集成是光器件發(fā)展的必然方向

余 力   Infinera 中國辦事處

主要觀點
        本文從Infinera的智能數(shù)字光網(wǎng)絡設備在市場上取得巨大成功這一基本事實出發(fā)，說明光子集成技術會對光傳輸設備演進產(chǎn)生巨大影響。電子器件經(jīng)歷了從分立到集成的演進過程，集成必然成為光器件的演進方向，同時造就基于光子集成技術的新的系統(tǒng)和應用。

Infinera的市場成功引發(fā)光器件行業(yè)思考
        回到2005年全球光網(wǎng)絡市場，當美國著名的咨詢公司Dell’Oro給出該年全球長途W(wǎng)DM市場新部署容量的市場份額時，所有業(yè)界關注的人都驚呆了，排在榜首是過去明不見經(jīng)傳的Infinera。2006年Infinera在市場上的優(yōu)勢還在不斷擴大，并進一步延續(xù)到城域DWDM市場。與業(yè)界大多數(shù)廠家的方案不同， Infinera推出的是一種獨特的光傳輸設備-智能數(shù)字光網(wǎng)絡， 其中核心器件多波長光收發(fā)模塊采用業(yè)界目前獨一無二的光子集成（PIC）技術。值得一提的是，2006年9月，3位Infinera 工程師因為在PIC技術的貢獻獲得了2006 IEEE Aron Kressel 大獎 。Infinera于2001年誕生，2004年底部署第一臺商用設備，在短短2年多的時間里在市場上取得了巨大成功，整個業(yè)界都在思考是什么因素決定了這一成績。本文目的不是詳細介紹智能數(shù)字光網(wǎng)絡產(chǎn)品，而是以光器件為視角，來揭示集成是光器件演進必然方向。

圖1  2005全球10G長途波分市場份額(按實際部署容量計算

從集成電路到光子集成回路
    從1897年J•J Thomson發(fā)現(xiàn)電子，到1947年貝爾實驗室的Shockley、Bardeen和Brattain發(fā)明晶體管，微電子技術開始進入快速發(fā)展階段。1958年7月，美國德克薩斯儀器公司的J•S•Kilby提出集成電路（IC）概念，并于該年8月制成第一個IC。IC技術的成熟及其產(chǎn)業(yè)化，為改變?nèi)祟愇拿鬟M程做出了巨大貢獻。過去電子系統(tǒng)采用分立器件如電阻、電容、電感等。分立器件成本較高，因為器件的數(shù)量比較多，比較容易失效；同時系統(tǒng)體積較大，功耗也大。而一塊很小IC芯片，可將分立電子器件集成在一起。IC出現(xiàn)以后明顯解決以前基于分立器件系統(tǒng)相關的成本、體積、功率、功耗以及可靠性等問題，IC也隨之成為電子行業(yè)以及其他相關行業(yè)的核心支撐產(chǎn)業(yè)，同時在IC發(fā)展過程中出現(xiàn)了著名的摩爾定律。引入IC后的另一個標志性變化就是電子系統(tǒng)從模擬轉向數(shù)字，從而支持更多的新型應用，比如筆記本電腦、手機等等。數(shù)字意味著智能化、可管理性、可靠性等等。計算機處理數(shù)據(jù)必須基于數(shù)字的方式，語音、圖象正在從模擬轉向數(shù)字，對于傳輸帶寬，同樣希望它轉向數(shù)字的帶寬管理。總之，集成有兩大好處：一是低成本高性能的器件，二是新的系統(tǒng)應用。

    IC發(fā)展規(guī)律對光器件的發(fā)展會有何啟示呢？目前常規(guī)的WDM系統(tǒng)是通過分立的光器件構造，顯然也存在同樣的問題，比如成本、失效性、體積等，而且光纖連接頭也很多。系統(tǒng)硬件成本的大部分體現(xiàn)在封裝上，集成就為光器件成本降低提供了一個思路，對于光器件而言就是將各種功能的光器件的芯片水平上實現(xiàn)互連，最后再實現(xiàn)封裝，這樣一來，因為封裝的減少，成本大大降低。

