摘 要：本文从高速率大容量信息网络体系的发展需求出发，指出光纤网络体系是未来光通信的主流发展方向，光子技术将在网络体系中成为主体技术，发挥重大的作用。文中描述了光纤网络体系的基本功能构架：即信息的超大容量传输，灵活的上下载路分插复用，快速的交换共享和高效经济的路由选择。光子集成是实现上述功能构架的关键硬件，它包括高速响应的集成激光器、波导光栅阵列密集波分复用器、可调谐窄带响应集成光电探测器、路由选择的波长变换器以及快速响应光开关矩阵等。重点将对上述支撑高速率、大容量光纤网络体系的集成光子器件的发展作出较深入的评述讨论。

     关键词：光网络； 光子技术； 半导体； 光子集成

     一、 引言

     以Internet为代表的国际互连网的发展即将步入千家万户，“距离"的观念在时间尺度上正在迅速地缩短，地球村的臆想正悄悄地成为现实。“信息“不仅是社会通信联络的纽带，也将成为创造社会财富和丰富文明生活的源泉。随着高速数字互连网的建立以及IP（Internet Protocol）协议为代表的各种传输协议（如ATM, STM, DWDM等）的提出，信息网络的服务范围已从单纯的邮电通信扩展为多媒体服务。一些新的业务诸如电子商务、远程教育、远程医疗、电视会议、节目点播、家庭办公、电子咨询以及危险作业的远程无人操作等都将在数字化的信息网络体系实现，构成一种宽带综合数字服务网（B－ISDN），成为信息化社会的基础。

     随着Internet的迅速普及，B－ISDN体系的发展，人们对信息量的需求呈现爆炸性的增长，约经6－9个月就翻一番，预计10年后，家庭用户需求的信息量将从10Mb/s提升为100Mb/s ，而占用时间则持续数小时以上。Tb/s(1000Gb/s)级传输信息量的网络体系的发展已提上日程，光波本征带宽达200THz，在未来的高速率、大容量信息网络体系中（至少在骨干层和区域层中），光子技术必将成为主体技术。

     光网络体系的发展起始于90年代初，美国国防部先进研究项目（DARPA）即已着手部署组织一系列协作集团加紧研究；欧洲早在88－94年间的先进通信技术研究开发计划（RACE）中即已将多波长传输网的研究列为重点；日本在高速率、大容量传输技术方面基础实力雄厚，有明显的优势，大有后来赶上的趋势。

     光纤网络体系发展的诸多关键，首先是超大容量信息载入技术的实现，波分复用（WDM）辅以光学时分复用（OTDM）技术被公认是最可行的先进技术。1996年日本富士通公司最早报导了55路WDM 1.1Tb/s容量传输150公里的成功实验，同年底日本NEC又报导进行了132路WDM 120公里传输实验，传输容量达到2.6Tb/s。2000年春又有传输容量高达6Tb/s的报导。从此开始便拉开了竞相开发Tb/s级超大容量传输技术的序幕，预计至2005年将达到10Tb/s，而2010年将达到100Tb/s，它为光网的发展奠定了关键基础。

     与此同时光网络结构的研究也取得迅速发展，如美国的MONET计划实现了新泽西州网，华盛顿DC网和连接两个区的长途多波长光纤链路，并对网络技术方案得出了重要的结论。对指导未来光网络的发展做出了重要贡献。

     欧洲的PHOTON计划则采用WDM链路和交叉链接方式把奥地利的Vienna,Passau和德国的Munich三个城市连在一起。演示了WDM交叉连接技术、WDM监视功能和WDM传送网的应用。在此基础上又开始以光网络管理为研究目标的MOON计划。

