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余 力 Infinera 中国办事处
主要观点
本文从Infinera的智能数字光网络设备在市场上取得巨大成功这一基本事实出发，说明光子集成技术会对光传输设备演进产生巨大影响。电子器件经历了从分立到集成的演进过程，集成必然成为光器件的演进方向，同时造就基于光子集成技术的新的系统和应用。
Infinera的市场成功引发光器件行业思考
回到2005年全球光网络市场，当美国著名的咨询公司Dell’Oro给出该年全球长途WDM市场新部署容量的市场份额时，所有业界关注的人都惊呆了，排在榜首是过去明不见经传的Infinera。2006年Infinera在市场上的优势还在不断扩大，并进一步延续到城域DWDM市场。与业界大多数厂家的方案不同， Infinera推出的是一种独特的光传输设备-智能数字光网络， 其中核心器件多波长光收发模块采用业界目前独一无二的光子集成（PIC）技术。值得一提的是，2006年9月，3位Infinera 工程师因为在PIC技术的贡献获得了2006 IEEE Aron Kressel 大奖 。Infinera于2001年诞生，2004年底部署第一台商用设备，在短短2年多的时间里在市场上取得了巨大成功，整个业界都在思考是什么因素决定了这一成绩。本文目的不是详细介绍智能数字光网络产品，而是以光器件为视角，来揭示集成是光器件演进必然方向。
图1 2005全球10G长途波分市场份额(按实际部署容量计算
从集成电路到光子集成回路
从1897年J•J Thomson发现电子，到1947年贝尔实验室的Shockley、Bardeen和Brattain发明晶体管，微电子技术开始进入快速发展阶段。1958年7月，美国德克萨斯仪器公司的J•S•Kilby提出集成电路（IC）概念，并于该年8月制成第一个IC。IC技术的成熟及其产业化，为改变人类文明进程做出了巨大贡献。过去电子系统采用分立器件如电阻、电容、电感等。分立器件成本较高，因为器件的数量比较多，比较容易失效；同时系统体积较大，功耗也大。而一块很小IC芯片，可将分立电子器件集成在一起。IC出现以后明显解决以前基于分立器件系统相关的成本、体积、功率、功耗以及可靠性等问题，IC也随之成为电子行业以及其他相关行业的核心支撑产业，同时在IC发展过程中出现了著名的摩尔定律。引入IC后的另一个标志性变化就是电子系统从模拟转向数字，从而支持更多的新型应用，比如笔记本电脑、手机等等。数字意味着智能化、可管理性、可靠性等等。计算机处理数据必须基于数字的方式，语音、图象正在从模拟转向数字，对于传输带宽，同样希望它转向数字的带宽管理。总之，集成有两大好处：一是低成本高性能的器件，二是新的系统应用。
IC发展规律对光器件的发展会有何启示呢？目前常规的WDM系统是通过分立的光器件构造，显然也存在同样的问题，比如成本、失效性、体积等，而且光纤连接头也很多。系统硬件成本的大部分体现在封装上，集成就为光器件成本降低提供了一个思路，对于光器件而言就是将各种功能的光器件的芯片水平上实现互连，最后再实现封装，这样一来，因为封装的减少，成本大大降低。
多波长分立器件集成的思路就是把多个波长的分立光器件集成在一起。举个例子，100G的传输本来需要采用10个波长的光转发器OTU，涉及10个激光器、10个调制器、10个波长锁定器、10个接收器件，还有分合波器。如果把10个波的发射和光合波器做到一起，或者将10个波的接收和光分波器集成到一起，其中的好处就是光纤封装数量和跳线数量明显减少，成本和体积也明显降低。Infinera的PIC芯片就是采用这一模式。
图2 Infinera 10*10G 光子集成芯片
实现上述想法并不简单。把有源器件和无源器件集成在一起是集成光学界长期希望解决的问题。因为有源器件如激光器，调制器以及复用器的材料都不相同，如激光器一般采用GaAs或InP作为衬底材料，而阵列波导光栅（AWG）一般采用Si/SiO2作为衬底材料。
从光网络应用角度看待光子集成技术
把10个波的发射和光复用器做到一起，或者将10个波的接收和光解复用器集成到一起，对系统设备有何影响呢？首先，容量升级的模式改变了，一次升级100G；第二，光复用模式发生变化，过去40波一次集中复用/解复用的模式发生改变，即出现二次波段复用概念。如果光集成技术带来的变化仅限于上述两点的话，那还谈不上对设备型态产生革命性影响。用著名光通信专家厉鼎毅先生的话说：光最大的优势就是在光纤中的容量优势，这是其他方式如同轴电缆或微波通信无法比拟的，而WDM技术恰好充分挖掘了这一技术优势。与电子器件优异的信息处理功能相比，由于缺少相应的逻辑器件和存储器件，光在信息处理上就相形见绌了。
