光纤网的发展与机遇

hx0999 · 发表于 2007-6-21 18:56:13

简水生 from http://www.optoelectro.com/

摘要：本文概述了光纤通信的发展。分析了从因特网空前繁荣到“效率时代”的原因。并首次提出了基于可变波长激光器的光交换网。首次提出可消除偏振模色散的长距离传输的光微带。提出了建立原料废料可相互循环利用的光电子、微电子基础材料的环保工业基地的建议。

　　一、光纤通信是二十世纪的重大发明之一

自电报电话发明后百余年的时间内，人类信息的传输都是依靠金属导线。开始用对称线，传输速率和容量极其有限，到二十世纪的四十年代，同轴电缆开始投入使用。由于这种传输导线的结构变化，解决了对称线间频率越高串音干扰越严重的问题，使通信容量得到了一次突破性的进展。从一对线传输十几个模拟话路增至同轴管数百数千话路。到六十年代中期，标准中同轴对已成为通信网的主体，通话最高容量达到1万模拟话路，总带宽为60MHz，但由于同轴的损耗很大，每隔2公里就需加一再生中继，再要增加传输带宽显然是很困难的。

这时人们将注意力集中在金属波导的传输研究上，从理论上讲圆波导中传输的H01波是频率越高传输损耗越小，有希望解决同轴电缆频率越高传输损耗越大的关键难题，但是人们在实践中很难做出数学上的理想的圆波导，这就导致了H01波厘米波段在非规则金属波导中传输时产生剧烈的模式变换，导致传输损耗增大，串杂音等问题也严重地出现。这样人们就难以圆传输频率越高传输损耗越小的梦。但人们并没有放弃，还想尽各种办法想去圆这个梦，全世界许多较发达国家均投入了相当的人力物力，但总是离理想要求相距甚远。到1970年，美国康宁公司第一根损耗为20dB/km光纤问世，给人们点燃了另一束灿烂的希望之光。

人们清楚的意识到，由于光的载频比厘米波段的圆波导高出4～5个数量级，因此光纤通信的容量将比厘米波段的圆波导传输的通信容量高4～5个数量级，而厘米波段的铜管直径一般大于5厘米，结构复杂，有色金属消耗很多，而且难以克服金属波导制作的不规则性，所以世界上研究波导的人力和物力都转向到光纤通信方面。

经过十多年的努力，人们终于解决了光纤传输的损耗问题，到八十年代中期光纤的传输损耗已从20dB/km降至0.2dB/km，为光纤通信在世界范围内的迅速发展提供了坚实的技术基础，实际上这是展现了人类从电子通信走向了光子通信，是一次质变，从辨证唯物论的观点看，任何质变都将带来巨大的发展，实际也证明了这一点。

光纤通信从八十年代中期进入实用化后，起初大概是每隔四年通信容量增大四倍，至九十年代中期每两根光纤可开通2?5Gb/s，约3万多话路，尤其是进入二十世纪后期，光纤通信的波分复用系统(WDM)进入实用化，两根光纤上可开通32、64甚至100多个通道，每个通道可开通2?5Gb/s系统或10Gb/s系统。每两根光纤开通32×10Gb/s系统甚至160×10Gb/s的系统也已进入商业化，在实验室通信最高容量已经达到了256×42?7Gb/s共10?2Tb/s，传输了100公里[1]及273×40Gb/s共10?92Tb/s，传输了109公里[2]，如果按照64Kb/s一个数字话路计算则已达到1亿7千万话路。而一根光缆内可以有几十根到几百根光纤。在这里我要着重说明的是，每根光纤的石英重量仅是27克/公里，而过去用的每根中同轴电缆管重量为200公斤/公里，外面还要加金属护套和塑料护层，一根8管同轴的电缆重量约为3～4吨/公里。很难想象，如果人类还处在同轴电信时代，目前的因特网的发展是根本不可能的，在人类通信史上光纤通信容量是空前巨大的，而价格是空前低廉的。可以毫不夸张地说光纤通信网是人类信息社会的基石。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 18:56:49

