全光网技术

全光网技术
绪论
21 世纪是人类历史上高速持续发展的新时代，信息化成为社会经济发展的火车头，信息网络的应用渗透了国民经济和社会发展的各个领域和层次，人类在步入知识经济时代的同时，也进入了网络时代。

随着Internet业务和多媒体应用的快速发展，网络的业务量正在以指数级的速度迅速膨胀，这就要求网络必须具有高比特率数据传输能力和大吞吐量的交叉能力。

光纤通信技术出现以后，其近30THz的巨大潜在带宽容量给通信领域带来了蓬勃发展的机遇，特别是在提出信息高速公路以来，光技术开始渗透于整个通信网，光纤通信有向全光网推进的趋势。

所以面对因特网宽带接入需求的飞速发展，迫切需要成倍地提升通信容量，降低成本，迅速提供业务。

通信网络的发展已经经历了两代，第一代是全电网络，它的容量已经远不能满足要求; 第二代是用光纤取代电缆后形成的电光网络，这是目前正广泛使用的网络。

光纤通信的高速率和大容量等优越性能已经使人们认识到光纤通信取代传统的电子通信的必然趋势。

但目前在光通信系统中的电子线路严重限制了光纤通信优势的发挥，即出现所谓的“电子瓶颈”问题。

全光网络即是基于克服“电子瓶颈”这一局限性的第三代网络。

DWDM光传输系统无疑解决了提升通信容量的问题，但DWDM也带来了很多问题。

现在的通信网络是多种接入方式并存，语音通过网络，IP通过以太网或AIT，视频通过HFC网络，骨干网普遍采用SDH体制（包括本地，地区以及全国三级），并通过ADM和DXC连接起来，这种体制下DWDM 只用在地区以及全国网两级。

骨干网中光信号需要再生，成了影响系统成本和性能的大问题。

另外现有体制如果要修改SDH的上下话路，交叉连接以及环的设置往往需要几周甚至几月的时间。

现有的数字交叉连接设备也无法处理应用DWDM 带来的成百上千的端口连接。

未来的光网络将彻底解决以上问题。

在未来光网络中，网络是可以动态调整的，可以根据客户端需求设置波长；未来的网络不再是环型的，而是网状的，从而大大降低设置连接的复杂度；DWDM将从本地网开始得到应用，甚至在接入网中都会应用；未来的网络是基于IP的，是三网融合的。

本文主要讲述全光网技术理论基础及其关键设备的应用。

1.全光网简述
全光网络（AON，Al l-Opt ical Netw ork）是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术完成的先进网络。

它包括光传输、光放大、光再生、光交换、光存储、光信息处理、光信号多路复接/分插、进网/出网等许多先进全光技术。

图1的全光网示意图较好的表示了全光网的概念。

全光网由全光内部部分和外部网络控制部分组成。

内部全光网是透明的，能容纳多种业务格式，通过光交叉连接器（OXC）进行波长选择，网络节点可以透明地发送或从别的节点接收信息。

外部控制部分可实现网络的重构，使得波长和容量在整个网络内动态分配以满足通信量、业务和性能需求的变化，并提供一个生存性好、容错能力强的网络。

图1 全光网络示意图
全光网的性能主要包括以下四点：
1.透明性（transparency）
光传送网的节点OADM和OXC不对光信号进行光—电、电—光处理，因此，它的工作与光信号的内容无关，对于信息的调制方式，传送模式和传输速率透明。

2.存活性（survivability）
全光网通过OXC可以灵活地实现光信道的动态重构功能，根据网络中业务流量的动态变化和需要，动态地调整光层中的资源和光纤路径资源配置，使网络资源得到最有效的利用。

3.可扩展性（scalability）
全光网具有分区分层的拓扑结构，OADM及OXC节点采用模块化设计，在原有网络结构和OXC结构基础上，就能方便地增加网络的光信道复用数、路径数和节点数，实现网络的扩充。

