光纖通信七大趨勢

    最近舉行的研討會和商展上的信息表明，光纖通信的各種趨勢揭示了導致市場復雜關系的技術相互依賴性。
    要點 
    ● 沒有一種發展趨勢能恰如其分地描述當前光纖通信技術的發展，近期發展重點將仍然主要是MAN技術。
    ● 數據通信業務量繼續急劇增長。但是通信業務量分布模型明顯地不均勻，從而導致某些地域通信業務密度很大的格局。這種格局會隨著無線局域網和公眾熱點的普及而變得更明顯。
    ● 不同種類的設備匯聚于10Gbps節點。達到這個數據速率的與協議無關的技術可能對技術開發者、業務提供者和終端用戶都有益處。
    ● 盡管市場的長期低迷，供應商卻一直積極地開發復雜的光纖新技術，其中包括新的VCSEL器件和MOEMS信號處理器。這些領域的生產工藝均已成熟，器件也逐漸顯現出穩定的性能。 
    經歷我們行業歷史上整整兩年最嚴重低迷之后，今年舉行的一系列研討會和商展的參加者稀稀拉拉，無論是供應商、客戶、院校還是商業媒體，人們都有一個共同的特點：就像口干舌燥的沙漠中的迷途者一樣，與會者都渴望這個久不景氣的市場能出現哪怕是一點點好消息。他們以混雜著樂觀和猜疑的心情看待各種正面消息，因為他們試圖把行業即將復蘇的跡象與純粹的幻想區別開來。 
    在這種環境下，空洞而無傷大雅的問題扮演著毫無根據的重要角色。過去幾年，商貿活動的參與者總是問"有沒有重大事件發生？"，業外的朋友則以同樣的口吻問"進展怎么樣了？"，這只是簡單的程式化寒暄和開始普通談話的話茬，而并非真正的質詢。相比之下，今年有許多人曾請教我一些實質問題，而且看來他們是在很認真地尋找答案。 
    不過，我的確考慮過七種趨勢，而且也想到七種趨勢共同描繪出我們行業的一幅有趣景象。 
    如果你希望你的世界被描述得一清二楚，而描述主題又按互相正交的影片盒安排，那么這一市場就不適合你。無可否認，很少有那樣安排的。大多數的光纖通信發展趨勢都基于各種技術影響、地域影響、標準影響、規章影響、服務和通信業務種類等相互關聯的因素，而且哪一個因素也不是靜止不變的。對于我們中間那些寧愿關注技術的人來說（這就像是在餡餅上咬了足以滿足食欲的一大口），沒有對相關問題的起碼了解，簡直就不可能理解使產品和技術發展的動力。 
    那么接下來，就絕非是一個Dave Letterman風格的前10名的排行榜。這個行業內沒有什么東西只涉及一個方面（但這并不意味著Letterman本身就是只涉及一個方面的）。不過，我曾試圖先列出那些似乎能最廣泛推動技術發展及其被采納速度的趨勢。然而，組織這些明顯趨勢及其相互關系的多次嘗試，逼近一個循環的模型，其中，技術基礎設施是證明其投資合理的持續通信業務量水平的先決條件；通信業務量水平取決于客戶方設備的普及程度；這又取決于硬件和軟件的價格和實用性、具有吸引力的收費標準和通信業務量的生成因素；而這些又需要基礎設施與技術以合理的等待時間處理通信業務。 
    這也許會把你搞糊涂了。 
    這也許還會使為某些可能最有影響力的趨勢獲取可靠數據的任何企圖落空。雖然趣聞軼事般的證據不可能取代可靠的統計數據，有關的時間常數--那些行業動態的時間常數和有關收集、分析和呈送統計數據的時間常數--也并非總能帶來及時的新數據。另一方面，輿論的評價雖然可能較為模糊，但能給出及時而又公認的定性描述。此外，雖然商業中心能輕易地比較銷售數字，但這種統計數字不能直接說明兩種代替技術間的競爭情況以及新興標準帶來的影響。技術中心也許會遇到同樣的競爭情況，但必須面對這樣一個事實：許多競爭者以不同的時間表進行開發，猶如漲落階段不同的潮汐。例如，發表的數字如不考慮如下情況，就會產生誤導：某個給定功能的成本可能會相差一個數量級以上，相差程度視許多應用細節和實現細節而定。 