     我国在国家高技术研究计划（863计划）的支持下也于1999年着手布置实施8(2.5Gb/s的“中国高速信息示范网“（CAINNET）的研究与开发，计划于2000年底建立一个基于光纤Internet的高速信息网络实验环境，而国家自然科学基金委布置的10(2.5Gb/s＋6(10Gb/s的NSFCNET光网也于2000年底完成了试运行，期望以此推动我国高速率、大容量光纤信息网络体系的发展。

     未来光纤信息网络体系的发展水平和普及程度取决于一个国家科技水平和经济实力，它关系到国家的管理和运营效率以及社会物质文明生活的持续发展能力。因而成为未来国际间高科技竞争的焦点。

     二、 光网络体系的功能构架

     光网络体系是以最大限度服务于广大用户日益增长的信息需求为宗旨的，广大的用户对信息的需求是多样化的并随时不断变化，光网络对多媒体信息的传送要求有充分的透明度，信息的数字化表征对此奠定了关键的物理基础。未来的光网络将是一个多媒体宽带数字综合服务网，简称为B－ISDN。光网络体系的基本构架可分解为四部分，即超高速率大容量信息比特的载入与传送、用户信息上下话路、灵活的分插复用，网络间信息的快速交换与共享以及网络对传输信道高效经济的路由选择。

     超高速率、超大容量信息比特的载入与传送

     Tb/s级信息比特量的传输将成为发展光网络的起点，必须发展高速响应的光子源器件，目前的半导体InGaAsP/InP量子阱分布反馈激光器的直接调制带宽受到张弛振荡的限制，只能达到5Gb/s，且啁啾效应相当严重，因此必须采用外调制方式并研制由DFB激光器与调制器单片集成的高速集成光子源。原则上这种集成光子源能够载入100Gb/s的信息比特量，但技术难度大，经济代价高，(10-40)Gb/s的单信道传输容量是最经济的选择方案。因此，Tb/s级的超大信息容量的传输必须采用复用技术来解决。波分复用技术(WDM)一开始就受到极大重视，然而实际的利用还受到石英光纤低损耗窗口宽度的制约。由于CVD技术的进步，已能获得1280-1630nm低损耗全波窗口。这就为密集波分复用（DWDM）的发展奠定了基础。按照ITU－T的标准，各信道中心波长间隔(f为100GHz，全波窗口可以同时容纳425路波长信道，即使按10Gb/s单信道传输容量计算，总传输容量可达4.25Tb/s。实际上随着波分检测技术的进步，还可以将信道间隔按几何级数成倍减小，例如0.4nm, 0.2nm, 0.1nm等，再加上光学时分复用（OTDM）或偏振复用（OPDM）的辅助，则WDM总传输容量也将进一步大幅度提高。有可能在一个区域网中容纳1万个传输信道。

     DWDM技术是一条经济有效的途径。波长的精确度和高度的稳定性是DWDM技术中对光子源器件的最重要．最基本的要求，这种高速响应的单稳频集成光子源还必须具有一定的波长可调谐功能，以便实现与信道标准的精确对准。

     另一支撑WDM技术的关键硬件即复用／解复用器的实现，曾经研究了各种方案，例如：介质膜滤波器结构的复用器、熔锥型光纤耦合器复用器、光纤光栅复用器、光栅型复用器以及阵列波导光栅复用器等。DWDM的光网络传输，要求复用器损耗低、串扰小、并具复用／解复用的双向对称功能。Si-基SiO2/Si阵列波导光栅（AWG）复用器被认为是用于DWDM光网络的最佳选择。

     网络中信息的灵活上下话路与分插复用

     目前的点对点光通信，信息的下载路是通过光电转换后，再经过电子上下路分插复用器（ADM）完成的。光－电－光的转换过程受限于光电探测器的响应速度和电子回路的RC延迟，满足不了超高速率、超大容量光网络的传输要求。随着集成光子器件的日益成熟，全光上下话路分插复用（OADM）技术很快被提上日程。

