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的進步不大，當然也有一定的進步。本文簡略討論2003年光纖通信技術的進步。
1. 光纖通信系統(tǒng)技術的進步
2001年，世界光纖通信傳輸試驗系統(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)比較復雜，在大容量長距離傳輸?shù)那闆r下才顯示其經(jīng)濟性。這里以 Lucent 的歸零碼差分相移鍵控RZ-DPSK試驗系統(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個信號的載波相位相同是信號“1”；前后2個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)過色散預補償Precomp進入環(huán)測線路。環(huán)測線路是由聲光開關AOS、真波低色散斜率光纖TWRS、色散補償光纖DCF、動態(tài)增益均衡濾波器DGEF所組成。在接收端，光信號經(jīng)過后色散補償Postcomp進入光帶通濾波器BPF，再經(jīng)過延遲干涉器DI和平衡接收機可把RZ-DPSK信號檢測還原成通常的二進制信號。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：比通常的二進制光開關鍵控OOK(On-Off Keying)調(diào)制的S/N比好3dB，同時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擴大容量時，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：
●日本第一個波長路由試驗線(ThAA5)
日本在北海道的Chitose市（千歲市）進行了采用波長可變路由器的工程應用試驗，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1-3）。共有43個終端節(jié)點，但試用了5個節(jié)點，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)絡用于多業(yè)務，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)絡的優(yōu)點是：靈活，速度易改變，如1～40Gb/s，網(wǎng)絡交換可在光層擴大到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)的試驗網(wǎng)FTTH-EPON（ThAA2）
日本KDDI的FTTH試驗網(wǎng)如圖4所示。在450個用戶中，96個用戶用EPON/每戶1光纖。連接中心局用Gb-Ethernet。光節(jié)點單元ONU間隔距離20km。用戶下行帶寬：100Mb/s，用戶上行帶寬：2～100Mb/s(采用動態(tài)帶寬設定：ITU-T G983.4)。視頻流速率8Mb/s。在該網(wǎng)絡進行了業(yè)務量的測定。觀察到在20:00～22:00時，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），RGW—Residential Gateway（住宅網(wǎng)關），OLT—Optical Line Terminal（光線路終端），ONU—Optical Network Unit（光網(wǎng)絡單元））
●光包交換
●光網(wǎng)技術的發(fā)展（WH1）
日本NTT光網(wǎng)技術的發(fā)展進程如下：
1997～2001年：技術上采用DWDM-p to p，點對點網(wǎng)絡（圖5），容量100Gb/s。
2001～2003年：采用DWDM-Ring(圖6)，具有OADM的環(huán)形網(wǎng)絡技術，容量約100Gb/s。
2003～2004年：采用具有OXC-OADM的網(wǎng)絡技術(圖7)，容量1～10Tb/s。
2005年以后：采用光突發(fā)路由技術，容量>10Tb/s。日本NTT已經(jīng)開始對光包交換以及光標簽交換路由器進行研究(FS1)。
�。ㄗⅲ涸髡哳A計NTT的進度是開發(fā)時間，筆者認為商用可能要慢2～3年）
●對光纖到家庭FTTH的看法（Cominet；PFI；TuR1）
長期以來，人們都認為光纖到家庭（FTTH）是最理想的接入網(wǎng)技術，因為FTTH具有極大的帶寬。但過去因為光電子器件價格昂貴，難以普及。近來，光電子器件有較大的突破，以前價格為千元人民幣的光收發(fā)模塊，現(xiàn)在只要200元，其價格已可與ADSL、Cable Modem相比。特別是目前光纖的價格比電線還低。發(fā)展FTTH現(xiàn)在已經(jīng)具備一定條件。
發(fā)達國家、世界大運行商對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，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認為（OFC 2003 ，TuR1），F(xiàn)TTH 是否有需求？認為在30～50年后才會成為主流�？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步
在2002～2003年，盡管通信業(yè)不景氣，世界各大公司和大學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行介紹。
●40Gb/s EAM-DFB 集成器件（TuP4）
通常數(shù)據(jù)速率高達40Gb/s時，需要用LiNbO3外調(diào)制器，但其價格貴，體積大。EAM半導體電吸收外調(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。采用結構：MQW-DFB-EAM，波長：1310 nm，消光比：9.77dB，電回損<-9dB。采用NRZ碼進行了傳輸試驗，傳輸距離>2km（無色散補償）�？捎糜谏醵叹嚯x傳輸VSR（Very Short Reach）。E/O響應特性如圖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，其結構如圖10。其中的光柵構成諧振腔，利用電壓調(diào)變液晶的參數(shù)，改變諧振波長。不諧振時透過；諧振時不能透過，從而實現(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)激光器構成64×64光交換。即它有64個入口和64個出口。在任何一個入口，改變激光器的波長便可選擇其目的出口，實現(xiàn)光交換。每個信號的速率為40Gb/s，則其吞吐量可達的有效面積在多波長傳輸時，可以減少非線性的影響。中等色散可以減少色散補償。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，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為負色散光纖，它們的參數(shù)如表2所示。
用這些正負中等色散光纖連接長50km的線路，并且使總色散補償為0，光纖線路的參數(shù)如表3所示，是相當滿意的結果。
●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2p。該偏振控制器的參數(shù)：偏振旋轉p消耗功率 p=200mW，偏振相關損失PDL<0.1dB，插入損失IL<0.1dB,反射損失RL>70dB，啟動時間T=1ms，關閉時間T=0ms,長度L=m。該偏振控制器的優(yōu)點是體積小。
●低損失光子晶體光纖（PD1）
所謂光子晶體光纖（PCF），實際上是光纖內(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，實屬不易，是一大進步。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，效果良好。