    作者收集了以下趨勢，這是2002年11月慕尼黑電子會議、2003年2月舊金山ISSCC（國際固態電路會議）、特別是2003年5月至6月亞特蘭大OFC（光纖通信會議）和Supercomm會議的成果。作者還參加了許多會議，與物理層及相關技術主要供應商進行了一系列交流。 
    趨勢1－數據的供求 
    從20世紀90年代初以來，全球向信息密集的工作方式和生活方式的轉變，推動了光纖行業的發展。在此之前，數據處理資源的性能開始有可能實現各種各樣的應用，而所需成本對大眾市場很有吸引力。在很大程度上能使現代大規模數字通信網絡得以實現并產生對其需求的分布式計算資源這一概念并沒有促成數據傳輸技術方面直接并行的構建。因此，除了一些值得注意的特例之外，與其說各種應用可能受計算資源缺乏的限制，倒不如說受輸入輸出的束縛。這個顯著特點與以前幾十年計算資源的速度緩慢和價格昂貴形成了鮮明對比。以前幾十年的數據密度比較稀疏，應用領域也在很大程度上局限于由一個或僅僅幾個CPU和數據存儲器支持的LAN（局域網）。 
    在近10年內，數據客戶的數量急速增長。從模擬方式到占主流通信模式的數字傳輸方式的轉變將歷來孤立而又不相關的系統轉變為可能共享同一網絡的"服務"。因此，譬如說，有線電視服務提供商可以通過傳統的線路末端的電器，如電視機、電腦、手機提供視頻服務、互聯網服務和電話服務。這些電器在某種程度上起著專用數據終端設備的作用。甚至各類終端設備之間的差別也開始變得模糊不清，因為任何人都可用當今一代手機讀電子郵件、拍照和打電話。最終用戶現在能夠在任何時間，從幾乎任何地方使用各種服務。在用戶只訪問的數據只有一部分來自PAN（個人網）或LAN數據存儲器的情況下，越來越大的數據流必須經由基于光纖的公用網。 
    到1998年底，公用網中的數據通信業務量超過了電話通信業務量。從此，互聯網通信業務量的增長率從每年45％上升到100％。這種增長率與報刊上神話般夸大的每季度甚至每100天通信業務量翻一番的報道--這些報道甚至使最虔誠的Mooresian也汗顏--形成對比。 
    雖然聲名狼藉的"網絡"泡沫對金融市場產生了短暫影響，但數據通信業務量卻呈現出一種穩定得多的趨勢。然而，正如簡單的均勻分布模型所表明的，通信業務總量的增長并沒有直接帶來相應的主干網帶寬需求的擴大。相反，超過半數的萬維網請求都只以估計總共20億個網站中的頭1000個為目標。大型互聯網服務提供商都保留萬維網緩存服務器來處理他們所接收的數量龐大的數據請求。這種服務策略實際上產生了許多不同地域的鏡象網站，導致相當部分的互聯網通信業務量不通過主干網，而是通信業務量的產生和終止都在同一網絡之內。         
    圖1 如果目前的增長趨勢繼續下去，則到2005年底，長距通信業務量將達到10×1018字節/月。 
    這種格局對于光纖接口技術來說有幾種含義。長途通信業務量實際一直在增長，大約每年翻一番，2002年12月估計達到每月100×1015字節（圖1）。即使如此大量的通信業務量也沒有反映出MAN（城域網）環路必須容納的總通信業務量。所以，雖然均勻分布模型預測出主干網帶寬遠不能滿足需求，但實際上瓶頸更可能出現在城域網環路上。 
    趨勢2－接入到接入 
    如果按照以美國或歐洲為中心的視角來看，則對光纖接口設備的需求似乎并不很緊迫。事實上，我所采訪的所有物理層供應商都說中國正在進行的基礎設施建設是他們最重要的增長機會。環太平洋區域其他地方接入設備的更新在通信元件的其余銷售額增長中占很大比重。一個說明接入需求增長的例子證明遠東地區網絡承受著種種壓力。幾個參與近期商展的芯片制造商將他們所有的VDSL銷售活動都歸功于遠東市場。單單一家供應商報導說，VDSL在韓國以每月10萬件的持續速度替代ADSL調制解調器。以人口比例計算，那個供應商用VDSL替換ADSL技術的速度比在美國采用ADSL和基于電纜的數據業務的總速度還要快。雖然ADSL和電纜業務都不直接采用光纖鏈路，他們卻有助于指明趨勢，因為基于銅線的"最后一英里"技術所促進的通信業務要使用光纖技術主宰的MAN中的網絡容量。 