     采用DWDM技术的光网络体系还可以利用波长作为信道（或用户）的标识，在复杂的网络体系中灵活地提取或载入信息，因此OADM技术将成为光纤网络体系中最核心的部分。

     基于半导体材料研制的波导光栅阵列（AWG）复用／解复用器与波导开关阵列组成的OADM单元是最有前途的发展方案。图1所示是一个由三个AWG复用／解复用器和N路光波导阵列开关组成的OADM基本单元，通过光波导汇总使开关阵列的输入端口1与AWG1的输出端口连接，而另一个输入端口2则与用户上载路的光纤连接。阵列开关输出端口1'与AWG2输入端口连接，而另一个输出端口2'则与AWG3输入端口连接，开关阵列可以是热光型的（如对SiO2/Si材料体系）或是电光型的（对InGaAsP/InP材料体系），前者响应速度为毫秒量级，后者则可达微秒甚至更高。三个AWG的平板波导区是互相贯穿的，WDM光信息比特流经传输光纤由AWG1的输入端输入，经AWG1解复用在输出端分解为(1，(2，……(N再通过N路波导对应地传送到开关阵列的N个入口端W1，W2 ……WN，客户所需信息的下载提取，如需下载(m波长信道的信息，可以通过控制电路对开关阵列中的第m个开关施加偏置，使之处于“开“态，而其余的则仍处于“关“态，于是只有(m信道的信息流由下载路端口2'输出，经光－电－光转换后再传送给用户，而其余信道的信息流则通过端口1'由主传输线继续传送。

     客户信息的上载是通过开关阵列的输入端2实现的，当n用户需要上载信息入网时，可以通过(n信道传送自己的信息流，若开关阵列中n处于“开“态，则该路上载信息流将经开关阵列输出端口1'与AWG2连接，被复用到主传输线传送。若用户只需要在节点间通信，则开关阵列使之处于“关“态，该信道的信息流从开关输出端2'输出，经AWG3复用传送到其他节点，由其他节点的OADM下载给客户对象。

     DWDM网络体系信道波长间隔只有0.8nm甚至更小，而各个信道的端口在空间分布上也是很紧凑的，因此下载提取时的光－电－光过程所安置的光电检测器必须是集成化的。为了抑制相邻诸多信道光在接收过程中的串扰，光电捡测要求有高灵敏的信道甑别功能，这就需要发展窄带响应的光电探测器，为使响应峰值与信道波长匹配，还应该有一定的可调谐度。

     网间信息的快速交换

     最简单的光网络的骨干传输层为环形链状结构，如图2所示，每个环形光网具有Tb/s级的DWDM信息流吞吐能力和高达Gb/s的上载入网的速率，相当于大城市中的广域网，为了有效地利用和共享巨大的传输信息量，同时也为了满足城域间用户的服务需求，每个骨干网都通过若干接点（称为交叉互连节点）交叉连接起来，构成一个链状结构，称为网络体系的拓扑结构（还有其他类型的拓朴结构，如星型、网孔型等）。对如此巨大的信息吞吐量和很高的入线速率，只有通过实时的光－光交叉互连才是可行的，因此这个节点就称为光交叉互连节点，缩写为OXC。每个骨干层传输网可以直接与用户发生OADM的关系，但更多的则是把骨干网中的信息下载到区域网中去对用户进行分配，既便于发挥骨干层的传输潜力，又能使整个网络系统造价降低。

     实现OXC功能的硬件结构，也有多种方案，比较现实可行的是基于光开关矩阵和AWG复用／解复用器，同时辅有波长变换器组成的OXC功能结构（如图3所示），它分别由N个AWG复用器和解复用器作为输入节点，每个输入节点都含有M个复用波长，因此解复用后的信道总数为M(N，通过MN(MN光开关矩阵，可实现实时的任意选路交换，为了避免信道波长的重复，经波长变换器作必要的变换后再由AWG复用往下继续传送。现有的OXC节点功能目前还限于波长路由交叉连接（WRXC），而随着波长转换器件的成熟，则向波长转换交叉连接（WIXC）发展，因而在网络管理上就需考虑虚波长通道的设置，以保证光交叉互连畅通无阻。