分析通信网络架构，重叠模型即业务网和传送网分离的结构已成为业界共识。总的趋势是，光传送网向增大容量，支持多业务，增强网络智能等方向发展。从应用角度，光传送网无非需要解决3个基本问题：第一是传输能力，即点对点的传输能力，WDM技术在这点上优势明显；其次是交换能力，即业务疏理和业务上下能力，或者说带宽管理能力；其三是智能化，解决端对端业务配置以及光层的生存性。这3种能力综合在一起就是所谓节点技术或节点解决方案。
目前，需要至少2种以上的设备来完成节点的业务调度，我国绝大部分的省际传送网都是采用WDM设备+基于SDH的交换设备或中继OTU的方式：传输采用WDM实现节点之间的传送，基于VC-4的交叉来完成业务调度和保护。如果需要考虑智能特性，则需要采用所谓ASON设备来替代SDH设备，确切的说，基于SDH的ASON设备，其业务交叉颗粒度还是155M。对于IP业务，其颗粒度至少在2.5G以上，显然这种解决方案存在天然缺陷。由于大容量的业务需求，WDM技术是光层必然的选择；不过，由于在光层没有恢复功能，WDM技术还不是完善的组网技术。WDM组网问题实际上是光网络长期未能治愈的痼疾。相比之下，SDH却是完善的网络解决技术，关键在于节点采用数字节点技术，传输完成后完全进行光电转换，在电域完成业务调度后，再回到光域传输。
如果能采用数字节点技术，WDM的组网问题就能迎刃而解。而实现这一点，低成本的多波长OEO转换器件就十分关键，因为如果采用基于单个波长的OTU技术，其成本无法接受。图3很形象给出如何基于光集成技术定义一种新的设备型态，一种全新网络解决方案。PIC技术的直接产物是低成本多波长OEO转换器件，这就是实现WDM数字节点的基础。对于传输能力来说，首先WDM传输需要OTU成本明显降低，而且由于数字节点之间的光链路没有关联，因此光链路设计非常简单。此外，每个节点都采用FEC技术，光传输能力有8~9dB提高。对于交换能力来讲，由于板卡内置是基于交叉矩阵的，从而实现灵活业务调度和完全没有阻塞的数字业务上下，以及性能监控。从智能化角度，似乎控制平面的引入和OEO转换没有直接关联。其实，光路由的重新选取会因为光链路设计过于复杂而无法实现，而数字节点是WDM组网实现智能化的关键，同时把光链路的复杂度降至最低。此外，客户在安装、规划和使用智能数字光网络设备的时候节省时间达到75％以上，由于光纤连接头数目明显降低，系统失效率也相应降低97％以上。
图3光子集成技术和Infinera 的智能数字光网络的关系
Infinera的智能光网络设备集成了传输，交换和智能功能，智能数字光网络解决方案可谓彻底治愈了光网络痼疾。其中PIC技术是关键所在，不仅是因为集成器件体积减少，更是因为可以实现低成本的宽带光电转换器件。这种光器件对设备的影响可谓是跳跃式或革命式的。
集成是光器件发展的必然方向
正如电子与磁的并行性与互补性一样，光子学与电子学有很好的并行性与互补性。深入了解这一客观规律，对发展光子学与光子产业具有重要意义。微电子的发展经历了"电学--电子器件--电子回路--电子集成--电子系统--电子工程--电子产业"的过程，同样，光子学也经历了与其类似的发展过程，即"光学--光子器件--光子回路--光子集成--光子系统--光子工程--光子产业"。
如果进一步分析Infinera的PIC芯片，发现集成并不局限于光器件之间，而在光器件和电器件之间同样可以集成即光电集成（OEIC）。PIC是不同功能的光子器件于同一衬底上，OEIC是将光子器件、电子器件在同一衬底上的集成。无论是IC、PIC还是OEIC，其共同的初衷与产生的效果都是大规模生产、降低成本、提高可靠性。
信息领域中不同器件的集成，不同功能的集成是当前科学与技术发展的主流。从通信应用来看，从传统的WDM的设备型态到智能数字光网络，集成技术扮演了一个关键角色。Infinera在市场上的成功说明一个在电子领域被证明了无数次的简单道理：集成是光器件必然的演进方向，也必然造就新一代的基于光器件的应用系统。
参考文献
1.Ivan Kaminow 厉鼎毅主编 余力等译《光纤通信》中文版 北京邮电大学出版社2006
2.韦乐平 张成良 《光网络-系统器件与联网技术》 人民邮电出版社 2006
3.黄德修 <<光电子技术与产业>>
4.厉鼎毅 OFC2006 Workshop：光和电的优势 发言