    來自eMarketer公司的有關10個國家和地區上網技術部署率的數據被一份美國商務部報告所引用，該報告按照上網家庭和寬帶上網家庭所占的百分比將美國排在第六位（表1）。有意思的是，雖然在報告中居前六位的國家和地區的上網率相差不大--為52%~62%，但寬帶上網率卻相差很大：韓國是52%（排名第一），而美國是10%。換句話說，91%的韓國上網家庭都使用寬帶"最后一英里"技術，而美國上網家庭中只有20%這樣做。韓國的家庭比美國少1/3。不管這兩個市場的相對規模如何，看來在沒有跡象表明美國寬帶部署格局發生懸而未決的變化情況下，美國市場無法推動技術公司的戰略計劃。對提供光纖接口供應商和最后一公里銅線技術供應商的采訪加深了這個印象；他們中沒有人相信這種變化即將來臨。各個供應商，從半導體制造商到大系統集成商，實際上都認為當前美國的管理環境是非同軸電纜"最后一英里"寬帶技術應用的主要障礙。商務部的數據證實美國寬帶技術的低采用率并不是因為缺少需求。          
    除了幾條線路之外，雖然目前升級至MAN成了公共網增強工作中值得注意的二部分，但是在美國，這樣的活動大多是為了降低運營成本，而不是為了大大提高容量。MAN環路正在擴展地域并隨之擴大單程服務長度的需求，這是一種為全世界通信公司的目的服務的趨勢。例如一年前，為MAN業務提供光纖模塊的大多數供應商，他們所報出的最大單程服務長度為40公里。2003年3月在亞特蘭大舉行的光纖會議上，光纖模塊供應商一般都報出80公里單程服務長度；能達到100到120公里并因此取消中繼器成了供應商吹牛的資本。 
    趨勢3－位速率的匯聚 
    10Gbps節點作為一種最有效的節點在繼續發展，因為在這種節點上，許多在其他方面根本不同的高速通信設備的要求都匯集在一起。OC-48節點與非電信中心業務，如千兆以太網和光纖信道，幾乎沒有什么通用性。但是，城域網核心及邊緣、企業主干網和大型SAN均可利用標志著重要技術里程碑的收發器芯片組：芯片廠商已開發出能滿足SONET抖動要求的、利用CMOS工藝的低成本和巨大生產能力的10G業務的電路和設計規則。增強信號捕獲功能的方案，例如自適應CDR（時鐘和數據恢復），有利于補償非協議特定的信號劣化，如色散和衰減。 
    10Gbps收發器的TAM（總體可用市場）很小，不能形成采購和模塊生產的規模經濟。但是，將常規技術用于數種設備的能力確實能使模塊和芯片組供應商在電路設計工程和生產工藝開發方面實現類似的利益。10Gbps市場的這個方面對于設計和開發組織而言是雙贏。他們不用管理多個開發項目，就能夠獲取TAM中的更大份額。他們可通過提高諸如測試系統和組裝工具等昂貴投資設備的利用率，來更好地管理其支出。 
    與協議無關的收發器芯片組還可利用匯聚于10Gbps的信令傳送速率。這些器件為網絡運營商提供一種不同的部署和經營模型。運營商不是在安裝收發器時就把光纖或波長分配給特定通信業務類型，而是可在傳輸過程中進行這種分配，從而使他們能夠處理混合業務和動態需求，并將運營成本降至最低。與協議無關的收發器還可以通過減少運營商在倉庫中必須保存的各種備件來降低網絡成本。 
    近兩年市場低迷已經延緩了40Gbps節點的部署。當前輿論認為匯聚于10Gbps技術的種種好處會使OC－768的大規模部署再推遲3~5年，超過供應商預計的18個月。上一代技術，如千兆以太網，會繼續增長。實際上，10Gbps節點的成功應會推動使用光纖或銅線的LAN客戶節點利用吉位以太網。同樣，大型數據中心均可綜合利用傳輸速率為1Gbps、2Gbps和10Gbps的光纖信道技術。 
    趨勢4－跟蹤占用面積大小 
