全光網絡關鍵技術及發(fā)展前景展望

徐善利

【摘 要】隨著光纖通信技術的快速發(fā)展，全光網絡的技術發(fā)展日趨成熟并規(guī)模應用。本篇論文介紹了全光網的概念、優(yōu)點及其關鍵技術，展望了未來全光通信的發(fā)展前景。

【關鍵詞】全光網絡；光交換；光復用

一、全光網絡的概念

全光網絡（AON All Optical Network）是指信號以光的形式穿越整個網絡，直接在光域內進行信號的傳輸、再生、光交叉連接、光分叉復用和交換/選路，中間不需要經過光電、電光轉換，以達到全光透明性，實現在任意時間、任意地點、傳送任意格式信號的理想目標。也就是說，網絡中用戶與用戶之間的信號傳輸與減緩全部采用光波技術，即端到端保持全光路，中間沒有光電轉換器。

二、全光網絡的特點

基于波分復用的全光通信網可使通信網具備更強的可管理性、靈活性、透明性。與傳統(tǒng)的通信相比，具備如下優(yōu)點：

1.寬頻帶，容量大

傳輸的帶寬非常之大，經過WDM和DWDM的復用，可達400GB/S以上的傳輸容量。

2.速度快，成本低，可靠性高

全光網中采用了較多無源光器件，省去了龐大的光/電/光轉換工作量及設備，提高網絡整體的傳輸和交換速度，降低了成本并提高了可靠性。

3.透明傳輸，組網靈活

在全光網中，由于沒有電信號參與處理，所以可以使用各種不同的協(xié)議和編碼形式，即對信號形式無限制。允許采用不同的速率和協(xié)議，組網極具靈活性，在任何節(jié)點可以抽出或加入某個波長。

4.可擴展性強

全光網采用波分復用技術，以波長選擇路由，可方便地提供多種協(xié)議的業(yè)務。不僅與現有的網絡兼容，而且還支持各種新的寬帶綜合業(yè)務數字網絡及網絡的升級。用戶也可根據需求量，可對現有的全光網進行擴展。

三、全光網絡中的關鍵技術

1.光交換技術

光交換技術可以分成光路交換技術和分組交換技術。光路交換又可分成3種類型，即空分（SD）、時分（TD）和波分/頻分（WD/FD）光交換，以及由這些交換形式組合而成的結合型。其中空分交換按光矩陣開關所使用的技術又分成兩類，一是基于波導技術的波導空分，另一個是使用自由空間光傳播技術的自由空分光交換。光分組交換中，異步傳送模式是近年來廣泛研究的一種方式。

2.光交叉連接（OXC）技術

OXC是全光網中的核心器件，它與光纖組成了一個全光網絡。OXC是用于光纖網絡節(jié)點的設備，通過對光信號進行交叉連接，能夠靈活有效地管理光纖傳輸網絡，是實現可靠的網絡保護/恢復以及自動配線和監(jiān)控的重要手段。OXC交換的是全光信號，它在網絡節(jié)點處，對指定波長進行互連，從而有效地利用波長資源，實現波長重用，也就是使用較少數量的波長，互連較大數量的網絡節(jié)點。通過對光信號進行交叉連接，能夠靈活有效地管理光纖傳輸網絡，是實現可靠的網絡保護/恢復以及自動配線和監(jiān)控的重要手段。OXC主要由光交叉連接矩陣、輸入接口、輸出接口、管理控制單元等模塊組成。為增加OXC的可靠性，每個模塊都具有主用和備用的冗余結構，OXC自動進行主備倒換。輸入輸出接口直接與光纖鏈路相連，分別對輸入輸出信號進行適配、放大。管理控制單元通過編程對光交叉連接矩陣、輸入輸出接口模塊進行監(jiān)測和控制。光交叉連接矩陣是OXC的核心，它要求無阻塞、低延遲、寬帶和高可靠，并且要具有單向、雙向和廣播形式的功能。OXC也有空分、時分和波分3種類型。

OXC主要由光交叉連接部分（光交叉連接矩陣）、輸入部分（光放大器EDFA、解復用器DMUX）、輸出部分（光接口單元OUT、均功器、復用器、EDFA）、管理控制部分、本地上下業(yè)務接口這五大部分組成。為增加OXC的可靠性，每個模塊都具有主用和備用的冗余結構，OXC自動進行主備倒換。輸入輸出接口直接與光纖鏈路相連，分別對輸入輸出信號進行適配、放大。管理控制單元通過編程對光交叉連接矩陣、輸入輸出接口模塊進行監(jiān)測和控制、光交叉連接矩陣是OXC的核心，它要求無阻塞、低延遲、寬帶和高可靠，并且要具有單向、雙向和廣播形式的功能。

