光通信产业：观察和思考

光通信产业：观察和思考成都普天电缆股份有限公司代康1为什么我们应跟踪世界光通信产业现状及趋势（略）2迎接光电子世纪的全面到来光通信的基础是光电子技术。虽然光电子技术的起点（1962年半导体激光器问世）仅比微电子技术（以1947年晶体管的发明为标志）晚十多年，但二者远不能等量齐观。2.1电子瓶颈与摩尔定律。摩尔定律的提出已近四十年，它描述芯片上晶体管集成密度或运行速度每18~24个月翻一番，但该定律最终必然遭逢物理极限。这是因为随着集成度的提高，集成电路互连线宽减小，导致电子迁移和应力迁移现象；其次，线宽越细，电阻越大，回路的时间常数增加，信号延迟随之上升。结果是电处理速度（取决于集成电路的处理速度而不是单个晶体管的门限速度）受限，形成所谓的“电子瓶颈”。此外，布线距离越窄电磁耦合越严重。由于光通信系统中有大量的“光-电-光”（OEO）转换，电子瓶颈制约了信号处理速度跟不上传输速率。专家们曾预计建立在微电子技术基础上的电时分复用（ETDM）通信系统的极限传输速率是10Gb/s，但是柳暗花明又一村，芯片技术进步屡屡冲破了这一预期：一是采用新的化合物半导体材料。一般认为基于Si、GeSi、InP材料的电子通信系统传输速率上限分别是10Gb/s、50Gb/s、160Gb/s。在2000年，采用InP和SiGe这两种技术的静态数字频分器的运行速度都已能达到70GHz。其次是设计方法上有新思路。电子的脉冲宽度最窄在纳秒（ns）量级，因此电子通信中信息速率被限定在千兆（109）b/s以内，提高速率可通过并行处理方式。美国Inphi公司2002年1月推出80Gb/s解复用器，采用方法是将单一高速串行信号流变换为4个输出信号至收发器，自称这将为同步光网络（SONET）系统OC-768(40Gb/s)铺平道路。这种方式也降低了对器件高速特性的要求，从而降低了器件成本。从半导体行业来看，现在已采用铜连线代替铝连线并且采用低介电常数的互连介质，开发出线宽小于90nm的芯片，集成1亿个晶体管。2002年5月英特尔公司总裁贝瑞特访问成都，自信15年内摩尔定律仍将有效。该公司在2002年11月的微处理器论坛上宣布2007年将推出集成10亿个晶体管、运行频率6GHz的芯片（线宽可能是45nm）。看来电子技术对提高通信速率的贡献尚未有穷期。虽然如此，电子瓶颈始终在前方等着。信息传输和处理能力的大幅度提升将有待于从微电子时代进入光电子、光子时代。为什么有此一说?2.2光电子和光子学简单来讲,目前实验室光子脉冲宽度已低于10个飞秒(fs，f为10-15)，如果光脉冲重复速率足够快，光子信息速率将有能力达到几十个太（拉）比特/秒（Tb/s，T为1012)。这里有两个基本概念。其一，光子。1926年“光粒子”被美国物理学家命名为光子。光子是玻色子，不带电荷，在自由空间传播的光路交叉却互不影响，即有空间相容性，这也是后面谈到的波分复用（WDM）的物理基础。更完整的表述是，真空中光子间相互不排斥，而在物质（如光纤）中影响极微弱。其二，光子学。研究内容是作为信息和能量载体的光子的行为及其应用，是一门历史久远的学科，其基础包括爱因斯坦﹑理查德_费曼等大师创立的量子物理学。很多光通信用光电器件和系统都是利用了光子的量子特性和效应。曾经是只要了解光的射线理论就可初步理解光纤传输的原理，但要进入新的领域，必须了解光的粒子性——不是简单地承认波粒二象性，而是用量子理论的观点来认识。在理解光检测器件的工作原理时就要将接收光看作粒子，但相干光的检测却是基于光的波动性。再举双异质结结构的半导体激光器为例，当它的有源层厚约100nm时，其中的载流子可以作为粒子来处理；但当该厚度减至10nm而与电子德布罗意波波长相比拟时，载流子有效质量和运动波动性的量子学特性显露出来，这时有源层与周围包覆层产生很窄的阱状势垒，注入到势阱中的电子与空穴作为满足特定方程与边界条件的波动而被限制在这一量子阱（QW）中，激光器获得崭新的增益频谱特性，功耗下降，响应速度上升。