互动科普

纤维光学的发展将提供近乎无穷的网络容量

 究竟是Britney Spears(美国著名青春偶像派歌手)还是Fatboy Slim(英国著名音乐人)使得网络如此拥挤，肯特州大学的网络管理员毫无所知。他们只知道，去年2月Rockafeller Skankf（Fatboy的一首著名的畅销单曲）以及数以千计的其它下载音乐文件与来自教务长的电子邮件和有关大肠埃舍利希氏杆菌遗传工程的研究数据相互混在了一起。这所大学的校园网慢得简直如同在爬行，网络管理员不得不决定关闭连接到Napster(一个音乐文件共享应用程序)的通道。

当网络容量的需求剧增的时候．Napster热可能标志着众多网络容量需求洪流的第一次爆发。实际上，风险投资家们已经在某些相关技术上投入几十亿美元的赌注，这些技术可能帮助电信公司对付这样一种前景：一个能够下载Birth of a Nation到Rocky IV等所有影像节目的视频Napster将使整个因特网陷于瘫痪。

 在行业会议上放映的幻灯片强调了为什么这场暴风雨终将来临视频Napster只是其中一个假设。因特网中枢线路一般的通信流量为每秒1太比特(1太=l012)，此数值还不到未来需求量的千分之一。在线的虚拟现实需要每秒l0拍比特的容量(一万倍于目前的通信流量)，完全压倒当今的中枢线路(1拍=1015)。通过网络相互共享计算能力的计算机(被称为元计算)将需要200拍比特的通信流量。

 如果这些想法实现了(诚然，人们捣弄虚拟现变已经有十多年了)，唯一能够接近于满足这似乎是无穷需求的传输媒质是光纤.光纤线路能够提供比微波传输和卫星传输(最新的远距离通信手段)人几十万倍带宽的信道。扩充世界网络光纤容量的大竞赛已经开始。每天铺设的光纤足以绕地球三圈。如果光纤技术继续发展，一根光纤的传输能力将在未来的十年内达到每秒几百太比特，一些乐观的技术人士预测最终将达到所宣扬的拍数量级然而，要突破这一大关，不仅需要基础理论的突破．还需要一些尚在实验中的而不是目前已准备纳入到全国性电话数据网的技术得到运用。

 很快，完全用反射镜替代电子束选择信号路径的新的光子学技术将使得整个电子交换系统成为历史。即使现在，最先进网络的传输速度(每秒10吉比特)已可能使现有交换机微芯片的数据处理单元和存储器发生阻塞当网络速度越来越比处理器的速度快时，电子处理与光学传输相结台的做法其费用极为昂贵。在光纤中一定波长的光携载的吉比特级信息洪流必须分解成慢的数据流以便于转换成电子信号进行处理，然后重新汇聚成快速的信息流。这种实现光电及电光转换的设备不仅降低了信息超高速公路的通信速率，而且价格也扶摇直上。当网络设计者思索着解决设备过载的方案时、几百家大大小小的公司正摸索着建立能利用光纤的整个带宽的网络，也就是传输、合并．放大及交换光波而不用转换成电信号的网络。光子技术目前正处于电子技术30年前所经历的阶段，即开发各个元件并将其集成为更大的系统或子系统。逐渐兴起的风险投资潮流开始支持光技术的这种发展方向。在2000年的头9个月中，投向光网络的风险资金达到34亿美元，而1999年全年只有15亿美元，尽管在最近几个月投资步伐有所放缓，JDSUniphase这类公司的股票成功的原因之一是，人们认为它在光集成技术方面的优势有望使它成为又一个Intel。

 如果把光纤同传统的电子设备相比较，投资于光通信已经得到盈利。用光技术传输每比特信息的花费每9个月降低一半，而集成电路要达到同样的结果需要18个月(后者的这种特性被称为摩尔定律)美国朗讯科技公司贝尔实验室主席A．Arun Netravali在最近一期贝尔实验室期刊上预测道：“由于光纤系统和子系统的容量迅速提高，使用越来越普及，带宽将越来越便宜”。