二、光纤通信发展的历史进程

人类对光纤特性的认识过程也就是光纤通信发展的过程。光纤传输损耗这是人类认识光纤的第一个重要特性，正如前面所说：光纤损耗问题目前基本已全部解决，大批量工业化生产光纤的损耗平均值在155μm处约为0.19dB/km左右。

随着传输速率的提高，人们开始认识到光纤色散的重要性，对于普通的单模光纤(G652光纤)其零色散是在1?31μm处，在最低损耗窗口1?55μm处约有17Ps/km·nm的色散，这将对高速光脉冲产生严重的展宽和畸变，产生码间干扰，从而限制了光纤通信向更高速率的发展。为了解决色散的影响，人们开始研究新结构的光纤，有的国家首先研制出了零色散点位移到155μm处的色散位移光纤，并在该国主要干线上迅速敷设了这种光纤。当时看来这个国家走在发展的前列，但由于光纤放大器(EDFA)的发明，使得波分复用迅速走向实用化，一根光纤可在155μm窗口开通8、16、32、64甚至100多个通道，这就可使光纤通信容量获得前所未有的发展。

由于多波长多通道的传输，其有效传输功率剧增，从而产生了非线性效应：四波混频、自相位调制、互相位调制等，其中四波混频造成了相临近通道间的串音。抑制四波混频的最有效办法就是增大不同波长的传输速率的差异，使不同波长传输的脉冲迅速走离，从而抑制四波混频。这就是说光纤的色散可以抑制四波混频，而前面所说的色散位移光纤其零色散点在低损耗的中心位置，使得这种光纤在1?55μm最低损耗窗口中心不能实现波分复用，这样色散位移光纤就不具备先进性，不得不说耗费大量投资建设这种色散位移光纤的网络是一次历史的误会。

人们自然想到，如果将零色散点偏离1?55μm窗口使之在1?55μm波长处的色散不为零，约有2～6Ps/km·nm的色散，这将是兼顾色散和非线性两种要素的折衷方案。这就先后出现了True wave光纤零色散点在1531nm左右、LEAF光纤零色散点在1510nm左右的G655光纤，随着研究的深入，人们发现在1420nm处光纤的损耗也不过是0.25dB/km，完全可以利用。从1430nm～1530nm差不多有100nm带宽，被称为S波段。为了进一步利用S波段，于2000年又研究出了Terlight光纤和PureGuid光纤，零色散点在1430nm左右，这两种光纤虽然也称为G655光纤，但其零色散点越来越靠近G652光纤的1310nm。实际上G652光纤在抗非线性和制造成品率上都是最高的。但是由于商业利润的追求和炒作，在美国掀起了敷设LEAF光纤和True wave光纤的高潮，而这种光纤的售价比G652光纤高了3倍。

我国自2000年起也加入了敷设LEAF光纤和True wave光纤的行列，而且也颇具规模，投入了相当大的资金。实际上这种光纤传输二百多公里还需加色散补偿，而且还很难实现通道间距为50Gb/s的WDM系统，希望我国各公司的决策者及时调整方向。

可是在今年OFC会议上所发表的10.2Tb/s和10.92Tb/s的高速系统却分别采用了Terlight和PureGuid光纤开通的，有的还利用了S波段。消息传来LEAF光纤和True wave光纤的价格大幅下降，因为光纤的有限波长资源就象无线通信的频率资源一样，已成为人们最为关注的大事。人们希望在今后的城域网，光纤的使用波长范围能扩充到1.28μm～1.68μm 400nm的范围内能得到1000～2000个通道。400nm的带宽是50Tb/s，即使是50%的利用率也可开通25Tb/s的系统更何况每根光缆可以有数十至数百芯光纤。可以肯定地说光纤为人类信息社会提供了一个无限带宽的通信平台，光纤通信发展到今天，其传输容量已接近“光辉的顶点”。问题是如何充分利用这无限的带宽，这是人们倍感兴趣的课题。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 18:57:29

