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赵梓森:光纤通信发展潜力无限


光纤在线编辑部  2012-06-04 08:49:33 综合整理 浏览次数:
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——访“中国光纤之父”中国工程院院士赵梓森

人物简介:


    赵梓森,1932年生,广东中山人,1995年当选为中国工程院院士。武汉邮电科学研究院原副院长,国际电气电子工程师协会会士,兼任华中科技大学教授、博士生导师,中国通信学会常务理事,“武汉•中国光谷”首席科学家,是我国光纤通信技术的发展和应用推广、以及一系列填补空白的开拓者,被誉为“中国光纤之父”。

    《中国科技投资》:今天光纤通信已经家喻户晓,但是大家不一定知道这项技术的来龙去脉。首先,请您谈谈光纤通信是怎样发展起来的?

   赵梓森院士:1966年出生在中国上海的英籍华人高锟,发表论文《光频介质纤维表面波导》,提出用石英玻璃纤维(光纤)传送光信号来进行通信,可实现长距离、大容量通信。

    1970年,据称美国康宁公司花费3000万美元,把损失为20dB/km的光纤研制出来了,得到30米光纤样品,这是最先发明并制造出世界第一根光纤,也使光纤通信得以广泛应用。这一突破,引起整个通信界的震动,世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。

    1976年,美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路,速率为45Mb/s,采用的是多模光纤,光源用的是发光管LED,波长是0.85微米的红外光。在上世纪70年代末,大容量的单模光纤研制成功。1981年用于光纤通信的半导体激光器研制成功。光纤通信系统开始显示出长距离、大容量的优越性。按理论计算:就光纤通信常用波长1.3微米和1.55微米波长窗口的容量至少有20000GHz。

    这样,科技工作者自然会想到采用多波长的波分复用技术WDM(WavelengthDivisionMultiplex)。 

    1996年WDM技术取得突破、贝尔实验室发展了WDM技术、美国MCI公司在1997年开通了商用的WDM线路。光纤通信系统的速率从单波长的2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地发展到多波长的Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)传输。当今实验室光系统速率已达102Tb/s,几乎是用之不尽的,所以它的发展前景极其辉煌。

    《中国科技投资》:现在我们的生活已经离不开通信,但人们还不够了解我国光纤通信的现状。因此,请您再谈谈光纤通信在我国的发展状况是怎样的?

    赵梓森院士:光纤的发明,引起了通信技术的一场革命,是构成21世纪信息社会的一大要素,甚至被称为“二战以后的四大发明”之一。

    早在1973年,世界光纤通信尚未实际应用。武汉邮电科学研究院(当时是武汉邮电学院)就开始研究光纤通信。由于采用了石英光纤、半导体激光器和编码制式通信机正确的技术路线,使我国在发展光纤通信技术上少走了不少弯路,从而使我国光纤通信技术水平与发达国家有较小的差距。

    我国研究开发光纤通信,当时正处于十年动乱时期,国内还是一个封闭状态。国外技术基本无法借鉴,纯属自己摸索,一切都要靠自己,包括光纤、光电器件和光纤通信系统。就研制光纤来说,原料提纯、熔炼车床、拉丝机,还包括光纤的测试仪表和接续工具全都要自己开发,困难极大。武汉邮电科学研究院考虑到保证光纤通信最终能为经济建设所用,开展了全面研究,除研制光纤外,还开展光电器件和光纤通信系统的研制。经过几十年的研发和产业化,使我国至今具有了完整的光纤通信产业。

    1976年,我国的第一根符合国际标准的实用化光纤在武汉邮电学院(武汉邮电科学研究院前身)诞生,首创我国实用化光纤的制作方法和制造设备。

    1978年,我国全面恢复经济建设后,光纤通信的研发工作大大加快。上海、北京、武汉和桂林都研制出光纤通信试验系统

    1981年,武汉邮电科学研究院在国内率先开发出光纤通信用长波长光器件

    1982年,我国第一个光纤通信系统工程在武汉开通。该工程被称为实用化工程,要求一切是商用产品而不是试验品,要符合国际CCITT标准,要由设计院设计、工人施工,而不是科技人员施工。从此中国的光纤通信进入实用阶段,中国也走进数字通信时代。 