 同样的关于丰富资源的预测也曾出现在原子能工业中那种传输整部电影如同发送电子邮件一样方便的宽带网络的未来仍然足一个未知数。10年前．电信商和媒体公司开始准备将娱乐与网络数字化集成于一体。人们预言将有500个频道以及点播电视等新东西，但直到现在我们仍在等待。同时，曾经被认为是供政府部门和小学生用的离奇有趣的杂耍般的因特网，已经演变成覆盖全世界的网络，人们对电子邮件和网站的认知度已经胜过了梅尔吉布森和加里格兰特(著名影星)。

 全光网络

 对无限带宽的期望是不久前才出现的，它是构思网络化的虚拟现实和高清晰度视频的基础。美国电话电报公司和通用电信公司于l977年第一次把光纤运用到商业通信中。此时正值微型计算机的全盛时期和个人计算机的发展早期。光纤由玻璃芯线和环绕它的包层构成芯线和包层的折射系数(物质对光折射能力的量度)是精心挑选的．确保在芯线中传输的光总是在包层的界面反射。光只能从光纤的端口进出为了理解光纤的工作原理，设想观看一池静止的水．如果从水面正上方垂直地看，看到的是池底，如从靠近水面的一定的角度去观察，所看到的全是反射的光。无论是发光二极管式的还是激光式的发射机，都是把已经转换为光子的电子数据以l200纳米到l600纳米之间的波长在光纤中传输。

 现在，一些光纤的纯度足以使光信号不需要放大就能传输80公里。但在某些地方，信号仍需要增强。在通往全光网络道路上的下一个重要步骤在20世纪90年代就已经开始这个步骤就是用于放大信号的电子设备被掺入稀土元素铒的离子的光纤取代。当这些掺铒光纤被激光照射，激发的离子能够还原衰减的信号。这种放大器远不只是光管的波导设备而已。它们不需要光电转换就能恢复信号并保持每秒十几吉比特的高速度。然而，最重要的是它们能使许多不同波长的光信号同时得到增强。

 这种可传输多种波长的能力使得一项曾帮助光网络公司在金融市场上掀起热潮的技术得到发展。一旦能使多种波长的光信号的强度得到放大，下一步想要做的就是在光纤中塞入尽可能多的不同波长的光波，每一波长传输尽可能多的数据这种技术有一个名称，即密集型波分复用(DWDM)。

 DWDM使得带宽激增。运用多路复用技术，光纤的容量随着它所传输的光波长的数目而扩展．每一个光波长比以前一根光纤传输的数据还多现在．在一根光纤中可以同时传输160个频率，提供每秒400吉比特的全带宽现在各大电信公司都采用DWDM来扩展已埋设在地里的光纤的容量、其费用不到铺设新光缆的一半。所需设备很快就可以安装好，安装时间只有掘一个洞所需时问的几分之一。

 与此同时，实验研究工作直指利用光纤的极大通信容量——一根光纤中可传输几十个独立的光波长，每个光波长的信息传输速率调整在每秒40吉比特甚至更高——来使光纤的有效传输速率达到每秒几太比特(Enkido公司已经配置了包含每秒40吉比特传输速率的光波长的通信线路)。光纤通信容量的剧增不会很快停止，可能将达到每秒300到400太比特．而新的技术进展可能使它突破拍级大关。

 然而，电信网络并不是由将两地直接连接在一起的线路组成的．它需要交换机为数字流来寻找通向最终目的地的路由。如果用传统的电子交换来对光数字流进行路由分配，实验室开发的大量光导管的工作状态将极不稳定。这个过程需要将几太比特的信号转换成许许多多低速电子信号，最终，转换后的信号又不得不重新转变成光子，光子汇集成光信道，然后通过指定的输出光纤发送出去。

