自动交换光网络中光电子器件的进展

2019-11-03 18:15:16

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谢世钟
（清华大学电子工程系北京100084）　　摘要光网络正在向高速大容量、良好的扩展性和智能化的方向发展。自动交换光网络的出现是光传送网技术的重要突破，光电子器件功能的增强与性能的提高将对其实现与发展起决定性作用。本文介绍了自动交换光网络中一些光电子器件的重要特性和发展趋势。

　　关键词自动交换光网络光传送网光电子器件

1 引言

　　近年来，以因特网业务为主的数据业务飞速增长，因特网业务的激增导致对电信网扩容的迫切需求，而且由于ip业务量本身的突发性、自相似性和非对称性，对网络带宽动态分配的要求也越来越迫切。因此，业界强烈建议定义一种能够自动完成网络连接的新型网络概念--智能自动交换传送网（ASTN）。这是一种利用独立的控制层来实施动态配置与连接管理的网络，其中以光传送网（OTN）为基础的ASTN又称为自动交换光网络（ASON），是开发ASTN的主要方向。在传统的光网中引入动态交换是OTN在概念和技术的重大突破，使OTN具备了自动选路和管理的更高智能。除需满足ASTN的一般要求之外，ASON控制层的主要功能还有简化传送网内快速和有效的连接指配，以支持交换连接和软永久交换连接，支持对已建立呼叫连接的修改和再配置，实施恢复功能等。当前，许多国际标准化组织都加入到这一领域的研究工作中。对于ASON的研究，除了这些明确定义和制定体系结构以及具体实现协议的工作之外，各种相关技术和器件的发展也极为关键。ASON中的光电子器件除了OTN的一般要求外，在网络性能的检测、控制，各种可调谐器件，光开关和开关阵列等方面都有较高的要求，这些新型器件的先进性、可靠性和经济性会直接影响到系统设备乃至整个网络的生命力和市场竞争力。

2 光网中光电子器件的发展趋势

　　下一代光传送网的基本特征是超大容量，从目前各种复用技术的发展状况看，密集波分复用（DWDM）被认为是扩大网络容量和提高其灵活性的最有效途径。采用DWDM可以使容量迅速地扩大数十倍至数百倍。由于近年来市场驱动和技术突破的影响，波分复用系统发展极为迅速。因此各种新研制的光器件也都或多或少与波分复用有关。DWDM的发展思路一直是追求更高的频谱效率，一方面提高每个通道的速率，另一方面增加通道密度。在速率上，目前商用系统大多为2.5Gbit/s或10Gbit/s，更高速率的40Gbit/s系统正在实用化，预计到2004年开始商业应用，一些电信公司如阿尔卡特的实验室已进行了160Gbit/s的传输实验。在通道密度方面，通道间的波长间隙已小到25GHz，还在向12.5GHz努力，使得商用系统的总通道数现为160~240个，实验室中最高达到1022个。为得到更大容量，有时不得不在上述两者之间折衷考虑，同时还要采取抑制光纤中色散、非线性效应的措施。所有这些要求都涉及到器件的高速、灵活和可靠的问题，而且最终还必须考虑低成本的问题，这使得目前新原理、新结构和新功能的器件不断涌现。

　　按功能划分，光网中的光电子器件可分为有源器件和无源器件两大类。有源器件主要负责光信号的产生、放大和接收，完成信号的光/电、电/光转换和放大等功能。无源器件则主要用于控制光信号流动方向、通与断和光信号的整型。有源光器件提供了光网络的大部分功能，也占据了整个系统大部分的成本，包括激光器、光接收器、光调制器、光放大器和波长变换器等。DFB激光器与高速调制器是DWDM光网络中最重要的器件，目前已广泛应用于2.5~40Gbit/s的高速系统中。 PIN和APD光电二极管是必不可少的光接收器件。速率为10Gbit/s的接收器已经实用化，速率为100Gbit/s的器件已有了实验室样品。光放大器主要包括光纤放大器和半导体光放大器(SOA)，其中掺铒光纤放大器(EDFA)已广泛应用于实际工程中，目前研究的热点是带宽超过80nm的超宽带EDFA和分布式拉曼光纤放大器。SOA由于体积小、增益宽和具有放大、开关等多种功能，有望成为在城域网中与光纤放大器相抗衡的器件，并在全光波长转换器中具有无可替代的作用。比有源器件发展更为迅速的是品种繁多的无源光器件，它们在光网络中将扮演越来越重要的角色，其占整个系统成本的比例将不断上升。主要包括：密集波分复用/解复用器，光隔离器，光环行器，光耦合器和连接器，光开关和光开关阵列，固定或可重构的光插分复用器（OADM），光交叉连接器（OXC），色散和色散斜率补偿器，偏振模色散补偿器和光放大器的增益平坦器等等。