    接着,武汉邮电科学研究院在国内首次开发出速率为34Mb/s和144Mb/s的数字光纤通信系统,可传送1980路电话,超过同轴电缆载波。于是,光纤通信作为主流被大量采用,在传输干线上全面取代电缆。

    进入九十年代,武汉邮电科学研究院先后研发了我国第一套565Mb/s PDH设备、第一套2.5Gb/s SDH设备、第一套10Gb/s SDH系统和32×2.5Gb/s DWDM系统,这是国内首次开发出应用于超大容量超长距离光传输的EDFA产品。目前,我国已建成“八纵八横”干线网,连通全国各省区市。光纤通信已成为我国通信的主要手段。从1999年我国生产的8×2.5Gb/sWDM系统首次在青岛至大连开通,随之沈阳至大连的32×2.5Gb/sWDM光纤通信系统开通,到2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通,是当时世界容量最大的实用线路。

    现在,我国已建立了一定规模的光纤通信产业。我国生产的光纤光缆、半导体光电器件和光纤通信系统能供国内建设,并有少量出口。尤其是“武汉·中国光谷”已经成为战略性新兴产业的新一代信息化产业基地。以武汉邮电科学院为基础建立的烽火集团也成为我国光纤通信产业的龙头企业,领引通信行业不断科技创新、向前发展。

《中国科技投资》:目前,我国光纤通信技术已经取得了长足的进展,也形成了一定的产业规模。哪么,今后我国光纤通信将如何发展,请谈谈您的看法?

赵梓森院士:有人认为:我国光纤通信主要干线已经建成,光纤通信容量达到Tbps,几乎用不完;又加上IT泡沫经济的影响,使光纤的价格低到每公里100元,几乎无利可图。因此不要发展光纤通信技术了。实际上,我国有许多地区还是空白,还亟待需要建设。3G移动通信网的建设也需要光纤网来支持;随着宽带业务的发展、网络需要扩容等,光纤通信仍有巨大的市场。现在每年光纤通信设备和光缆的销售量是上升的。今后我国光纤通信的发展我认为:

第一,光纤到家庭(FTTH)是光纤通信进一步发展的方向。这是被公认为理想的宽带接入网。所谓宽带业务,大多是500kbps的影视节目。运营商为了充分利用铜线资源,采用ADSL技术就可提供,这使光纤到家庭(FTTH)成为接入网主流的时间有所推迟。不久的将来,在高清晰度电视(HDTV)普及的情况下,ADSL不能满足要求,即使先进的ADSL2+容许的带宽是8Mb/s也不能传送带宽为19Mb/s HDTV。采用光纤到家庭(FTTH)比较合理,并且在双向业务广泛应用的情况下,上下行不对称的ADSL难以对应。

近来出现了所谓的网络电视(IPTV),电信运营商提出IPTV的初衷是考虑到有计算机的人少而有电视机的人多。提出的网络电视(IPTV)是采用专用的机顶盒连接电视机可直接浏览电信网的内容,而不要计算机。网络电视(IPTV)具有常规电视并兼有点播和时移电视的功能,可能会取代常规电视。

由于网络电视(IPTV)的发展,会影响光纤接入网构建。同时也产生电信运营商和广播运营商的利益冲突。尽管有限制发牌照政策以保护广播运营商,但大势所趋,不可阻挡。实际上,许多广播运营商也开始改造其广播网为数字双向,也具备了发展网络电视(IPTV)的功能。广播运营商和电信运营商的界限开始有些模糊。随着网络电视(IPTV)在国外高速发展,在国内也开始快速发展起来。