    多波長分立器件集成的思路就是把多個波長的分立光器件集成在一起。舉個例子，100G的傳輸本來需要采用10個波長的光轉發(fā)器OTU，涉及10個激光器、10個調制器、10個波長鎖定器、10個接收器件，還有分合波器。如果把10個波的發(fā)射和光合波器做到一起，或者將10個波的接收和光分波器集成到一起，其中的好處就是光纖封裝數(shù)量和跳線數(shù)量明顯減少，成本和體積也明顯降低。Infinera的PIC芯片就是采用這一模式。

圖2 Infinera 10*10G 光子集成芯片

    實現(xiàn)上述想法并不簡單。把有源器件和無源器件集成在一起是集成光學界長期希望解決的問題。因為有源器件如激光器，調制器以及復用器的材料都不相同，如激光器一般采用GaAs或InP作為襯底材料，而陣列波導光柵（AWG）一般采用Si/SiO2作為襯底材料。

從光網(wǎng)絡應用角度看待光子集成技術
    把10個波的發(fā)射和光復用器做到一起，或者將10個波的接收和光解復用器集成到一起，對系統(tǒng)設備有何影響呢？首先，容量升級的模式改變了，一次升級100G；第二，光復用模式發(fā)生變化，過去40波一次集中復用/解復用的模式發(fā)生改變，即出現(xiàn)二次波段復用概念。如果光集成技術帶來的變化僅限于上述兩點的話，那還談不上對設備型態(tài)產(chǎn)生革命性影響。用著名光通信專家厲鼎毅先生的話說：光最大的優(yōu)勢就是在光纖中的容量優(yōu)勢，這是其他方式如同軸電纜或微波通信無法比擬的，而WDM技術恰好充分挖掘了這一技術優(yōu)勢。與電子器件優(yōu)異的信息處理功能相比，由于缺少相應的邏輯器件和存儲器件，光在信息處理上就相形見絀了。

    分析通信網(wǎng)絡架構，重疊模型即業(yè)務網(wǎng)和傳送網(wǎng)分離的結構已成為業(yè)界共識�？偟内厔菔�，光傳送網(wǎng)向增大容量，支持多業(yè)務，增強網(wǎng)絡智能等方向發(fā)展。從應用角度，光傳送網(wǎng)無非需要解決3個基本問題：第一是傳輸能力，即點對點的傳輸能力，WDM技術在這點上優(yōu)勢明顯；其次是交換能力，即業(yè)務疏理和業(yè)務上下能力，或者說帶寬管理能力；其三是智能化，解決端對端業(yè)務配置以及光層的生存性。這3種能力綜合在一起就是所謂節(jié)點技術或節(jié)點解決方案。

    目前，需要至少2種以上的設備來完成節(jié)點的業(yè)務調度，我國絕大部分的省際傳送網(wǎng)都是采用WDM設備+基于SDH的交換設備或中繼OTU的方式：傳輸采用WDM實現(xiàn)節(jié)點之間的傳送，基于VC-4的交叉來完成業(yè)務調度和保護。如果需要考慮智能特性，則需要采用所謂ASON設備來替代SDH設備，確切的說，基于SDH的ASON設備，其業(yè)務交叉顆粒度還是155M。對于IP業(yè)務，其顆粒度至少在2.5G以上，顯然這種解決方案存在天然缺陷。由于大容量的業(yè)務需求，WDM技術是光層必然的選擇；不過，由于在光層沒有恢復功能，WDM技術還不是完善的組網(wǎng)技術。WDM組網(wǎng)問題實際上是光網(wǎng)絡長期未能治愈的痼疾。相比之下，SDH卻是完善的網(wǎng)絡解決技術，關鍵在于節(jié)點采用數(shù)字節(jié)點技術，傳輸完成后完全進行光電轉換，在電域完成業(yè)務調度后，再回到光域傳輸。