　　近年来随着"网络经济"泡沫的破灭，光通信产业的资本支出大为减少，作为光通信产业链最底端的光电子器件产业面临非常大的挑战。据估计，2002年美国通信用光电子器件的资本支出将在2001年锐减29％的基础上继续降低24％。另一方面，前期对市场盲目乐观的估计造成了大量光电子器件积压，据估计此状况将持续到2003年。在这种市场环境下，光电子器件的研究与发展的趋势主要表现在以下几方面：

　　（1）从光电子器件实现的功能来看，使光网络容量更大、更智能仍是光电子器件发展方向，但研究的侧重点有所改变。在系统传输容量方面，光电子器件的研究方向将注重降低传输系统的每公里每比特的成本，而不再一味追求单纤传输速率的突破。光纤传输容量的提高有三种方案：扩展光波段、增加光通道密度和提高通道速率。在器件级的研究上，拉曼光放大器与EDFA结合的宽带放大器被认为是系统扩展至L波段时最具应用潜力的光电子器件；波长锁定激光器、大功率包层泵浦EDFA和高密度的群组滤波器将是光通道间隔降低到50GHz、25GHz甚至12.5GHz的高光通道密度传输系统中的关键器件。40Gbit/s高速光调制器和接收器、动态色散补偿器和偏振模色散补偿器等光电子器件将是信道速率为40Gbit/s的系统中的关键器件。这些关键光电子器件的性能与价格将直接影响未来光传输系统的设计方案选取，但近期重点产品仍在10Gbit/s系列上，而2.5Gbit/s产品将呈逐步下降的走向。

　　（2）小型化和集成化正成为光电子器件保持竞争力的一个新的趋势。随着光电子器件在光传输设备中的比例越来越大，对光电子器件的小型化要求日益显现。使设备能少占机房的面积和少消耗能源，能有效地降低网络的运行成本。光电子器件的小型化要求还促进了集成技术的发展。光电集成技术可以将光子元件与它的驱动电子芯片集成在一起。平面波导集成技术则可以将光开关、可调衰减器和波分复用/解复用器等无源器件集成在一起，在一块芯片实现子系统功能的系统与分立器件组成的系统相比，既大大减小了体积，还降低封装的成本。在小型化光器件的开发中，将激光器/探测器等光器件与微电子芯片组装成一体，形成具有多种功能模块的发展趋势正在明显加快。模块化能消除寄生参量的影响从而提高性能，并能节省后道组装的工序和成本。它还促进了相关产业界的合作和标准化，如一年前由多家企业就10Gbit/s 转发器的光、电和机械性能标准达成的协议，大大推动了这类器件性能价格比的提高。在功能上，前向纠错（FEC）、热插拔已普遍为高端产品所采纳。在尺寸上，与传统的插盘相比，用集成的转发器模块能使体积缩小到原来的1/10，功耗下降2/3而价格却只有原来的1/3。主要在城域网和接入网中使用的光收发一体模块也在由DUPLEX SC型向更小封装的SFF 模块发展。与DUPLEX SC封装相比，它在插盘上占的体积缩小了1/2。在光放大器方面，新的EDFA模块尺寸只有7cm′9cm′1.2cm (长′宽′高)，却能提供24dB的增益和15dBm的功率输出。模块化还进一步促进了微型封装激光器和无致冷激光器的进步。现在不仅是光信号源用激光器，功率型的泵浦激光器也取得了无致冷技术的突破。120mW以下980nm无致冷激光器已有商品提供，由于省掉致冷器，EDFA模块的功耗从4.5W减少到不足1W，体积也大大缩小。值得注意的是，近来掺铒波导光放大器（EDWA）也被集成于平面波导中，以克服平面波导器件插损大的缺点，从而使制造功能更新、更复杂的平面波导器件成为可能。

　　（3）光电子器件组装的自动化技术将是降低光电子器件成本的关键。手工组装是限制光电子器件的成本进一步下降的主要因素。自动化组装可以降低人力成本、提高产量和节约生产场地，因此光电子器件组装的自动化技术的研究将是降低光电子器件成本的关键。由于光电子器件自动化组装的精度在亚微米量级，自动化组装生产一直被认为是很困难的事，但近来有很大突破。国外的学术期刊已多次报道在VCSEL、新型光学准直器件和自对准等技术进步基础上，光器件自动化组装实现的突破，同时专门针对自动化组装的光电子器件设计也正在兴起。2002年OFC展览会上有十多家自动封装、自动熔接设备厂商参展，熔接、对准、压焊等许多过去认为只能由人工操作的工艺现在都能由机械手进行。据ElectroniCast预测，到2005年自动化组装与测试设备的销量将达17.1亿美元，光电子器件产值中的70%~80％将由全自动或半自动化组装生产, 可以说自动化生产线的出现是光电子行业开始走向成熟的标志和发展的必然。

