[圖]集成是光器件發(fā)展的必然方向

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(diǎn)
        本文從Infinera的智能數(shù)字光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在市場上取得巨大成功這一基本事實(shí)出發(fā)，說明光子集成技術(shù)會(huì)對(duì)光傳輸設(shè)備演進(jìn)產(chǎn)生巨大影響。電子器件經(jīng)歷了從分立到集成的演進(jìn)過程，集成必然成為光器件的演進(jìn)方向，同時(shí)造就基于光子集成技術(shù)的新的系統(tǒng)和應(yīng)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(luò)市場，當(dāng)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(shí)，所有業(yè)界關(guān)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(kuò)大，并進(jìn)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(dú)特的光傳輸設(shè)備-智能數(shù)字光網(wǎng)絡(luò)， 其中核心器件多波長光收發(fā)模塊采用業(yè)界目前獨(dú)一無二的光子集成（PIC）技術(shù)。值得一提的是，2006年9月，3位Infinera 工程師因?yàn)樵赑IC技術(shù)的貢獻(xiàn)獲得了2006 IEEE Aron Kressel 大獎(jiǎng) 。Infinera于2001年誕生，2004年底部署第一臺(tái)商用設(shè)備，在短短2年多的時(shí)間里在市場上取得了巨大成功，整個(gè)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(xì)介紹智能數(shù)字光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，而是以光器件為視角，來揭示集成是光器件演進(jìn)必然方向。

圖1  2005全球10G長途波分市場份額(按實(shí)際部署容量計(jì)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(shí)驗(yàn)室的Shockley、Bardeen和Brattain發(fā)明晶體管，微電子技術(shù)開始進(jìn)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(gè)IC。IC技術(shù)的成熟及其產(chǎn)業(yè)化，為改變?nèi)祟愇拿鬟M(jìn)程做出了巨大貢獻(xiàn)。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?yàn)槠骷臄?shù)量比較多，比較容易失效；同時(shí)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(guān)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(guān)行業(yè)的核心支撐產(chǎn)業(yè)，同時(shí)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(gè)標(biāo)志性變化就是電子系統(tǒng)從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字，從而支持更多的新型應(yīng)用，比如筆記本電腦、手機(jī)等等。數(shù)字意味著智能化、可管理性、可靠性等等。計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)向數(shù)字，對(duì)于傳輸帶寬，同樣希望它轉(zhuǎn)向數(shù)字的帶寬管理?？傊捎袃纱蠛锰帲阂皇堑统杀靖咝阅艿钠骷?，二是新的系統(tǒng)應(yīng)用。

    IC發(fā)展規(guī)律對(duì)光器件的發(fā)展會(huì)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(gòu)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(gè)思路，對(duì)于光器件而言就是將各種功能的光器件的芯片水平上實(shí)現(xiàn)互連，最后再實(shí)現(xiàn)封裝，這樣一來，因?yàn)榉庋b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(gè)波長的分立光器件集成在一起。舉個(gè)例子，100G的傳輸本來需要采用10個(gè)波長的光轉(zhuǎn)發(fā)器OTU，涉及10個(gè)激光器、10個(gè)調(diào)制器、10個(gè)波長鎖定器、10個(gè)接收器件，還有分合波器。如果把10個(gè)波的發(fā)射和光合波器做到一起，或者將10個(gè)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(shí)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(xué)界長期希望解決的問題。因?yàn)橛性雌骷缂す馄鳎{(diào)制器以及復(fù)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(dǎo)光柵（AWG）一般采用Si/SiO2作為襯底材料。

從光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用角度看待光子集成技術(shù)
    把10個(gè)波的發(fā)射和光復(fù)用器做到一起，或者將10個(gè)波的接收和光解復(fù)用器集成到一起，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備有何影響呢？首先，容量升級(jí)的模式改變了，一次升級(jí)100G；第二，光復(fù)用模式發(fā)生變化，過去40波一次集中復(fù)用/解復(fù)用的模式發(fā)生改變，即出現(xiàn)二次波段復(fù)用概念。如果光集成技術(shù)帶來的變化僅限于上述兩點(diǎn)的話，那還談不上對(duì)設(shè)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(shù)恰好充分挖掘了這一技術(shù)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(yīng)的邏輯器件和存儲(chǔ)器件，光在信息處理上就相形見絀了。

    分析通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，重疊模型即業(yè)務(wù)網(wǎng)和傳送網(wǎng)分離的結(jié)構(gòu)已成為業(yè)界共識(shí)?？偟内厔菔?，光傳送網(wǎng)向增大容量，支持多業(yè)務(wù)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)智能等方向發(fā)展。從應(yīng)用角度，光傳送網(wǎng)無非需要解決3個(gè)基本問題：第一是傳輸能力，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸能力，WDM技術(shù)在這點(diǎn)上優(yōu)勢明顯；其次是交換能力，即業(yè)務(wù)疏理和業(yè)務(wù)上下能力，或者說帶寬管理能力；其三是智能化，解決端對(duì)端業(yè)務(wù)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(diǎn)技術(shù)或節(jié)點(diǎn)解決方案。