4.兼容性（compatibility）
全光网和传统网络应是完全兼容的。

光层作为新的网络层加到传统网的结构中，对IP、SDH、ATM等业务，均可将其融合进光层，而呈现出巨大的包容性，从而满足各种速率、各种媒体宽带综合业务服务的需求。

所谓全光网络，是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的转换，而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在。

因为在整个传输过程中没有电的处理，所以PDH，SDH，ATM等各种传送方式均可使用，提高了网络资源的利用率。

在全光网络中，由于没有光电转换的障碍，所以允许存在各种不同的协议和编码形式，信息传输具有透明性，且无须
面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。

由于具有以上优点，因此，全光网成为宽带通信网未来发展的目标。

全光通信网是通信网发展的目标。

这一目标的实现将分两个阶段完成：第一步是建成全光传送网，在任一用户地点与任一其它用户地点之间实现全光传输；第二步是在完成上述用户间全程光传送网后，实现信号处理、存储、交换以及多路复用/分接与进网/出网等功能的电子化向光子化的转变，建成完整的全光网。

2.全光网的发展史
2.1 从兴起到停滞
自1966 年，被称为"光通信之父"的英籍华人高锟博士发了一篇名为《光频率的介质纤维表面波导》的论文后，使得长距离、大容量的光通信成为可能，从此揭开了光通信发展的大序幕；
1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/km的石英光纤；
1979年，研制出多模长波光纤，衰减为1dB/km；
1983年，研制出G.652非色散位移单模光纤，常规单模光纤开始商用；
1985年，研制出G.653 色散位移单模光纤，并开始商用；
1986年，南安普敦大学研制出掺铒光纤放大器；
1991年，朗讯公司研制出实用化的波分复用系统（WDM）；
1995年，美国康宁公司研制出G.655非零色散位移光纤（大有小面积光纤）；
1995年，研制出STM- I，STM-4 SDH设备；
1998年，朗讯公司研制出工作扩展的光纤（低水峰光纤）;
1998年，川本NEC公司在实验室实现了20Gb/s的DWDM系统;
21世纪初，商用的DWDM系统传输容量已达到40Gbit/s，1.6Tbit/s和6.4Tbit/s的DWDM 系统投放市场；
2001年，日本NTT或者法国阿尔卡特再创佳绩，成功研制出世界上最高容量的DWDM 系统（4OGbit/s信道10Tbit/s）。

在此期间，光交叉连接器（OXC）、光分叉复用器（OADM）、波长选择开关（WSS）、交叉矩阵等全光网中的关键器件也快速的发展，由于其巨大的优势，全光网被许多国家和地区列为重点发展项目，全光网得到长足的进步。

2.2 全光网的复苏
从23年下半年开始，随着光交换/光路由、光信号处理、光存储、光多址技术、光接入以及全光中继等技术的发展，光交叉连接端（QXC）、光分叉复用器（OADM）、波长选择开关（WSS）等光器件成本的降低，各种新业务（Internet、IPTV、视频通信）的出现（特别足数据通衍快速增长）使网络带宽不再适应创业务需求。

补充、完善、优化自己的网络已成当务之急，不仅核心网须新建和扩容，城域网更是发展的重点。

光纤接入也掀起向潮，FTTH （光纤到户）成为光通信发展的新亮点，通过曾及光纤到户，将全面带动光纤通信各方面技术的发展，包括光电子器件、光纤、光镜、系统设备，还有前面提到的工程设计、施了、测试、维护、经营、管理等方方面面的发展。