三、从因特网的空前繁荣到“效率时代”的启示

二十世纪九十年代中，由于光纤通信、微电子和计算机基础技术的发展，给因特网创造了空前繁荣的时代，尤其是从1996年到2000年，企业在技术上的投资达到1?7万亿美元—根据美国经济分析局的数据，这是前5年投资数额的两倍。因特网的数据通信量大约是每6个月翻一番，数据包的交换对传统的电路交换发起了猛烈的冲击，大概在2005年前后，数据通信量将大于语音，这就是说，IP高速交换路由器有可能取代现有的程控交换机。现有的程控交换是电路交换系统，两个通话用户之间占有一条固定的电路，而IP高速路由器的交换是数据包的交换，哪条线路有空，它就走哪条线路，大概在同一交换容量的情况下，IP高速交换路由器的价格约为电路交换系统的几百分之一。

人们更加看好以因特网为基础的电子商务的发展，对电子商务寄予了极高的希望和期待，所以，对因特网的投资滚滚而来，而支撑因特网的基础就是光纤通信。由于WDM光纤通信技术的空前发展，使人们更加看好IP产业，全世界掀起了建设光纤网的高潮，一条光缆里所含的光纤数从十几芯到数十芯到数百芯，而且众多公司都参与建设光纤网的竞赛，你建设我也建设，在主要通信网的干线上都有多家公司的光缆网。就我国而言，京汉广沿线的光缆就有十数条，光纤总数达到了500～600芯。以光纤通信为基础的因特网站如雨后春笋，股民们也看好网络的发展前景，股价飚升，刹时间，似乎人类已经进入到新经济时代。但是好景不长，自2000年的下半年开始，由于没有赢利，网站逐渐倒闭，并逐渐波及到网络设备的制造商，例如具有世界著名的Bell实验室的朗讯公司也陷入了空前的困境。此外，许多大的光纤网络产品制造商也纷纷裁员，空前繁荣的美国硅谷陷入了萧条，许多经营者落入了深渊。实际上所敷设的光纤利用率不到10%，这就是说90%以上的光纤在相当一段时间内，其投资都将得不到回报。北美情况如此，欧洲也是如此。由于投资不能及时得到回报，在技术上花起钱来大手大脚和对因特网抱有幻想的时期已经被捏紧皮夹子和纯粹的实用主义的时代取代，这就是效率时代的来临。为什么会造成这种情况，经济学家们众说纷纭，从技术角度来考虑，我认为原因有四：

1. IP网的发展，她是一个没有“警察”的国度，数据包的交换可以提高电路的利用率、降低交换成本是它的优点，但同时它的QoS没有保证，网络的安全更是因特网的大问题，病毒和黑客的入侵一直困扰着网络的安全，直接影响到商务电子的发展，人们所期待的商务电子的辉煌时期没有如期到来。可能还相当遥远。最近日本有的单位提出今后三十年研究的十大课题，防止病毒和黑客入侵网络安全问题就已列入其中。

2. 作为通信平台，除传输外，交换也是重要的主体，在电路交换系统中，交换的投资约占80%左右。据云，全世界为建立程控交换系统，总投资约达10万亿美元，虽然程控交换是一个低速交换网，根本不能适应高速宽带交换发展的需要，但因特网要从根本上动摇程控交换系统也非易事。光纤通信达到如此高的通信容量，要完全靠电的交换，哪怕是高速路由器的交换，也是十分复杂和昂贵的。所以要建成高速大容量的光纤通信平台还必须建立光的交换网，如何实现光的交换系统，这是目前世界上正在研究的热点。离实用化还有相当的距离，这就也影响光纤干线网的投入不能及时得到回报的重大影响之一。

3. 仅仅是高速大容量光纤通信网的建设而没有相应的宽带城域网、局域网，甚至接入网的建设，那是不能成气候的，而城域网、局域网，用户接入网所需要的投资和工期都是巨大的。目前这些网的建设究竟采用什么方案尚在研究和讨论之中，目前已经建设的也仅仅是些试点示范的工程。我们很难设想：如果只建一个无限宽的高速公路，它的质量是如此之好，不仅每小时100公里、200公里的汽车可以在上面跑，甚至几百公里、几千公里的汽车也可以在上面跑，但是目前还没有这么多车和这样好的车，而且这条高速公路与城市的接口、乡镇的接口都没有修好，怎能设想这样的高速路的修建能马上得到回报呢?