 电子交换的费用和复杂程度促使人们狂热地寻求一种新的交换方法．束将光纤中的单个波长或整个光信号从一条通道转向另一条通道而不需要光电转换。众多研究小组(它们通常在小规模的新兴高技术企业中工作)摆弄着极微小的镜子、液晶和快速激光器尝试设计全光交换系统(见本期《光交换的崛起》一文)。

 然而，全光交换系统将从根本上与现有的交换独立数据包(如IP包)的网络不同。路由器或大规模交换机中的电子器件读取每一个数据包中的传输地址是非常容易的。光子处理器只是在实验室中展示了具备读取数据包的能力。它同电子技术20世纪60年代的发展水平相当。

 正在迈向市场的光交换设备借鉴了早一代的电子交换设备。它们实现的是切换一个波长或整个光纤的光路，而不是载有数据的信息包。电子信号把开关置于适当的位置上，使得输入的光纤或光波长接人到指定的输出光纤中。但没有任何光波长被转换成电信号加以处理。

 然而，光路交换也许只是一个过渡的阶段随着网络速度越来越快，通信公司可能需要彻头彻尾的可用光子处理器交换单独数据包的全光网络(见本期《光分组路由选择》一文)。

 随着光分组交换技术的出现，在光网络的边缘(临近发送或接收信息地点的本地电话网)，单独数据包仍需要读取和寻址。目前，这项工作仍将由来自诸如Cisco System等公司的电子路由器完成尽管如此．光网络的进展将促使网络设计思路变化光交换将最终摒弃现存的基于普遍使用的同步光网络(SONET)标准的光波技术．该标准采用电子器件来转换并处理独立的数据包。这种趋势还将逐步淘汰异步传输模式ATM(另一种电话公司信息打包标准)。

 在这个新世界里，任何通信业务，不管是语音、图象或数据．都将以IP包的形式传输。一项在通信领域酝酿了至少20年之久的进展——语音、图象和数据服务的全综合——将得到实现。一位电信行业资深观察家Telcordia技术开发公司的研究主任RobertW．Lucky认为：它将是一个数据网，其它的任何东西，不管是语音还是图象．都将通过这个数据网传输”。

 当你在母亲节给家里打电话的时候，这个电话可能是以吉比特以太网(一种超高速的普及的局域网)上IP包的形式传输。吉比特以太网又将采用波长复用的光纤。批评家们质疑这种网络是否将提供如同ATM和SONET一样的服务质量，当一条光纤线路中断以后，网络的重新自动寻址能力如何。

 尽管如此，生活将变得更简单。电话网将成为一个大的局域网。只需要将一块以太网卡插入计算机、电话或电视中就行了，这是一个比安装新的SOKET硬件连接设备便宜得多且省时得多的方案。一些公司甚至现在就开始为IP盛行的日子做准备。Lever3Com—munication，一家总部位于丹佛的通信公司，已经铺设了总长20万英里遍布全美国和海外的国际光纤网公司执行总裁James Q．Crowe预测，尽管这个网络仍采用SONET标准，这些昂贵的语音网络遗留物终将消失他说：“在以太网和光学器件中传输的将是IP。”

 光纤到家

 使网络工程师能减少那些使今天的网络负荷过重的协议．他们仍必须解决“最后一英里”问题，把光纤从路边的公共盒中引入电视房和家里的工作室。一些建筑师现在已经设计出包含光纤的房屋方案，预示着有一天家庭很自然的拥有自己的光纤接口。但费用问题仍然笼罩对“光纤到家”的讨论，直到最近，先进的光网络设备诸如DWDM，因价格太昂贵而不能考虑配置到区域性的电话网络中。把这种设备延伸到墙壁板错层的成本(大约每根光纤1500美元)仍然只有一少部分人愿意支付。大部分人仍然采用先前的兆比特连接设备收发估息。因此什么时候普通家庭需要吉比特网仍然是-个未知数。