现在上档次的半导体光电子器件几乎都采用了量子阱结构，这要归于20世纪七十年代后期分子束外延（MBE）和金属有机物化学气相沉积（MOCVD或OMVPE）技术的发展，能控制若干原子层异质材料的生长。2.3光集成技术光通信的进一步发展离不开光集成化技术，在当前不景气的形势下，光集成技术将有助于降低成本。(1)功能集成和个数集成光集成有功能集成和个数集成两个方向。所谓的功能集成是把具有不同功能的光、光电器件集成在一个芯片上，解决器件间的连接问题，提高可靠性，与发展集成电路的初衷一样。当然小型化、低成本也是集成的目的，可降低设备功耗从而降低运营成本，这在通信行业不景气的时期尤为重要。从发展来看，早期用光波导代替光学镜子是一进步；现在用光刻法代替光纤、光波导、自由空间辐射光束则更具革新性，不但降低光器件制作工时，而且提高了可靠性。这项工作始于20世纪八十年代后期将无源光器件集成在单一芯片上的探索，今后还会加上激光器等有源器件，但难度比集成电路技术大得多，因为很难解决不同材料制成的器件如何集成。例如铌酸锂（LiNbO3）晶体为衬底的M-Z电光调制器（EOM）还无法和半导体材料的分布反馈激光器（DFB-LD）、分布布拉格反射激光器（DBR-LD）集成在一起，只能通过保偏光纤将光从激光器引入到调制器后再用普通光纤引出，所需的工艺既难又耗费时间，封装要求高；而由半导体材料制成的量子阱电吸收调制器（EAM）除尺寸小、驱动电压低的优点外，最有吸引力之处还在于它可以与DFB-LD集成在一起，是当前高速调制器的研究热点。但EAM的消光比不及EOM，且现在只达到10Gb/s的调制速率，可以判断的是今后几年铌酸锂调制器仍将是高速外调制器的主流技术，谁也难于断言它会在何时受到多大程度的挑战，关键是改进制造工艺以降低半波电压（OFC2002上日本富士通介绍了半波电压仅为0.9V的产品）。光通信业产品更新快，研发一旦停顿就将前功尽弃，在进行产品技术可行性分析时，不要强行去预测五年甚至三年以后的事情。个数集成则是将多个同样的器件集成在一个单片上，其目的主要在于解决小型化的问题。这方面的例子很多，如阵列波导光栅（AWG）；多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL）集成在一起构成密集波分复用（DWDM）系统所需的激光器阵列。具体例子有2002年年初报道的LightwaveMicrosystems公司将低损耗的AWG和10个VOA(可变光衰减器)集成在一个芯片上，而一般至少需79个分立元件。（2）光光集成和光电集成这是集成的两种方式。光光集成以1969年始创的集成光路为代表，从体结构的组合到以光波导形式实现光调制器和光开关等；光电集成指光子器件和电子器件均集成在同一衬底上得到光电子集成回路（OEIC）。典型例子有微电子机械系统（MEMS），它从1972年诞生到今天已发展成为跨越多个学科的领域，形成了产业，应用面不单限于光通信。（3）单片集成和混合光集成单片集成是用同一种工艺将所有元器件集成在半导体或光学晶体的衬底上。在OEIC上的所有光/电子器件、电路、光波导经晶体生长、光刻、刻蚀、镀膜工艺制成，有利于量产和降低成本。就激光器而言，将激光器、调制器、波导和其它光功能集成在同一基片上，是当今最重要的趋势，这样可增加功能，降低成本。混合光集成则是用不同工艺制作不同器件，将它们组装在大衬底上，例如光收发器。总的说来，光集成还处于初级阶段，远未达到讨论集成规模的程度，能否和有无必要达到集成电路的水平、能否如硅微电子技术一般实现从量变到质变还难以预料。目前所说的光集成主要还停留在模块集成阶段，与这里所说的光集成还有区别，但能做到这一步已不简单。