商家考虑到网络电视(IPTV)的发展,会使现有的城域网和接入网不胜负担,所以提出所谓的P2P(peer-对等)方法。P2P最初的概念是:所有用户都是信息接收者,又是信息发送者。即某用户把收到的节目用流媒体方法向其他用户转发出去(通常是让用户下载一个软件使其具备P2P功能)。这样便可减免都由中心向用户播发,以节省网络带宽。

事实上,没有中心是不行的,网上至少要有1个中心服务器来管理。经过少量试行,近来发现网络电视(IPTV)流量太大,而用户的接入网根本无法满足P2P的传输,特别是ADSL原来就没有考虑到大量的上行,用户接入网负荷过重而崩溃。有人认为P2P是恶魔。

由于宽带业务的不断发展,现有的城域网、接入网的容量不足。对于运营商而言,最根本和实际有效的办法是对城域网和接入网扩容。事实上,采用WDM技术扩容,投资不很大,而可适应今后宽带业务的继续发展。

第二,加快无线接入技术和光交换技术的发展。人需要移动,采用无线接入比较方便。无线接入可满足数据传输的需要,但带宽有限,宽带的视频特别是高清晰度电视(HDTV)仍需要采用光纤通信。

光纤通信需要发展光交换—采用电缆通信的网是金属网,传输的是电信号,在网络节点采用电子交换机进行交换。现在,光纤通信的网是光纤网,传输的是光信号,在网络节点目前还没有全光交换机,在网络上只好采用“光-电-光”方式进行交换,即先把来自光纤网的光信号转变为电信号,用电子交换机进行交换,之后,又把电信号转变为光信号,再进入光纤网。这种方法是不经济的,需要开发可把光信号直接交换的光交换机。目前已经有小规模的光交换,它是作光线路保护的。通常这种光交换的通路是固定而不是可改变的,对于线路的调度不利。现在有种ROADM(reconfigrate add and drop division multiplex)可重组的上下路的光分插复用器,具有小规模光交换功能。

光纤通信的优势是容量大和传输距离远。无线通信的优势是可移动,但带宽小。可以想象,近距离小容量的数据接入趋向采用无线接入,而大容量的视频影视采用光纤传输。卫星传输距离也很长,唯容量和寿命有限。无线和光纤通信是互补的,它们是永存的两个物理网。

第三,大力发展光电器件和集成光器件技术。现正在开发具有自动交换的光网络称为ASON。ASON的关键技术是可重组光分插复用器ROADM,使线路可方便地调度。ASON不但可作光线路的保护,还可满足线路调度和今后发展出租电路的需要。目前,已经有非全光的ASON产品

现在的通信网正在从SDH网向IP网过渡,交换机也要IP化。发展光网络还要考虑IP化,还要进一步发展光路由器,其中需要解决光地址的取存和光缓存技术光电器件和集成光器件需要大力发展,因为光纤通信技术的发展,依赖光器件的进步。

由于网络的速率不断提高,目前单波长电子速率为40Gbps的光通信系统已经商用,速率为160Gbps的电子系统在试验室开发。因此,光电器件要与之相适应,包括高速调制激光器等需要开发。实现ROADM需要发展波长可调的光滤波器、波长可调激光器和光开关等,其中有许多可创新的空间。

把许多分立的光电器件集成在一起成为集成的光电器件,其优点是功能丰富、体积小、速度高、可靠。

目前已经有小规模集成的光电器件,需要开发更大规模的光电子集成器件。混合集成可降低难度,提高成品率。混合集成的关键技术是平面光波导线路PLC,它是一块具有光波导的线路板,可把分立的光器件安装在上面。

商用的光电子集成器件有8波长激光器模块、100波长以上的AWG光滤波器、AWG+光衰减器和32×32光开关等。光集成器件的工艺有单片集成和混合集成两种。目前集成光电器件处于初级阶段,我国应迎头赶上,否则就会吃大亏。

《中国科技投资》:由此可见,光纤通信技术的研发任重道远。就此,对光纤通信技术国家工程研究中心产学研的现状及发展,您有哪些思考和建议?