 在完美的全光网络得到普及之前，工程师们还将面对一系列烦人的技术问题，这对各种幻想奇迹出现的怪念头无异是泼了冷水。举一个例子：即使光波交换已经实现，网络的一个重要部分仍然需要转换成电信号大约每160千米，光波必须转换成电信号以消除波形畸变和校准每路光波中的时延。

 为了达到电子技术所取得的成就．设备供应商也在非常地努力奋斗。元器件供应商诸如IDS Unitize努力研制结合激光、光纤和光栅于一体的模块(光栅的作用是把不同波长的光分开来)。制造光子集成线路仍然很困难。与带负电的电子不同，光子没有电荷，因此，对于光子来说，不存在可以无限制地存储代表0或1的光子的存储器件(如光子电容器之类)。而且，制造同集成电路一样小的光线路是十分困难的，因为运用于纤维光学中的红外激光的波长大约为15微米，这就限定了元件的最小尺寸电子线路10年前就达到这个尺寸。

 好消息是，大大小小的公司现在都致力于解决诸如信号恢复这样的问题，有一大笔风险资金支持着他们这个领域的气氛与目前的基因学和过去的网络公司差不多，已经成为一个新的过度烧钱的研究模式的典范。小的开发公司一直在进行研究，直到能提供证据征明他们能实现自己的预想。然后Nortel.Cisco．Luoent这样的公司会买断他们的研究成果。

 “这是一个疯狂的世界．”Lucent公司的光学主任Alastair M．Glass说，任何人都可以公布无根据的想法，并因之得到投资，还可能有人出人价钱买他们，他们却从未根据造出产品。Glass还补充说：“这种现象在以前从未发生过。部分原因在于公司需要人，所以就买人其它时候公司会买技术，因为公司中没有这种技术，有时公司自己也不知道买的是什么”从提出设想到取得进展发生得很快：l998年，《Science》杂志上一篇关于“理想的镜子”的论文，谈到一种绝缘材料能从任何角度反射光。而且几乎没有能量损失，这就促使了一家公司成立，期望研制一种以这种材料作内壁的空心光纤。该公司的官员声称，这种光纤能增加l000倍的容量。 谁会利用这个网络

 所有这些带宽能做什么?Lucent公司估计，如果网络继续以目前的速度增长，到20l0年，这个世界将足够的数字容量给每个人，无论男女老少，无论是在圣何塞还是在斯里兰卡，都提供每秒l00兆比特的连接速度。这已足以同时满足许多的视频连接或几个高清晰度电视节目的需求，但拉哈沙漠中的每个昆族人真的需要下载电影《The God Must Be Crazy》的多种拷贝吗?

 尽管估计因特网的通信量几个月就翻一番，一些行业观察家仍怀疑对带宽的需求会无限地增长下去。一家位于波士顿的咨询服务机构Adventis预铡，到2004年只有15％到20％的家庭因特网用户能通过调和解调器或数字用户线获得宽带通道。而且．在服务器上存储经常访问站点的网页将减轻网络的负担依据这家公司的估计，任美国2004年将有近40％的现有光纤网被闲置，同时在欧洲将达到65％。然而．容量过剩决不是多数人的意见。

 太比特或拍比特网络最终可能只有在目前尚未预测到的某种带宽用途出现后才会问世。与万维网www相似(www最初是为了帮助粒物理学家更方便地共享信息)。这类网络可能不会因为打算用它使网络虚拟现实面目一新的传媒公司的追捧而走红。它们的崛起可能出于其它不相关的原因。风险投资家Vinod Khosla谈到共享计算机项目的前景，要么是并排的集总方式，要么是位于全球范围的分布方式。元计算能下载Britne Y Spears和Fatboy Slim也能通过检查射电望远镜的数据来寻找宇宙生命。Khosla看到了运用这种模式的网络化计算的无穷的商业好处．比如说，可以把许多计算机联在一起，解决载客量达l千人的巨型喷气机的流体动力学计算问题。因此，搜集并分析千千万万个星系的射电信号可能为究竟如何利用拍比特级的网络提供线索。