    如果能采用數(shù)字節(jié)點技術，WDM的組網(wǎng)問題就能迎刃而解。而實現(xiàn)這一點，低成本的多波長OEO轉換器件就十分關鍵，因為如果采用基于單個波長的OTU技術，其成本無法接受。圖3很形象給出如何基于光集成技術定義一種新的設備型態(tài)，一種全新網(wǎng)絡解決方案。PIC技術的直接產(chǎn)物是低成本多波長OEO轉換器件，這就是實現(xiàn)WDM數(shù)字節(jié)點的基礎。對于傳輸能力來說，首先WDM傳輸需要OTU成本明顯降低，而且由于數(shù)字節(jié)點之間的光鏈路沒有關聯(lián)，因此光鏈路設計非常簡單。此外，每個節(jié)點都采用FEC技術，光傳輸能力有8~9dB提高。對于交換能力來講，由于板卡內(nèi)置是基于交叉矩陣的，從而實現(xiàn)靈活業(yè)務調度和完全沒有阻塞的數(shù)字業(yè)務上下，以及性能監(jiān)控。從智能化角度，似乎控制平面的引入和OEO轉換沒有直接關聯(lián)。其實，光路由的重新選取會因為光鏈路設計過于復雜而無法實現(xiàn)，而數(shù)字節(jié)點是WDM組網(wǎng)實現(xiàn)智能化的關鍵，同時把光鏈路的復雜度降至最低。此外，客戶在安裝、規(guī)劃和使用智能數(shù)字光網(wǎng)絡設備的時候節(jié)省時間達到75％以上，由于光纖連接頭數(shù)目明顯降低，系統(tǒng)失效率也相應降低97％以上。

圖3光子集成技術和Infinera 的智能數(shù)字光網(wǎng)絡的關系

     Infinera的智能光網(wǎng)絡設備集成了傳輸，交換和智能功能，智能數(shù)字光網(wǎng)絡解決方案可謂徹底治愈了光網(wǎng)絡痼疾。其中PIC技術是關鍵所在，不僅是因為集成器件體積減少，更是因為可以實現(xiàn)低成本的寬帶光電轉換器件。這種光器件對設備的影響可謂是跳躍式或革命式的。

集成是光器件發(fā)展的必然方向
    正如電子與磁的并行性與互補性一樣，光子學與電子學有很好的并行性與互補性。深入了解這一客觀規(guī)律，對發(fā)展光子學與光子產(chǎn)業(yè)具有重要意義。微電子的發(fā)展經(jīng)歷了"電學--電子器件--電子回路--電子集成--電子系統(tǒng)--電子工程--電子產(chǎn)業(yè)"的過程，同樣，光子學也經(jīng)歷了與其類似的發(fā)展過程，即"光學--光子器件--光子回路--光子集成--光子系統(tǒng)--光子工程--光子產(chǎn)業(yè)"。

    如果進一步分析Infinera的PIC芯片，發(fā)現(xiàn)集成并不局限于光器件之間，而在光器件和電器件之間同樣可以集成即光電集成（OEIC）。PIC是不同功能的光子器件于同一襯底上，OEIC是將光子器件、電子器件在同一襯底上的集成。無論是IC、PIC還是OEIC，其共同的初衷與產(chǎn)生的效果都是大規(guī)模生產(chǎn)、降低成本、提高可靠性。

    信息領域中不同器件的集成，不同功能的集成是當前科學與技術發(fā)展的主流。從通信應用來看，從傳統(tǒng)的WDM的設備型態(tài)到智能數(shù)字光網(wǎng)絡，集成技術扮演了一個關鍵角色。Infinera在市場上的成功說明一個在電子領域被證明了無數(shù)次的簡單道理：集成是光器件必然的演進方向，也必然造就新一代的基于光器件的應用系統(tǒng)。

參考文獻
   1.Ivan Kaminow 厲鼎毅主編 余力等譯《光纖通信》中文版 北京郵電大學出版社2006
   2.韋樂平 張成良 《光網(wǎng)絡-系統(tǒng)器件與聯(lián)網(wǎng)技術》 人民郵電出版社 2006
   3.黃德修 <<光電子技術與產(chǎn)業(yè)>>
   4.厲鼎毅  OFC2006  Workshop：光和電的優(yōu)勢  發(fā)言