赵梓森院士:在光纤通信技术国家工程研究中心方面存在一个重大的问题,是我一直在考虑和关注的,就是在集成光学方面的研究和发展有些困难。所谓集成光学是什么呢?就是把很多光的元器件集成在一起,变成一个小的光的系统,这个集成我们目前做的比较小、比较差。光集成中一个是无源集成,另一个是有源集成,或者是混合集成。无源集成里我们做的规模不够大,搞研究没有问题,做成后产量提不起来,因为规模很小,成品率也比较小。现阶段我们只能在小范围内做研究。投入大规模无源装备需要资金和技术上的支持。在这里我建议加大资金投入力度,积极推进自主研发,逐步减少我国对国外技术的依赖。

有源集成,我们根本还没有。有源集成就是把几个激光器或其它光器件集成在一起,或者把几个激光器集成在一起,甚至把某些电子线路也集成在一起。这就需要用磷铟做原材料,而不是用硅做原材料,磷铟材料我们根本就没有。

因此,我们有源集成研究就没法跟上国际先进水平。一个单的激光器,单一的激光机,跟外国没法竞争。目前外国已经开始有了有源集成,大概三年之后就大量的商用,我们就会在这方面被人家压制了。因此我就建议要发展磷铟的生产工艺装备,这大概要投资几个亿。

我们的光纤通信系统研发对很多科技人员影响很大,他们不怕困难,100G也敢做,我们有个年轻工程技术人员做的不错,他做了22T,一个T是1000G,相当于22000G,目前这个系统要产业化,也必须巨大的资金和人力的投入。

研发产品和培养人才需要投入,这就是我对光纤通信技术国家工程研究中心在产学研方面提出的建议。

《中国科技投资》:国家把光纤通信作为新一代信息技术的战略性新兴产业,予以重点扶持和支持。为此,对我国光纤通信产业的创新能力建设、国际竞争能力以及政府政策支持等方面,您又有哪些建议?

赵梓森院士:从光纤产业统计的数据来看,我国真正产量是四千万公里;而我国每年市场需求是七、八千万公里,实际上我国还需要进口外国公司的。我就觉得这是一问题,因为我国光纤产能标准是八千万公里,也就是说是能够满足国内市场需求的,为什么还要进口国外的呢?我经过调查之后,发现是管理上的问题,由于企业管理不到位,导致产品质量差,成本高,产量低,市场价格也高,也就没有竞争力了,不如买国外的同类产品,质量好,价格也低。虽然我们的生产能力是有了,也是从外国进口的装备,为什么不能满足市场的需求呢?这是我们光纤产业中一个很大的问题,希望能够引起有关部门的关注和重视,要特别强化企业管理的创新能力建设,细化各项生产工艺技术,提高人员素质,把光纤的产能搞上去。

光纤通信器件方面倒还好,器件方面我们有我们的优势,到不能说全部优势。日本、美国都要买中国的器件,中低档买中国的。高档我们做不了,我们买他们的。我们现在也只能上了,外国买我们中低档,我们靠的是人工成本赢他们。这种竞争是不可持续的,我们要有清醒的认识。

光纤通信系统方面我们现在做到四十千兆。40G已经没有问题,我们从杭州到武汉的40G线路就是我们做的。现在外国最高水平是100G,我们中国100G现在才做出来,还没安装上线路,美国刚刚开始安装成线路可以打电话,所以我们的追赶还比较靠近。

说到建议,光纤通信系统方面的生产装备我们很落后。现在装备制造实际上也没有自己的,尤其是光纤方面的装备制造,国家在这方面要给予大的支持。

(来源: 中国科技投资)
编辑:Ray        

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