3 ASON中的新型光电子器件

　　目前的经济环境下，通信运营商提升光网络的容量时，将更加注重光网络的灵活性和可扩展性，以降低运营成本和应对快速变化的市场环境。在器件级上，在以上所述器件发展趋势的基础上，发展可调谐器件、多功能集成的光开关器件或组件和网络性能的监测器件将是构建智能光网络的基石。

　　（1）可调谐器件是目前非常热门的话题，可以说它将是ASON中必需的组成部分。目前正在开发的可调谐器件包括可调谐波长的光源、可调光滤波器、可重配置OADM和OXC、动态增益均衡和瞬态效应抑制的光放大器、自适应动态可调的色散补偿器和PMD补偿器等。与固定参数的同类器件相比，可调谐器件能实现遥控和自动的带宽管理，使网络更灵活、可靠和高效。如波长可调激光器能够大大减轻 DWDM系统在光源配置、备份和维护上的巨大压力。可调光滤波器、可重配置的OADM和OXC使得对光信号路径和目的地的调整成为可能，从而实现光网络流量的实时操纵。

　　在各种可调谐器件中，可调谐激光器光源的作用和难度都最大，因而也是最受关注的器件。目前已有一些厂商推出了产品，它们采用不同的原理，在性能和价格上分别具有各自的长处和弱点。采用温度调谐的DFB激光器最早被商品化，其原理和结构都简单易行，但波长调谐的速度慢、可调范围窄，仅3~9nm。多段结构的DBR激光器采用电流注入实现波长调谐，调谐的速度快，但范围仍有限，约8~10nm。采用复杂的光栅结构能够大大地扩展波长调谐范围，如美国ADC公司推出的GCSR（Grating Assisted Co-directional Coupler with Sampled Reflector）激光器典型的调谐范围为30~40nm，最好结果覆盖了整个C和L波段，可调范围达到114nm。Marconi等公司采用取样光栅SG-DBR的激光器结构，波长调谐达到40nm，但这类复杂光栅结构器件的制作难度大、成本高，使用时的控制也非常复杂。最近Nortel和Bandwidth9分别发布了用垂直腔面发射激光器与微机械反射镜单片集成的可调谐光源的产品，波长调谐范围达到20~30nm，采用微机械反射镜的外腔结构使得器件的光谱特性优越，很有发展前景，但不得不在输出功率和调谐范围与封装的复杂性上折衷考虑。除了继续改进可调谐激光器的基本性能，厂商们还进一步将电子或光电子器件集成到可调谐激光器中，使之成为具有多功能集成的光源模块。

　　总体来讲，可调谐激光器在光网络中的广泛应用，仍有待其性能价格比的提高。但其发展和应用的前景是不容置疑的，随着智能光网络的进展，它将迅速形成一个大产业，据美国Yankee集团预测，可调谐激光器的市场份额以2001年为起步，到2005年将达到23亿美元。

　　（2）监测技术和设备的重要性正日益增长。值得注意的是随着可调谐器件的应用和光网络灵活性的提高，监测技术和设备正越来越受到关注。目前对网络性能的监测已不仅仅是探知某一WDM波长的存在，而且要探测光信号的信噪比甚至误码率，以进行光网络的优化管理。这带来了对一系列新器件的需求，如能同时监测所有DWDM信道的上百个单元的光探测器阵列等。丹麦的Ibsen公司最近公布了其D-MON产品的性能，它采用全息衍射光栅将DWDM系统中各个波长光信号分到光检测器阵列的不同单元，能够同时测量80个50GHz间距的光通道，器件的尺寸为70mm′46mm′18 mm (长′宽′高)，和信用卡的大小差不多，包括了所有的电路部件，能够在6ms内同时记录下所有通道的光功率。该公司称目前D-MON产品被设计在光放大器或动态可调谐OADM中，完成增益斜率的检测、动态增益均衡和通道波长资源的控制。具有更多功能的产品已在申报专利并将陆续推出。