全光网络因需求开始了逐步的复苏。

3.全光网的体系结构
全光通信网络的结构分为服务层（Service Layer）和传送层（Transport Layer）。

网络传送层分为SDH层、ATM层和光传送层。

光传送层由光分插复用器（OADM）和光交叉连接（OXC）组成。

在光传送层，通过迂回路由波长（Rerouting Waverlength），在网络中形成大带宽的重新分配。

在光缆断开时，光传送层起网络恢复（Restoration）的作用。

在远端，光纤环中的OADM插入/分离所确定的波长通道至ATM复用器，而OXC则连接两个光WDM环路到ATM 交换机。

利用波分复用技术的全光网将采用三级体系结构：0级（最低一级）是众多单位各自拥有的局域网（LAN），它们各自连接若干用户的光终端（OT），每个0级网的内部使用一套波长，但各个0级网多数也可重复使用同一套波长；1级可看作许多城域网（MAN），它们各自设置波长路由器连接若干个0级网；2级可以看作全国或国际的骨干网，它们利用波长转换器或交换机连接所有的1级网。

4.全光网的层次结构与网络拓扑结构
全光网的一种层次结构如图2所示，共分为3层。

应用层提供包括数据、话音到图象各种业务; 电子层中主要完成各种电子交换; 从程控交换、ATM 交换到未来的某种交换; 光网层是以WDM 为基础的可变的光网络，其中的关键网元有WDM 的交叉连接设备（图中光网层中的三角形）、WDM 的星型路由器（中光网层中的五角星）WDM 的分插复用器（中光网层中的X-C）全光网的层次结构虽然有多种形式，但都大同小异，这些结构中一般都会包括光网层和电网层。

图2全光网层次结构
全光网络的拓扑结构有以下各种:
（1）点对点连接。

发送信号通过复用器耦合到一单模光纤中传输，传输过程中采用掺铒光纤放大器（EDFA）对信号进行放大，在传输终点用解复用器将不同波长的信号分开接收。

这是最基本的连接方式。

（2）环形网。

环形网是在点到点连接基础上扩展得到的。

在网络节点处加一交换机，使得在节点处可插/分特定的信道，并允许其他的信道无阻碍地通过此节点。

（3）星形网。

在星形网的拓扑结构中，各节点选定一个波长向外发送信息，所有节点
的信息传送到星形耦合器，再由星形耦合器将所有信号分送到每一个节点。

（4）复合型。

复合型结构是前面3种结构的组合形式，例如在环形网的结构中有时需要点对点的连接。

在实际应用中，这种拓扑结构较为普遍。

环形网星形网复合形
图3 全光网络的拓扑结构
5.全光网的关键设备与技术
实现全光网络通信，克服电光网络中存在的“电子瓶颈”问题，要取决于一些关键技术的实现，而完成这些关键技术的设备也就成为全光网的关键组成要素。

下面将较全面地介绍全光网络中的关键技术与设备。

和传统光通信网络不同，全光网任意两个结点之间的信号传输与交换全部采用了光波技术，也就是网络节点的交换中使用了光交叉连接器（Optical Cross-connect，O XC）和光分插复用器（Optical Add Drop Multiplexers，O ADM）来替代传统的数字交叉连接器（DXC）和数字分插复用器（ADM）。

（见图4）
OADM
图4OXC 与O ADM
5.1光放大器与全光中继技术
光纤通信系统传输距离受到光纤损耗、色散和非线性的限制，在传统的系统中信号的中继是通过光电转换、电放大、电光转换三步来实现的，这实际上就是传输线上的最直接的“电子瓶颈”。

随着EDFA技术的成熟，在全光网中可以不用进行光-电-光的转换，利用EDFA直接在光路上对信号进行放大传输，这就是全光中继技术。

它的作用除了克服光-电-光中继器
造成的“电子瓶颈”以外，还使信号在线路上“透明”传输，即传输线路与信号的数据率和调制方式等无关。

光放大器不仅仅用于光中继，还可以用于光发射机后作为光功率放大器以提高发射光功率，用于光接收机之前作为前置光预放大器以提高光接收灵敏度。

5.2光复用技术与光分插复用（OADM）
光复用技术是增大光通信系统的通信容量的一种有效手段。

目前研究开发的光复用技术有波分复用（WDM）、光时分复用（OTDM）、副载波复用（SCM）和光码分复用（OCDM）等，它们具有各自的特点和优势，应用环境也有所不同。