4. 人们对于高速信息的需求的增长是有一个缓变的过程，现在相当多的家庭并没有立即形成对高速数据网的需求。我国也有眼光远大的企业家看到宽带接入网的前途，投入了相当的资金将光纤引入到了许多社区、大楼，在最后100米用5号缆将高速数据网接入了数百万户家庭，可是，一旦让这些家庭正式上网，要交纳一定的上网费，却遇到了相当的困难，因为人们的承受能力和需求尚需一段时间。我认为北美、欧洲的情况也不例外，对因特网、光纤通信空前的投资，在短时期内不能得到回报，这也是促使人们谈论“效率时代”的根源。

如何才能走出低谷?我认为，从技术上讲，首先要解决光的交换问题，如果选择了经济、实惠、可靠的交换方式，不仅能加速光交换的实用化，而且可以从网络结构上解决QoS和网络安全的问题，这将为电子商务的蓬勃发展提供坚实可靠的技术基础。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 18:57:58

四、基于可变波长激光器的光交换网

如何实现光交换，国际上提出了类似IP数据包交换的光分组交换，其特点还是基于提高光路的利用效率的光数据包交换，持不同意见者认为，在没有光的计算机情况下，要实现光的包交换网络是难以想象的。我认为：现在光的通路已经是如此之多，多得许多光路都在闲置着，根本用不着利用光的包交换去提高其利用率，人们应该设法利用众多的光路以确保光网络的安全和QoS。

实际上我们提出的光交换是基于可变波长激光器的光路交换。如何实现这种交换，其核心是每个光节点的光发送模块的波长是可变化的，而接收的波长是固定的，这个接收的固定波长就是该光节点的用户号。这样第i个光节点要叫第j个光节点，它只需将光发送模块发出λi波长，λi与λj之间的光路就可以接通从而构成通话系统。n个波长可以允许有 n 个光节点，如光缆中有m根光纤，并将这m根光纤充分利用起来，那么在这个光纤环网中允许的光节点可以是nm。

n=14，则需196个波长，节点1(北京)接收波长λ1～λ14，节点2(天津)接收波长λ15～λ28，节点3(济南)接收波长λ29～λ42，……依次类推，节点14(石家庄)接收波长λ183～λ196。这些λ数就是其光节点用户号，这样就可以实现这些大城市光节点的直接拨号，这就是光的波长交换。每个光节点还可以包括小的波长交换光纤环，再往下可以到城域网、局域网，每个节点都具备OXC(波长交换)功能，至于接入网则每个用户号只有一个波长，n个波长就可有n个用户。这样大大小小的具有自愈功能的光波长交换网就可以把全国甚至全世界的城市都包括在内，可实现服务质量优良安全可靠的光路交换。即使黑客释破密码入侵，也可从交换光路中查出黑客的网址，及时破案。

这就是未来光纤到户的宏伟蓝图，那时不仅仅是商务电子将进入全面发展的黄金时期，人类也将进入工作、学习、交往和生活都发生根本性变化的信息社会。

要实现波长交换首先需要有稳定可靠、价格适中的可变波长激光器，这种激光器我们正在研究之中，此外，稳定可靠、价格适中的可变波长面发射激光器、聚酯复合材料可变波长激光器和光微带可调谐激光器不久也将问世，其次，需要光纤具有丰富的波长资源，最为理想的是全波光纤，现在已经敷设的大量的G652光纤也具有丰富的波长资源。上述两种光纤的色散问题可以用光纤光栅、色散补偿光纤和反光纤来解决，目前我们已经在实验室实现了在600kmG652光纤上开通16×10Gb/s的演示系统，其功率代价在1dB左右。用光纤光栅补偿色散的价格比较低廉，而G655光纤实际上在长距离传输中仍然需要色散补偿，从这个意义上讲，目前大量敷设G655光纤并非上策。

最近日本所提出的今后三十年的十大课题中，研究廉价和大容量通信技术的课题就名列其中，这也是符合“效率时代”的精神的。本文所提出的所有研究内容和建议也都是围绕“效率”这个主题的。目前有些厂家提出了Metrofiber,Laserspeed多模光纤等类型的光纤，如果我国仍是跟着这些厂家的宣传而采用这些光纤建设城域网，那么历史将证明这需付出惨重的代价，希望有关决策者很好考虑效益的问题。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 18:58:35