    目前，需要至少2種以上的設(shè)備來完成節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)調(diào)度，我國絕大部分的省際傳送網(wǎng)都是采用WDM設(shè)備+基于SDH的交換設(shè)備或中繼OTU的方式：傳輸采用WDM實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的傳送，基于VC-4的交叉來完成業(yè)務(wù)調(diào)度和保護(hù)。如果需要考慮智能特性，則需要采用所謂ASON設(shè)備來替代SDH設(shè)備，確切的說，基于SDH的ASON設(shè)備，其業(yè)務(wù)交叉顆粒度還是155M。對(duì)于IP業(yè)務(wù)，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(wù)需求，WDM技術(shù)是光層必然的選擇；不過，由于在光層沒有恢復(fù)功能，WDM技術(shù)還不是完善的組網(wǎng)技術(shù)。WDM組網(wǎng)問題實(shí)際上是光網(wǎng)絡(luò)長期未能治愈的痼疾。相比之下，SDH卻是完善的網(wǎng)絡(luò)解決技術(shù)，關(guān)鍵在于節(jié)點(diǎn)采用數(shù)字節(jié)點(diǎn)技術(shù)，傳輸完成后完全進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，在電域完成業(yè)務(wù)調(diào)度后，再回到光域傳輸。

    如果能采用數(shù)字節(jié)點(diǎn)技術(shù)，WDM的組網(wǎng)問題就能迎刃而解。而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，低成本的多波長OEO轉(zhuǎn)換器件就十分關(guān)鍵，因?yàn)槿绻捎没趩蝹€(gè)波長的OTU技術(shù)，其成本無法接受。圖3很形象給出如何基于光集成技術(shù)定義一種新的設(shè)備型態(tài)，一種全新網(wǎng)絡(luò)解決方案。PIC技術(shù)的直接產(chǎn)物是低成本多波長OEO轉(zhuǎn)換器件，這就是實(shí)現(xiàn)WDM數(shù)字節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)。對(duì)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(diǎn)之間的光鏈路沒有關(guān)聯(lián)，因此光鏈路設(shè)計(jì)非常簡單。此外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用FEC技術(shù)，光傳輸能力有8~9dB提高。對(duì)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(shí)現(xiàn)靈活業(yè)務(wù)調(diào)度和完全沒有阻塞的數(shù)字業(yè)務(wù)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(zhuǎn)換沒有直接關(guān)聯(lián)。其實(shí)，光路由的重新選取會(huì)因?yàn)楣怄溌吩O(shè)計(jì)過于復(fù)雜而無法實(shí)現(xiàn)，而數(shù)字節(jié)點(diǎn)是WDM組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵，同時(shí)把光鏈路的復(fù)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(luò)設(shè)備的時(shí)候節(jié)省時(shí)間達(dá)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(yīng)降低97％以上。

圖3光子集成技術(shù)和Infinera 的智能數(shù)字光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系

    Infinera的智能光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集成了傳輸，交換和智能功能，智能數(shù)字光網(wǎng)絡(luò)解決方案可謂徹底治愈了光網(wǎng)絡(luò)痼疾。其中PIC技術(shù)是關(guān)鍵所在，不僅是因?yàn)榧善骷w積減少，更是因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)低成本的寬帶光電轉(zhuǎn)換器件。這種光器件對(duì)設(shè)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(bǔ)性一樣，光子學(xué)與電子學(xué)有很好的并行性與互補(bǔ)性。深入了解這一客觀規(guī)律，對(duì)發(fā)展光子學(xué)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(xué)--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(xué)也經(jīng)歷了與其類似的發(fā)展過程，即"光學(xué)--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(jìn)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(lǐng)域中不同器件的集成，不同功能的集成是當(dāng)前科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的主流。從通信應(yīng)用來看，從傳統(tǒng)的WDM的設(shè)備型態(tài)到智能數(shù)字光網(wǎng)絡(luò)，集成技術(shù)扮演了一個(gè)關(guān)鍵角色。Infinera在市場上的成功說明一個(gè)在電子領(lǐng)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(jìn)方向，也必然造就新一代的基于光器件的應(yīng)用系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)
   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(xué)出版社2006
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   3.黃德修 <<光電子技術(shù)與產(chǎn)業(yè)>>
   4.厲鼎毅  OFC2006  Workshop：光和電的優(yōu)勢  發(fā)言