     光交叉互连的关键硬件是集成光开关矩阵（波长变换的功能 在下节讨论），光开关矩阵呈复杂的树枝状结构，信道数很大，因此通过OXC的信息流要经过无数的光开关单元的接入以实现预订路径的传输，叠加的插入损耗可能相当可观，而每个开关延迟串接在一起也将使OXC具有可观时延，这就对光开关的低损耗性能提出了苛刻的要求。同时要求光开关矩阵能与微电子控制回路实现OEIC单片集成。 偏振敏感性也是一个重要的问题，SOI光开关波导层为Si，双折射效应很弱。而InGaAsP/InP量子阱光波导由于应变的存在导致双折射效应，使偏振敏感性增大，可能会使网络系统中的偏振色散加剧。

     光网络体系中的波长变换和路由选择

     根据ITU－T建议的标准信道间隔为0.8nm，全波光纤窗口宽达340nm，可以传输425个独立信道，若信道间隔压缩为0.1nm，加上偏振复用，则信道数可增达7000个，因此在区域网中就可以波长为标识分配给各个管理区中的用户，网络中信息流的走向完全可以由波长选通直接解决，无须再作波长转换。这样的网络体系复杂度较小，造价低，可靠性高。但是信源的上载发送和用户的下载接收对波长的精确度就有更高的要求，何者更为经济合理与光子器件的发展水平和网络管理的有效性、经济性直接相关。尽管如此，波长变换在OXC系统中仍然是不可缺少的，相邻的环形网络中，同等数量的波长信道都已分配给各自的用户，但各个环形网中的信道并非都处于工作状态，因而总是存在一定数量的空闲信道。网络1中的(n信道经过OXC接入网络2时，可能在网络2中的(n信道正在紧张地工作，因此就出现了阻塞效应，一时无法实现交叉互连，波长变换就是将(n信道波长转变为其中某一个空闲信道的波长，而使网络的运行处于无阻塞的畅通状态，最大限度地利用了网络中的波长资源。这就是波长转换光交换的方案（WIXC）。

     实际上为了节约波长资源的消耗在广域环形骨干网与各区域网间波长变换也是需要的，例如节目点播有可能在同一时间内有许多用户都需要，此刻骨干网向区域网的传送无需以(1，(2，……(N的信道同时传送节目的信息，只需用一路(n信道传送到各区域网的节点，在节点处按用户信道的波长标识实现复转换为(1，(2，……(N后直接输送予用户。可见波长转换的同时还需要有光放大的功能，网络管理是一项重要工作。

     早期研究的波长变换是采用光－电－光的间接方法响应速度受到“电子瓶颈“的限制，成本代价也高，又难以集成化，不能适应DWDM光网络的需求。必须发展光－光直接波长转换的技术，波长转换器的基本要求是：转换速度要快（至少对10Gb/s的信息流能够响应），对光信息流的各种传输格式是透明的，有较宽的转换范围。在长波侧和短波侧均能实现转换，对输入信号光功率要求不太高，偏振敏感度小，啁啾噪声低等。

     随着光子器件的成熟，现在已经能够利用半导体光放大器SOA实现波长转换，它同时还兼具光增益的功能，能够符合DWDM网络体系的要求。半导体SOA实现波长转换是利用光增益非线性特性来实现的，有交叉增益调制和交叉相位调制和四波混频三类。

     目前半导体光放大器的3dB响应谱宽可以做到50nm，对复盖全波窗口波长转换尚有七倍差距。从功率均衡的要求考虑对波长变换可用带宽还要小。调整InGaAsP的组份可以获得中心波长在1300nm至1600nm范围内的SOA，因此可采用级联式结构来满足全波网络系统波长转换的要求。