其中密集波分复用（DWDM）技术现已有商业应用。

全球WDM系统已超过2000个，OWDM的最高实验记录已经达到2.64Tbit/s（由日本NEC创造，复用路数为132，每路速率为（20Gbit/s）。

WDM指在一根光纤上传输许多个有一定间隔的波长系列，每个波长上运行一个系统，通过增加工作波长的数量来增大传输容量。

实现波分复用与解复用的光器件有很多种，如多路光合路/分路器、星形耦合器、光栅、光滤波器等。

WDM能够实现一根光纤上的多路传输，“WDM+EDFA ”被认为是挖掘光纤通信容量的最好方法。

目前WDM之外的其他几种复用技术均不成熟。

光分插复用（OADM）技术使得在全光网络中灵活地上下信道和实现信道的重分配成为可能，由OADM组成的环路将在全光网时代的接入网中大显身手。

OADM 只以波长为基本操作单位，它使得环内的路由操作不受传输信号类型和传输速率的影响，实现了本地网的透明传输。

OADM具有以下特点：避免了不必要的解复用和处理过程；简化了节点的硬件并减少了相关的管理操作；网络节点的吞吐量大大增加。

下面详细的介绍光分插复用（OADM）技术。

5.2.1 OADM的主要功能与基本结构
光分插复用器(OADM)（见图5）是构成全光网的重要器件，主要功能是从传输设备中有选择的下路通往本地的光信号，同时上路本地用户发往另一点用户的光信号，而不影响其他波长信道的传输。

从功能上看，OADM可以看作OXC的特例。

图5 OADM系统实物(亚特兰大，1998) 图 6 OADM 的基本结构示意图
OADM 可以分为光-电-光和全光两种类型。

光-电-光OADM是一种采用SDH光端机背靠背连接的设备，在已铺设的波分服用线路中已经使用了这种设备。

但是光-电-光OADM不具备速率和格式的透明性，缺乏灵活性，难以升级，因而不适应全光网的要求。

全光性OADM
是完全在光域实现分插复用，具备透明性、灵活性、可扩展性和可重构性，因而能完全满足WDM全光网的要求。

5.2.2 OADM实现方法
OADM 的核心部件是一个具有波长选择功能的光学或光电子学器件。

目前实现 OADM 的方案主要有以下几种的。

(1)基于解复用/复用结构
(2)基于光纤布喇格光栅(FBG)结构
(3)基于光纤环形器结构
(4)基于声-光可调谐滤波器(AOTF)结构
5.2.3 基于声-光可调谐滤波器的(AOTF)的OADM
基于声-光可调谐滤波器的(AOTF)滤波器的OADM 是目前研究的热点之一。

见(图7)
选聘f
TE-TM模式转换
图7 基于声-光可调谐滤波器的(AOTF)滤波器的OADM
上路波长信号和输入WDM信号中的同波长光信号之间偏振方向垂直，它们进入AOTF后，输入的WDM信号经过偏振分束器(PBS)分成TM模和TE模后进入由声波波段选频f所控制的模式转换单元（一般为铁电体LiNb03晶体），选频f针对不同的下路波长进行调谐。

如要下路ÀI'选频f调到一个相应的频率，当WDM信号经过模式转换单元时，波长λl的光的TE 模和TM模发生转换，TE模TM模互换，经过下一个PBS后从下路端口输出到本地，其它的WDM波长没有发生模式转换从输出口输出到输出光纤，而上路波长信号经过模式转换单元后也从输出端口输出到光纤上。

目前基于AOTF的OADM的调谐速度可以达到ρ级，在1550nm 波段可调谐选路的带宽最大达25nm，相邻波长的隔离度可达35dB/0.8nm 以上。

除AOTF之外，其它的技术还包含微机电式(MEMS)、数组波导式(AWG)及布拉格光纤光栅式(FBG)等，都各有厂商投入研发中，预期在一两年内，将可以达到商用化阶段，届时通过可调式滤波器与OADM或OXC的结合，全光网络系统的强大功能将可以完全发挥出来。

