中國工程院院士 趙梓森
由于2001年IT行業，更確切地說是通信行業有泡沫，使通信行業的市場在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. 光纖通信系統技術的進步
2001年，世界光纖通信傳輸試驗系統的最高速率為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)系統的研究(ThE1)
采用DPSK系統可以壓縮傳輸頻帶，使頻帶利用率提高到0.8bit/Hz(一般0.4bit/Hz)。系統比較復雜，在大容量長距離傳輸的情況下才顯示其經濟性。這里以 Lucent 的歸零碼差分相移鍵控RZ-DPSK試驗系統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。在發送端，某波長的光，經過AWG光濾波器，進入馬赫曾德調制器MZM-PC(Mach Zehnder Modulator-Pulse Carver)，產生10Gb/s的光脈沖串。再經過MZM-DM 數據調制，成為光RZ-DPSK信號，又經過色散預補償Precomp進入環測線路。環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、動態增益均衡濾波器DGEF所組成。在接收端，光信號經過后色散補償Postcomp進入光帶通濾波器BPF，再經過延遲干涉器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。該系統工作波長范圍為1555～1580nm，50GHz 間隔。采用光RZ-DPSK調制的好處是：比通常的二進制光開關鍵控OOK(On-Off Keying)調制的S/N比好3dB，同時可減少非線性交叉相位調制XPM的影響。
日本NTT研究的CS-DPSK(Carrier Suppressed DPSK) 系統，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（節點1-3）。共有43個終端節點，但試用了5個節點，5km半徑。用SMF星形連接，內無光電變換。 器件采用 AWG 32×32。
該網絡用于多業務，包括在VOD系統中提供的8Mb/s的MPEG-2視頻流、HD-SDI 高分辨串行數字接口和專用網等。需要多協議：包括SDH、ATM、IP、GbE。網絡管理由東京以西距離千歲市約1000km的NTT R&D中心控制。該網絡的優點是：靈活，速度易改變，如1～40Gb/s，網絡交換可在光層擴大到100×100，采用波長可調光源，傳輸目的地可方便改變。
●光纖到家庭——采用光無源以太網的試驗網FTTH-EPON（ThAA2）
日本KDDI的FTTH試驗網如圖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(采用動態帶寬設定：ITU-T G983.4)。視頻流速率8Mb/s。在該網絡進行了業務量的測定。觀察到在20:00～22:00時，視頻流瞬間超過500Mb/s。(圖內英文縮寫：FE—Fast Ethernet（快速以太網)，HGW—Home Gateway（家庭網關），RGW—Residential Gateway（住宅網關），OLT—Optical Line Terminal（光線路終端），ONU—Optical Network Unit（光網絡單元））
●光包交換
●光網技術的發展（WH1）
日本NTT光網技術的發展進程如下：
1997～2001年：技術上采用DWDM-p to p，點對點網絡（圖5），容量100Gb/s。
2001～2003年：采用DWDM-Ring(圖6)，具有OADM的環形網絡技術，容量約100Gb/s。
2003～2004年：采用具有OXC-OADM的網絡技術(圖7)，容量1～10Tb/s。
2005年以后：采用光突發路由技術，容量>10Tb/s。日本NTT已經開始對光包交換以及光標簽交換路由器進行研究(FS1)。
（注：原作者預計NTT的進度是開發時間，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模塊，現在只要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。發展FTTH現在已經具備一定條件。
發達國家、世界大運行商對FTTH的發展的看法也各不相同。日本大力發展FTTH。根據PIF(Photonic Internet Forum)的統計，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），FTTH 是否有需求？認為在30～50年后才會成為主流。可能是美國的ADSL、Cable Modem和衛星TV廣播已經普遍采用，要對現有的網絡資源充分利用。近來美國的Verizon 和Spring公司要在10～12年內建成FTTH網。
2．光電子器件和光纖的進步
在2002～2003年，盡管通信業不景氣，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）
通常數據速率高達40Gb/s時，需要用LiNbO3外調制器，但其價格貴，體積大。EAM半導體電吸收外調制器體積小，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）。可用于甚短距離傳輸VSR（Very Short Reach）。E/O響應特性如圖9所示。
●液晶電調光濾波器（MF-28)
NanoOpto公司研制的液晶電調光濾波器，其結構如圖10。其中的光柵構成諧振腔，利用電壓調變液晶的參數，改變諧振波長。不諧振時透過；諧振時不能透過，從而實現濾波作用。其可調范圍：30nm。ITO氧化錫銦是透明的電極。液晶器件的優點是功耗極小。
●64×64波長可調光交換（PD8）
Lucent公司采用AWG無源光濾波器和波長可調激光器構成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。這種光纖屬于環狀光纖，它與常規單模光纖相連接時，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，光纖線路的參數如表3所示，是相當滿意的結果。
●光纖內電極偏振控制器（MF35）
瑞典的Photonyx公司研制的偏振控制器(圖13)，是在光纖內埋入合金電阻電極，通電流發生應力，產生雙折射，改變偏振狀態。施加2.5V電壓，100mA電流，產生溫度137 ℃，偏振旋轉2p。該偏振控制器的參數：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。