    知情者向我斷言MSA（多源協議）并非兔子，但考慮到其數量的增長速率，懷疑是理所當然的?，F有的模塊占用面積、模塊變種和模塊供應商均超過任何人的需要。這種情況往往會帶來合并，尤其是考慮到10Gbps節點的匯聚時。訣竅是猜出哪些MSA可能會成功，而哪些MSA會被淘汰。 
    但應記住，不同的MSA并不爭相用于同一種設備，所以有充足的理由存在多種模塊占用面積，但從長期來看不會很多。300腳MSA可用作為OC192業務優化的可插入模塊的事實上的模塊占用面積標準。符合300腳MSA的模塊都提供一條系統一側的數據通路，數據通路包含有映射到10Gbps光纖饋線的16條622Mbps線路。收發器可分為SR（短距離）、IR（中距離）和LR（長距離）3個等級。SR主要用于某一設施內部的鏈路；IR適合于40公里的距離；LR用于80公里或更長間距的點對點傳輸。收發器可采用帶有波長鎖定裝置的可調諧激光器和具有長距傳輸所需高消光比的調制器。 
    Xenpak MSA 試圖將300腳模塊的大部分裝入到空間更小、接口更簡單的封裝里，從而將300腳模塊的16條622Mbps線路減少至4條3.25Gbps線路。Xenpak模塊能夠與他們的線路卡平行地插拔，所以不用拔出線路卡就可更換模塊。這種創新可縮短檢修時間，提高組裝密度。 
    對于不需要長距離光纖子系統的應用來說，Xenpak模塊的體積仍然比許多OEM要求的要大。為縮小模塊占用空間，Xpak、X2和XFP三種MSA正在競相用于相同設備中，盡管它們并不共用同一系統接口。Xpak和X2幾乎是相同的，都共用Xenpak電接口，但主要在機械細節上有所不同。XFP的占用面積在端插入模塊系列中是最小的，XFD的與單線路XF1（10Gbps串行）接口的電接口也是最小的。 
    僅僅幾個月前，OEM好像抵制過XFP，因為他們需要增加SERDES（串行器/解串行器）并需要在印刷電路板上排列全速10Gbps線路。SERDES問題在于在系統采購和應用期間可插入模塊是否合用：最終客戶可能使用僅僅具有他們所需模塊數量的線路卡來滿足眼前的需求。當他們的需求增加時，他們可以熱插入另外的模塊來滿足需要，而不需把整個線路卡卸下。另外，具有不同傳輸特性的模塊可插入相同的插座。所以這樣可以減小模塊和線卡的備件庫存，長距離通信用的1550nm模塊和為短距優化的1310nm模塊可以使用同一種線路卡。但XFP的功能分割卻使SERDES安裝在線路卡上，因而不論是否立即需要，OEM必須在每個模塊的位置安裝一個SERDES--總共有32個位置。雖然XFP模塊的成本會低于Xen類模塊，但由于功能分割的不同，尤其是SERDES具有更粗的采集顆粒度，使XFP的信道平均成本更高。 
    如果聽起來好像XFP沒有成功的希望，則要考慮今年春節商展上隨便算算就可看出宣稱生產XFP的產品的供應商要比聲稱生產任何別的MSA模塊的供應商多。Xenpak、Xpak和X2三種模塊在市場定向和發展勢頭上的混亂狀態似乎已為XFP的成功大開方便之門。多數生產Xen類模塊的供應商也提供XFP，由此來保護其賭注有可能成功的模塊。雖然還沒有跡象表明X2聯盟獨自產生他們的MSA來撤換Xpak，但Xen類的第三種格式還基本沒有人完成。目前為止，宣布生產符合X2 MSA的模塊的制造商寥寥無幾--值得注意的是Sumitomo公司和Merge Optics公司。 
    并非只有模塊廠家圈占XFP市場。幾家通信系統大公司已在他們的線路卡上設計了XFP，從而利用它非凡的組裝密度并將Xen類型模塊視為他們可以跳過的過渡產品和短期替代品。如果XFP的近期市場接受程度持續增長，全部三種Xen類MSA會發現他們受到了排擠，最壞情況就是完全被擠出市場，最好情況也只是進入XFP的小型封裝所不能支持的更遠程的應用。 