5.3光交换技术
光交换技术具有传输速率高、容量大、抗干扰能力强等优点，是实现全光通信的关键技术之一。

与电子交换相比，光交换无须在传输路线和交换机之间设置光-电或电-光变换，不存在“电子瓶颈”问题。

目前已有的光交换方式有光时分交换、光空分交换、光波分交换、复合型光交换、自由空间光交换五种。

光时分交换是对信号以一定的速率采样，然后复用进入一独立通道，输出时通过控制函数的作用进入各输出通道，由此实现光交换。

光空分交换
是将光交换元件组成可控制交叉矩阵，使输入通道与相关的输出通道相连，实现信号的交换。

光波分交换与时分交换类似，只不过后者是在时间域采样，它则是在频率域对信号采样。

复合型光交换是几种交换方式的组合，它发挥了各交换方式的优越性。

自由空间光交换是光束在自由空间或均匀介质中无干涉地直接进行空间交换，它实质上是空分交换。

在光交换技术中有一项重要技术：光逻辑控制技术。

它是指通过光信号自身的处理去控制光信号的交换。

在目前的光交换中，控制信号大都仍是电信号，光逻辑控制技术还未得到解决，真正光交换的实用化尚待时日。

5.4 光交叉连接（OXC）和光网关
全光网必须通过软件控制提供动态传输配置功能即路由功能和波长重配置功能。

为了反映每一通道的传输情况（如其目的地、传输速率、路由等），必须为每个通道设置一个独立的标识和相应的开销字节，它们可以使我们在任何情况标识出这一波长，并对其操作。

通过OXC完成路由选择后的高速光信号最终要进入速率低得多的接入网，因此需要在低速的接入网和高速的主干网之间加入光网关。

光网关的作用主要是将低速（高速）信号复接（分接）成高速（低速）信号。

目前光网关只能在电域实现高速复接功能，光域高速复接还做不到，要做到没有电信号的真正的全光网这也是需要解决的问题之一。

下面着重介绍光交叉连接器(OXC)。

光交叉连接器(OXC)是全光网中的一个重要网络单元，作为网格状光网络的节点，其功能主要是通过实施放长路由算法完成多波长环网间的交叉连接以及光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路，实现全光网的自动配置、动态重构和故障的自动恢复(见图8)
图8 OXC系统实物(亚特兰大.1998)
一个完整的OXC包括交叉连接模块、光监控模块、光功率均衡模块和光放大模块。

下面重点分析交叉连接节点的结构、实现的基本方法以及所采用的相应器件。

5.4.1 基本原理及数学模型的建立
OXC可以按照多端口模型建模(见图9)。

对某一个节点，建立一个表示N个输入光通道端口与N个输出光通道端口之间或一个规定输入光通道端口与多个输出光通道端口之间联结状态的表格。

数学上，这个模型可以用矩阵表示，见式(1)。

[O1 O2⋮
O N ]=[
T11⋯T1N
T12⋯T2N
⋮⋱⋮
T N1⋯T NN
][
I1
I2
⋮
I N
]（1）
其中I K是输入端口K的光幅度，O L是输出端口L的光幅度，[Tu]是传送矩阵。

通常传送项Tu是连接通道吸收和色散的函数。

Tu项在理想上应为“1”或“0”，表示连接或不连接，且连接损耗和色散都是零。

图 9 OXC系统模型
5.4.2基本实现技术与器件
从上面的模型看出，实现光交叉连接的关键是传送矩阵的实现，一般是通过光开关矩阵来实现。

下面列出几种主要的实现技术与器件。

A.光的固态器件
光的固态器件是一个半导体方向藕合器，能在所加的控制信号作用下有选择的改变其通道的光特性，起到光开关的作用。

包括声-光藕合器、电-光鹊合器等。

例如通过改变电流来控制半导体波导的折射率，或是改变外加电场控制铁电体LiNbO3晶体的折射率，从而实现对光波的选择与波长变化。

B.基于电-机械反射镜的器件
目前光交叉连接技术已经开始使用微电机械系统(MEMS)，利用沉积、腐蚀和平版印刷手段，在基片上用毫微米技术制造出微机械反射镜阵列和电传动机构，控制反射光束进行交换。