例如英特尔在ECOC2001上推出将三个基于CMOS技术的LXT17001激光驱动器（VCSEL驱动器IC）、LXT14002阻抗转换放大器（TIA）、LXT13002限幅放大器（LIA）合在一起的芯片组，大大降低了功耗，面向10Gb/s短距离应用；2002年年初英国Bookham公司推出光频谱分析模块，集成了光开关、解复用、光探测(接收)功能，使检测光端口的费用(通常成百上千美元)急剧下降，获得Nortel公司的认可——这已足以自慰，世界上大的系统商屈指可数，器件厂商只有将产品提供给他们，才能真正算是成功。2.4光电子产业和全光通信预计随着高速电子学技术的发展，本世纪头十年内在ETDM方面将可能出现速率160Gb/的光收发器，每波长100Gb/s的光通信系统并非不可能实现。光通信最终将向全光通信方向发展，但这是一个长期的过程，全光通信也不是纯光通信。现在一般所说的全光网只是包括传输层和交换层，终端还是电，并不排斥有电控制的成分。在城域网边缘，有低成本、多协议的压力，必须依靠智能化的光电解决方案，而“智能化”则是电子技术更为擅长。目前光通信的缺陷（如色散、非线性效应等）还得靠低成本高性能的电子器件来解决,在光域对信号处理和缓冲还很困难。此外，全透明的光网会有性能监测、故障定位的困难，系统要升级（如DWDM相邻信道频率间隔从100GHz变窄至25GHz）需要更换大量元件。在未来的光通信中，电子和光子可以发挥互补优势，电子相互间影响的特性可以用于交换和路由，光子则可用于信号的并行传输和处理。从行业发展来看，光通信产业应当充分利用微电子产业技术成果，例如生产电信级激光器的大多数工艺都可在硅集成电路工艺中找到；其次是学习微电子产业规模做大的经验，提高自动化生产水平，推动标准化，从而大幅度地削减成本，提高产品可靠性。半导体行业的巨无霸企业不但染指、而且已经很深地进入光通信领域，例如英特尔公司正计划用投资20多亿美元、生产12英寸晶片的工厂来生产光通信模块。建立在光电子技术之上的光通信已成为一个巨大的产业，而且还将持续壮大，目前光通信业虽然困难重重，但仍然是一个年青、充满活力的产业，原因在于与人需求紧密相关的产业是不会老的——带宽已成为人类除了衣食住行以外最基本的需求，但现状却远不如人意，即使在美国，2001年宽带订户也不过3.24%，这已是世界第四位，第一位是韩国（13.92%），政府将宽带接入作为提高国民教育素质的工具加以推广。我国要全面实现小康社会的宏大目标，宽带接入率应作为一个重要指标。真要是农村实现了“村村宽带化”，城市里宽带之“光”照进每户人家（那时电信局内电缆可能被光纤彻底赶出），光通信规模还差得远。3光传送网络的演进3.1海量光纤带宽谈论光通信系统的演进可以以克服光纤的缺陷为线索。首先是光纤固有的衰减、色度色散两个线性效应，其次是光传输功率增大引起的非线性效应，现在则是传输速率增加带来的随机性（主要指偏振模色散，PMD），还没有较完美的解决方案。当然对降低光纤损耗的探索从未停止过,最新的例子有：住友电工（SEI）在OFC2002上介绍的在1568nm波长衰减为0.151dB/km的光纤，其纤芯为纯石英，包层则掺氟。以前人们只关心单模光纤衰减小的1310、1550nm窗口，现在已扩展到全频谱（1260~1625nm），引入波段代替窗口：O(初始)波段为1260~1360nm；E(扩展)波段为1360~1460nm；S(短波长)波段为1460~1530nm；C(常规)波段为1530~1565nm；L(长波)波段为1565~1625nm；U(超长)波段为1625~1675nm，用于网络监测。所有产品的使用波段均应对号入座，波段如何划分的背后存在各大厂家之间巨大的商业利益之争，日本公司在覆盖“C+L”波段的宽带掺铒光纤放大器（EDFA）开发上曾走在世界前列，但在标准面前猛然发现自己的产品两头不靠。去除掉1385nm处OH根离子的水峰后，从1260~1625nm共有365nm宽的资源。按对应频率宽度的10%来粗略估算，大致有50THz的带宽。按目前双幅度调制技术所达到的0.4b/s/Hz水平来计算，一根光纤容量为20Tb/s；按四象限幅度调制(QAM)所达到的4b/s/Hz，一根光纤容量200Tb/s。另一种粗算方法假定50THz带宽提供1000个波长的信