    關于"Xs的爭奪"的討論很少涉及在SAN和LAN中流行的SFF（小形狀系數）MSA和SFP（小形狀系數可插入）MSA。這些小模塊的機械設計，都不考慮熱插拔，所以，雖然它們的定義是與SONET兼容的，但卻不太可能成為需要最高工作性能的線路卡的競爭者。新增加的MSA擴展產品，即eSFF和eSFP，已經在大大超越SAN和LAN的應用中帶來了引人矚目的功能。要么這些功能會移植到其它的MSA上，要么eSFF和eSFP MSA像10Gbps節點匯聚的其他含義一樣成為市場未知數。 
    趨勢5 － VCSELS滿街都是 
    與邊沿發射激光二極管技術相比，VCSEL的加工工藝更便宜，成品率更高。VCSEL也能夠在發射器和光纖接口提供比邊沿發射半導體激光器的光耦合效率更好的光束幾何形狀。直至最近，VCSEL僅能用作工作在850nm的短波長器件。今年春天，Picolight公司和英飛凌公司幾乎同時發布了新的1310nm的VCSEL器件。波長更長的激光二極管將會把VCSEL技術的應用從短距和超短距業務推進至中距業務。 
    這兩個發布的其它含義是各公司在長期市場低迷中并不僅僅在老產品上做表面文章。關鍵技術的開發仍在繼續，公司之間也在一如既往地展開激烈競爭。 
    趨勢6－超級物理層 
    各系統歷來都包含有信道監視器以有助于保證QOS（服務質量）等級。這些監視器工作于網絡層和傳輸層，既是定義OSI模型第三層的路由和排序功能的一部分又是定義第四層的流量控制和糾錯功能的一部分。 
    如果網絡節點間存在透明信道，如果物理層設備能檢測和正確解析比特流，則數據鏈路層和網絡層就會確保正常工作，除非系統出現故障，例如電力不足或冷卻系統中斷。 
    然而，系統還能在物理層檢測大部分信道變化，QOS（服務質量）在物理層更意味著"信號質量"。物理層的監視器功能能報告有關信道情況的診斷數據，以驅動路由判決，觸發維護請求和指導維護工作。物理層的監視器還能作為信道優化方案的一部分發揮作用，以提高容限并將誤碼率的統計數據降至最少。 
    Vitesse公司和AMCC公司提供的物理層芯片都是集成了基于伺服的數據眼圖優化設備的例子。Cicata半導體公司、BitBlitz公司和Accelerant Networks公司已設計了主要供基于銅纜設備用的自適應技術，其中包括T3和吉比以太網I/O，以及高速背板收發器。 
    直到最近，光模塊MSA幾乎不利用智能物理層芯片報告的功能，來提高系統對媒質層或接口層狀況的了解。SFF和SFP MSA定義的新擴展部分增加了對光纖模塊工作參數的實時訪問，其中包括溫度、供電電壓、發射器偏置電流、發射器輸出功率和接收信號強度。每個可測量參數的可編程高、低警告門限和報警門限使得模塊能夠將故障和工作狀況或信號狀況不良區分開來。 
    趨勢7－MOEMS的前兆 
    自由空間光功能正變得多種多樣。雖然眾多開發團體已經發布大規模自由空間2維和3維開關結構的原型，但看來可伸縮性的限制使這些開關結構的商業化前景成為疑問。 
    另外一方面，MOEMS（微光機電系統）信號調節部件能提高系統的波長捷變能力并改善光纖使用率。這些部件包括DGE（動態增益均衡器），用以補償信號功率大的變化。DGE在各種波長進出DWDM饋線時進行這種補償，因而這些波長行進的距離不同，所遭受的信號損耗相差很大。例如，基于衍射MOEMS結構的DGE可用一個器件對多達100個信道上進行波長均衡，并具有小于0.2dB的輸出紋波。這種器件在機械上很牢固，功耗很小，并且可使用成熟高產的生產工藝。因為他們的信號調節功能完全在光域內實現，所以MOEMS器件自然就是與協議無關的。 
    衍射結構也能在帶寬不間斷的光波波段上產生作用。當DWDM信道數量增加，促使信道寬度從100GHz減小到50GHz，再減小到25GHz時，MOEMS信號處理器能保持其特性而沒有過大的紋波，而且還能控制由于高傳信速率的帶寬擴展所產生的串擾。