对于一个有N个反射镜的阵列能够使得照射在它们上面的N个输入光信号射向空间装有输出光纤波导的N个位置。

(见图10)
图10 MEMS反射镜阵列显微照片
与固态器件相比，MEMS技术做出的电伺机械反射镜器件主要特点有：
·低连接损耗，几分之一dB。

·通-断比高，优于60dB 。

·开关功率小，2mW。

·小型化，能与其它器件一起集成构成高密度多功能交换系统。

C.光交换器件的主要性能参数
光交换器件的性能主要取决于制造光开关的材料、开关工作原理和设计技术。

它包括开关速度、光损耗、色散、可靠性、交换矩阵的尺寸、外部电压、温度影响、物理尺寸、价格等。

开关速度是其中一个重要的参数，它决定了OXC能否实现光数据流的高速传递从而发挥全光网的速度带宽优势。

表l是几种器件的开关速度比较。

表 1 几种光交换器件的开关速度
5.4.3交叉连接节点的结构
a)点结构的性能指标
①是否支持虚波长通道
根据OXC能否提供波长变换功能，光通道可以分为披长通道(wavelength path)和虚波长通道(virtual wavelength path)。

虚波长通道是指OXC具有披长变换功能，光通道在不同的光纤可以占用不同的波长，从而提高了波长利用率，降低了阻塞概率。

②阻塞特性
交换网络的阻塞特性可分为绝对无阻塞型、可重构无阻塞型和阻塞型三种。

由于光通道
的传输容量很大，阻塞对系统性能的影响非常大，因此OXC结构最好为绝对元阻塞性。

③链路/波长模块性
考虑到通信业务量的增长和建设OXC的成本，OXC结构应当具有模块性。

可以不改动现有的OXC结构，就能增加节点的输入输出链路数或者波长数，从而能很方便地通过增加节点数以及每条链路的容量来进行网络扩容。

④广播发送能力
输入信号经过OXC节点后，可以被广播发送到多个输出的光通道中，这在一些新业务中是必要的。

⑤成本
在节点的输入/输出光通道数一定时，所需的器件越少、越便宜，则成本越低。

下面结合以上的性能指标，分析几种典型的OXC结构。

b)基于空间交换的OXC结构
OXC的光交换模块可以采用两种基本的交换机制：空间交换和波长交换。

实现空间交换的器件主要是各种类型的光开关和波长选择器（可调谐光洁波器和解复用器)，它们在空间域上完成光从输入端到输出端的交换功能。

目前提出的OXC结构有很多种，而且由于器件的可替代性，它们又可以演化为更多种的结构。

这里主要介绍几种有代表性和实用性的基于空间交换OXC结构。

①基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构
图11 基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构它利用波分解复用器将链路中的波分复用（WDM）信号在空间上分开，然后利用空间光开关矩阵在空间上实现交换，完成交换的光信号经过技分复用器复用到输出链路。

由于采用了波长变换器，每个波长的信号可实现波长变换后再复用到输出链路，从而支持虚波长通道。

在该结构中，节点共有 N f 条输入/输出链路，每条链路中复用同一组M个波长。

空间光开关矩阵的交换容量 M×N(N≥N f) 每个光开关矩阵有 N×N f 个端口用于本地上下路功能，与DXC相连。

由于任一输入链路中的任一波长可能需要交换到任一输出链路中的任一波长，因此这种结构的光开关矩阵必须实现MN×MN 绝对元阻塞交换，需要 MN×MN 个交叉点.还需要 N f个波分复用/解复用器对以及 MN f个波长变换器。

②基于分送藕合开关的OXC结构
A.Watanabe等人于1994年提出了基于分送稿合开关 (delivering-and-cou
-pling switchcs)的OXC结构，如图12所示。