五、长距离传输光微带的研究

光纤通信的速率发展到10Gb/s、40Gb/s甚至更高，就遇到了光纤的偏振模色散(PMD)的困扰，PMD的产生主要是由于人们所生产的光纤不是一个理想的圆柱体，就象六十年代人们研究金属波导时是不能做出理想的圆波导一样。当年金属波导的非规则性阻碍了圆波导的进一步发展，而光纤结构的不理想也阻碍了光纤通信传输速率的进一步提高。大概早期生产的光纤每公里的PMD约为05LPs(L为光纤传输长度)。目前经过多方改进的单模光纤的PMD约为每公里01LPs，这样在旧有的已经敷设的光缆上传输25Gb/s速率时PMD的影响可以忽略，但传输10Gb/s就有影响，需要采取补偿的措施。而新的光纤传输10Gb/s影响不大，传输40Gb/s就有一定影响。不少科学家梦寐以求，希望能研制出圆偏振的光纤，但经过长时间的努力，仍未见到成功的曙光，原因还不仅仅是因为人们不能做出数学上的圆柱波导。还有更复杂的问题是外界应力的微扰都将造成光纤折射率的变化，从而产生PMD，人们总不能摆脱PMD的困扰。而光微带只有一个偏振态，可以从根本上解决PMD的问题。

在集成光学中众多的器件也都是平面波导，它们要与现有的光纤相连接，耦合问题是最大的困扰，如果传输线由光纤改为光微带，则耦合问题大为简化，这样终端设备和器件与传输线是天然混合一体。但到目前为止，还没有发现将光微带制成长距离传输线以取代现有的光纤的设想，所以对长距离光微带的色散特性、吸收损耗特性、非线性理论的研究基本没有进行，原因是光微带的制造问题是有待于发明的新生产工艺。

我们研究中的光微带生产将不需要做预制棒，也不需要拉丝，预计这种微带在02nm×10nm的截面积内，大约有100根光微带，多层光微带的迭合可以获得数千芯的光微带。如果工艺上最终研究成功，那么光微带将是最廉价而性能好的传输媒质，它不仅可以消除PMD的困扰，也可以大大改善波长交换的系统，还将为未来的光网络，尤其是海底的光通信带来革命性的变化。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 18:59:18

六、抓住机遇建立光电子基础材料环保环基地

世界上光纤通信的发展在1999～2000年达到了最高潮，全世界的光纤和有源、无源的光器件都供不应求，对于我国来讲，光纤的奇缺成为一个非常严重的问题，众多的光缆厂都因购不到光纤而停产。光纤的销售价格由1998年的300元/公里左右到2000年达到1400元/公里。当时的情况是只要你有光纤，哪怕是不入流的光纤，都成为抢手货，这充分暴露出我国的光纤产业没有形成，完全受制于人。在这种情况下，许多厂家公司和投资单位都看好光纤这个市场，都要建设光纤预制棒生产基地。许多与光纤通信产业无关的企业，例如钢铁公司、煤炭基地都想借产品结构调整之际上光纤项目，但是都找不到世界一流的技术做支撑(技术引进或合资)，最终江阴、南京、武汉、天津等地的企业都实际投入了相当资金引进了三流设备和技术，想要建立我国的光纤产业基地。我国唯一的已成规模的长飞公司(是采用PCVD法＋套管法)也准备将光纤产量扩大到年产1000公里左右，在这里要着重说明的是无论是MCVD法和PCVD法生产所需的内衬管和外套管都需从德国Heraeus公司进口，其成本比OVD法直接从SiCl4氧化成SiO2约贵20倍。

可以说2000年所引进的光纤预制棒生产设备和技术，包括长飞公司的设备和技术，都不可能与美国的康宁(每公里光纤成本约9～12美元)、日本的信越公司相抗衡，我们更要看到日本信越与德国Heraeus联合成立了新的光纤预制棒的公司，利用VAD法生产长的预制棒芯棒，再利用OVD法生产出两米多长的大型石英套管，两者结合已生产出可拉制2000公里以上的光纤预制棒，其成本是很低的。其先进性可能要优于美国康宁的OVD法。预计在2002年以后，这种光纤预制棒将大批量问世，那时我国众多厂家投资数十亿元的预制棒生产线将面临着彻底崩溃的危险。