　　（3）多功能集成光开关器件的开发将推动自动交换光网络的演进。在ASON中，光开关是实现光传输路径变换的关键器件，被广泛应用于光层的路由选择、波长选择、光交叉连接(OXC)、光分插复用器(OADM)、光网络监控、器件测试及自愈保护等方面。微机电系统（MEMS）技术曾被认为是解决光开关阵列模块化、小型化的最佳方案，在经历了2年前一股热潮之后，目前正处在一个调整和寻求新突破的时期。其研发工作仍在加紧进行，同时32′32以下规模较小的MEMS光开关阵列模块已经面市，其可靠性已通过了Telcordia论证。为了解决三维MEMS开关阵列所遇到的制造上和使用中监控过于复杂等种种难题，新原理和新型器件的研究开发十分活跃，几种新型MEMS方案相继提出。其中CMEMS (Compliant MEMS) 采用高弹性的硅酮橡胶材料来改进因硅材料太硬和太脆造成的问题，在大大改善MEMS性能的同时，能降低成本和提高成品率。DMEMS (Diffractive MEMS) 利用衍射而不是反射的原理，其简单的类电容器式结构决定了它本质上的牢固和可靠，在实验室中经500亿次操作而无性能的劣化。它可避免一般MEMS开关中硅反射镜的驱动电压高和控制电路复杂的问题，并可用典型的1.0 μm CMOS 工艺线制造，大幅地降低成本和提高成品率，DMEMS技术在制造光开关和可调光衰减器方面有良好的应用前景。在解决光开关阵列规模方面，不同的公司采取了不同的解决方案。一些公司仍在继续用三维MEMS技术开发1 000×1 000以上的大型阵列，但有的制造商已在谋求用小规模的阵列作为模块，以搭积木的方式组合成大规模的阵列。他们认为，这样可以用一些同样的基本模块逐渐按用户需要扩大到相应的规模，成本低、灵活性强，并可以仅用二维MEMS器件从而避开三维技术中尚未解决的难题。另外，还有人提出充分利用DWDM的长处，以波长选择交叉连接(WSXC)方式取代一部分通常的OXC方式，这样的光网络中只要用一维MEMS阵列即可，从而可实现复杂程度、功耗和成本的大幅下降。

　　在MEMS光开关发展的基础上，多功能集成光开关器件已随着光网络技术的演进被逐步开发和利用。例如在以宽带视频、高清晰度电视和多媒体业务为主的智能化光网中，采用全光的点对多点的连接方式能够极大地扩展网络能力，提高使用效率。与传统的光/电/光交换或仅具备光点对点连接的光网络相比，全光点对多点连接方式可用最少的波长和波长备份、最少的光收发器实现网络节点间最多的虚连接，使网络得到优化。它的实现要建筑在具有多项功能的光开关器件上。这种器件应具有1×N的开关功能和对通路增益的控制能力，它可以通过把单刀多掷的光开关与可变光衰减器及有关的探测和控制电路集成为一体来实现。这种器件在智能光放大器、可重配置OADM和网络检测设备中也将被广泛应用。随着光网络智能化趋势的发展，集成各种有源、无源器件的多功能光开关模块将成为研究开发的重点。业界一些公司已在逐渐推出不同集成程度和功能的集成光开关模块或光子交换平台以适应不同厂商的需要。2002年5月，日本NEC公司和美国Tellium公司宣布共同开发了集成光传送/交换单元。其中包括Tellium公司的光开关阵列与StarNet波长管理系统(WMS)以及NEC公司的DWDM光转发器和SpectraWave 网络管理系统(NWS)。据称这是第一个可商用的集成光传送/交换单元，它可以节省电信运营商的投资和运行费用，降低功耗和设备的体积。国际会议上，由于很多人讨论这种集成的器件，以致有人造出了"Transwitch"一词来强调光传输与开关功能集成的重要性。应该说光器件的集成技术尚处于初步发展期，与微电子大规模集成电路技术相比，光电子器件的集成还有很长的路要走，但从分立到集成，从单纯器件到组件模块，再到子系统乃至系统芯片是光电子器件适应当前光网络市场需求的必然发展方向。

4 结束语

　　随着自动交换光网络概念的提出，可调谐器件、多功能集成的光开关器件、网络性能的监测器件等正成为人们关注的焦点。这些新型的光电子器件的进展将对自动交换光网络起到重大的推动作用。从历史上看，光通信系统的每一次飞跃都与光电子器件的突破密不可分，我们有理由相信，当前自动交换光网络的发展也正期待并蕴育着光电子在新材料开发、新光子学原理器件的研究和集成技术等各方面新的突破。

　　[作者简介] 谢世钟，现为清华大学电子工程系责任教授，博士生导师，信息光电子研究所所长，国家"863"计划信息领域专家委员会成员，美国IEEE高级会员和中国电子学会高级会员。研究领域为光电子技术、高速大容量光纤通信系统和宽带光纤网络。

摘自《电信科学》

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