調(diào)激光器構(gòu)成64×64光交換。即它有64個(gè)入口和64個(gè)出口。在任何一個(gè)入口，改變激光器的波長便可選擇其目的出口，實(shí)現(xiàn)光交換。每個(gè)信號的速率為40Gb/s，則其吞吐量可達(dá)的有效面積在多波長傳輸時(shí)，可以減少非線性的影響。中等色散可以減少色散補(bǔ)償。其折射率分布如圖12。這種光纖屬于環(huán)狀光纖，它與常規(guī)單模光纖相連接時(shí)，連接損耗約0.1dB。該公司研制了3種光纖，其中P-MDF-1、P-MDF-2為正色散光纖，N-MDFEA為負(fù)色散光纖，它們的參數(shù)如表2所示。
用這些正負(fù)中等色散光纖連接長50km的線路，并且使總色散補(bǔ)償為0，光纖線路的參數(shù)如表3所示，是相當(dāng)滿意的結(jié)果。
●光纖內(nèi)電極偏振控制器（MF35）
瑞典的Photonyx公司研制的偏振控制器(圖13)，是在光纖內(nèi)埋入合金電阻電極，通電流發(fā)生應(yīng)力，產(chǎn)生雙折射，改變偏振狀態(tài)。施加2.5V電壓，100mA電流，產(chǎn)生溫度137 ℃，偏振旋轉(zhuǎn)2p。該偏振控制器的參數(shù)：偏振旋轉(zhuǎn)p消耗功率 p=200mW，偏振相關(guān)損失PDL<0.1dB，插入損失IL<0.1dB,反射損失RL>70dB，啟動(dòng)時(shí)間T=1ms，關(guān)閉時(shí)間T=0ms,長度L=m。該偏振控制器的優(yōu)點(diǎn)是體積小。
●低損失光子晶體光纖（PD1）
所謂光子晶體光纖（PCF），實(shí)際上是光纖內(nèi)有許多排列整齊的孔，如圖14。一般來說，它具有比較強(qiáng)的抗非線性容限，但損失和色散比較大。NTT研制出損失為0.37dB/km的PCF，實(shí)屬不易，是一大進(jìn)步。這主要是采用了純硅材料，瑞利散射損失很小。NTT還做了10km 8×10Gb/s傳輸試驗(yàn)，效果良好。