由于1999～2000年光纤需求量猛增，世界各国也都在扩展生产能力，目前世界光纤年生产能力已达2亿公里左右，远远大于光纤的需求量，更何况美国经济的不景气，全世界光纤通信的发展大为减缩，全世界光纤供应已经过剩，光纤的销售价格已急剧回落。目前美国康宁已关闭三个光纤厂，并开始裁员。预计到2002～2004年光纤的销售价格将大幅度的下降，我国2000年投资所建的这些企业，包括比较成功的长飞公司都面临着严重的考验，可以预见，有的公司将面临破产。

要使我国的光纤产业立于不败之地，关键的问题是应该抓住从2001～2004年左右这个时期，加强我国光纤预制棒原创性的研究。并建立光纤产业化基地，迎接2004年之后的光纤通信发展的新高潮。当今国际形式不能说是太平无事，作为伟大中华民族复兴的基础之一，应该建立起符合环保要求的光电子、微电子基础材料环保环基地。

我国到目前为止不仅仅没有一个能与国外先进厂商相竞争的光纤生产基地，而且也没有比较大规模的多晶硅生产基地，为了降低光纤生产和多晶硅生产的成本，而且让废料相互循环应用，特建议将多晶硅生产基地、光纤预制棒生产基地和氯碱生产厂建立在一起。

多晶硅的生产是利用硅石在五、六百度的高温下进行氯化，这就产生了三氯氢硅(SiHCL3)和四氯化硅(SiCL4)，将SiHCL3提出后再加入氢气(H2)使其还原成多晶硅(Si)。SiCL4是生产多晶硅的废液，经精溜纯化处理后，即成光纤预制棒最主要的原材料。

在生产多晶硅和光纤预制棒时都将产生大量的盐酸(HCL)，它需要用碱(NaOH)来中和，这就变成了盐(NaCL)和水(H2O)，这种盐和水经电解又变成碱(NaOH)和氯气(CL2)、氢气(H2)。氯气用来氯化硅时，产生三氯氢硅(SiHCL3)和四氯化硅(SiCL4)，氢气(H2)可以使三氯氢硅(SiHCL3)变成硅(Si)＋氯化氢(HCL)。这是一个原料和废料相互循环利用符合环保要求的工业生产环，这不仅可以大大降低多晶硅和光纤预制棒的生产成本，也可以保护环境，并得到持续的发展。

我们这样的大国将来光纤到户时，每年所需求的光纤量预计可高达5～7千万公里，如果全国建立几个这样的光纤生产基地，则每个基地每年所需求的SiCL4达万吨以上，这意味着需要大规模的生产多晶硅，而多晶硅不仅可以用于制造高纯度的单晶硅，而且还可以制成太阳能电池，这将是未来最清洁的能源，显然，从这样工业化基地生产的多晶硅的价格也很具有竞争力。此外，高纯度SiCL4还可以用来生产光学玻璃、多种透镜和大尺寸的石英舟(它是制造大尺寸芯片所必备的材料)。这样的环保环工业基地年产值很容易达到百亿元以上。

由此可见，符合环保要求的光电子、微电子基础材料生产基地的建设将大大增强我国的综合国力，能在风吹草动的非常时期立于不败之地。我们希望，当我们的光纤预制棒生产方法研制成功后，国家应该统筹规划，建立几个这样的基地，一是为了有相互竞争，以促进其技术和管理的不断进步，另外从应付非常事件的角度来看，多个基地则更加有利。

由于氦气是制造光纤的基本原材料，因此我们还建议对四川自贡地区的天然气中氦气含量进行深入调查、研究、分析，最好是能建立我国自己的氦气提炼工厂。

建立基地的最重要的核心是要研究具有原创性的光纤预制棒生产方法。我们曾经大声疾呼，希望我国有关部门给予这种原创性的研究大力支持，但看来收效甚微。我们只有坚持走最艰苦的路，最终一定会达到“光辉的顶点”。

展望未来，希望在2015年前后，廉价的可变波长激光器和廉价的光微带都将商品化，光微带或光纤到户的全光通信必将实现，那时人类将完全进入信息时代。

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