中国工程院院士赵梓森：光纤通信的过去和未来

赵梓森，中国工程院院士，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，信息产业部科学技术委员会常务委员，中国通信学会常务理事，湖北省科协副主席，武汉·中国光谷首席科学家；曾当选第六、七、八届全国人大代表主席团成员，中国共产党十六大代表，被聘为武汉市政府参事。
　　赵梓森院士是我国公认的光纤通信技术的主要开拓者，为我国光纤通信技术的发展和应用推广做出了一系列填补空白的开拓性工作，被誉为“中国光纤之父”。
世界光纤通信发展史
　　光纤的发明，引起了通信技术的一场革命，是构成21世纪即将到来的信息社会的一大要素。
　　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。
　　于1970年损失为20db/km的光纤研制出来了。据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。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，大容量的单模光纤和长寿命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、大容量无比的优越性。
　　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25000GHz。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10Tb/s，几乎是用之不尽的，所以它的前景辉煌。

中国光纤通信发展史
　　1973年，世界光纤通信尚未实用。邮电部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。由于武汉邮电科学研究院采用了石英光纤、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在高新技术中与发达国家有较小的差距。
　　我国研究开发光纤通信正处于十年动乱时期，处于封闭状态。国外技术基本无法借鉴，纯属自己摸索，一切都要自己搞，包括光纤、光电子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也全都要自己开发，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，还开展光电子器件和光纤通信系统的研制，使我国至今具有了完整的光纤通信产业。
　　1978年改革开放后，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。1982年邮电部重点科研工程“八二工程”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。
　　在20世纪80年代中期，数字光纤通信的速率已达到144Mb/s，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。经过国家“六五”、“七五”、“八五”和“九五”计划，中国已建成“八纵八横”干线网，连通全国各省区市。现在，中国已敷设光缆总长约250万公里。光纤通信已成为中国通信的主要手段。在国家科技部、计委、经委的安排下，1999年中国生产的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。2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路。
　　中国已建立了一定规模的光纤通信产业。中国生产的光纤光缆、半导体光电子器件和光纤通信系统能供国内建设，并有少量出口。
　　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，再则2000年的IT泡沫，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，特别是中国，省内农村有许多空白需要建设；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。

光纤通信今后如何发展
　　FTTH（光纤到家庭）是光纤通信进一步发展的方向，它被公认为理想的宽带接入网。目前，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FTTH成为接入网主流的时间有所推迟。不久的将来，在HDTV普及的情况下，ADSL不能满足要求，而先进的ADSL2+也许可满足1chHDTV/户。如果4chHDTV/户采用FTTH比较合理。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。目前，发达国家FTTH建设普遍开展，日本、韩国和美国比较发达，采用各种无源光网PON和以太网技术。中国的运营商和房地产开发商已对FTTH进行了试点。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。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IPTV的发展，影响光纤接入网和FTTH的构建。另外，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IPTV的功能。广播运营商和电信运营商的界限开始有些模糊。
　　IPTV在国外开始高速发展。在国内，上海、河南等地也开始发展。
　　有人考虑到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。
　　无线接入技术发展迅猛。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。
　　光电子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，光电子器件要与之相适应，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。
　　把许多分立的光电子器件集成在一起成为集成的光电子器件，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子器件，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。目前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。目前集成光电子器件处于初级阶段，我国应迎头赶上，否则就会吃大亏。
　　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。