3.光分插復用

OADM具有選擇性，可以從傳輸設備中選擇下路信號或上路信號，也可僅僅通過某個波長信號，但不要影響其他波長信道的傳輸。OADM在光域內實現了SDH中的分插復用器在時域內完成的功能，且具有透明性，可以處理任何格式和速率的信號，能提高網絡的可靠性，降低節(jié)點成本，提高網絡運行效率，是組建全光網必不可少的關鍵性設備。 特別是OADM可以從一個WDM光束中分出一個信道（分出功能），并且一般是以相同波長往光載波上插入新的信息（插入功能）。對于OADM，在分出口和插入口之間以及輸入口和輸出口之間必須有很高的隔離度，以最大限度地減少同波長干涉效應，否則將嚴重影響傳輸性能。已經提出了實現 OADM的幾種技術：WDM DE-MUX和MUX的組合；光循環(huán)器或在Mach-Zehnder結構中的光纖光柵；用集成光學技術實現的串聯Mach-Zehnder結構中的干涉濾波器。前兩種方式使隔離度達到最高，但需要昂貴的設備如WDM MUX/DE MUX或光循環(huán)器。Mach-Zehnder結構（用光纖光柵或光集成技術）還在開發(fā)之中，并需要進一步改進以達到所要求的隔離度。上面幾種OADM都被設計成以固定的波長工作。

4.光放大技術

光纖放大器是建立全光通信網的核心技術之一，也是密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)發(fā)展的關鍵要素。DWDM系統(tǒng)的傳統(tǒng)基礎是摻餌光纖放大器（EDFA）。光纖在1550nm窗口有一較寬的低損耗帶寬，可以容納DWDM的光信號同時在一根光纖上傳輸。采用這種放大器的多路傳輸系統(tǒng)可以擴展，經濟合理。EDFA 出現以后，迅速取代了電的信號再生放大器，大大簡化了整個光傳輸網。但隨著系統(tǒng)帶寬需求的不斷上升，EDFA也開始顯示出它的局限性。由于可用的帶寬只有 30nm，同時又希望傳輸盡可能多的信道，故每個信道間的距離非常小，一般只有O.8～1.6nm，這很容易造成相鄰信道間的串話。因此，實際上EDFA 的帶寬限制了DWDM系統(tǒng)的容量。最近研究表明，1590nm寬波段光纖放大器能夠把DWDM系統(tǒng)的工作窗口擴展到1600nm以上。貝爾實驗室和NH的研究化硅和餌的雙波段光纖放大器。它由兩個單獨的子帶放大器組成：傳統(tǒng)1550nm EDFA（1530nm～1560nm）；1590nm的擴展波段光纖放大器EBFA。EBFA和EDFA的結合使用，可使DWDM系統(tǒng)的帶寬增加一倍以上（75nm），為信道提供更大的空間，從而減少甚至消除了串話。因此，1590nm EBFA對滿足不斷增長的高容量光纖系統(tǒng)的需求邁出了重要的一步。

5.全光網的管理、控制和運作

全光網對管理和控制提出了新的問題：①現行的傳輸系統(tǒng)（SDH）有自定義的表示故障狀態(tài)監(jiān)控的協(xié)議，這就存在著要求網絡層必須與傳輸層一致的問題；②由于表示網絡狀況的正常數字信號不能從透明的光網絡中取得，所以存在著必須使用新的監(jiān)控方法的問題；③在透明的全光網中，有可能不同的傳輸系統(tǒng)共享相同的傳輸媒質，而每一不同的傳輸系統(tǒng)會有自己定義的處理故障的方法，這便產生了如何協(xié)調處理好不同系統(tǒng)、不同傳輸層之間關系的問題。從現階段的WDM全光網發(fā)展來看，網絡的控制和管理要比網絡的實現技術更具挑戰(zhàn)性，網絡的配置管理、波長的分配管理、管理控制協(xié)議、網絡的性能測試等都是網絡管理方面需解決的技術。

四、全光網絡的發(fā)展現狀及前景 展望

現階段全光傳送網以波分復用技術為核心，以波分復用的傳輸、交換和聯網技術為重點進行組網。在傳輸方面，將摻餌光纖放大器（EDFA）用于波分復用傳輸系統(tǒng)，使大容量長距離全光傳輸成為可能。在交換技術方面，傳統(tǒng)傳送網的電路、分組交換也逐漸被空分、時分的光路交換方式替代。在聯網技術方面，基于WDM的全光傳送網與現有的SDH網已實現了很好的互聯，IP over WDM技術也在積極地發(fā)展之中。這一切都為我們展現了WDM全光傳送網的美好前景。

經濟的快速發(fā)展，對通信網絡的需求越來越高。全光網絡技術在骨干網和城域網中的應用已經初具規(guī)模，光纖到戶FTTH的普及，也使該技術在接入網中得到廣泛應用。

相信未來網絡將在網絡帶寬、可擴展性、生存性和運行成本等方面提出更高的要求，網絡朝著寬帶化發(fā)展，網絡承載能力更強，運營成本更低；同時，網絡也將朝著數據化（特別是IP）方向發(fā)展，使之逐漸成為未來所有業(yè)務的共載體。