全光网络的技术架构及其优缺点

全光网络的技术架构及其优缺点

全光网络的概念

全光通信网就是信号传输与交换等主要功能均在光状态下进行而不经过光电转换变成电信号的通信网络。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，且无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。全光网络，是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换，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。

全光网络(AON All Optical Network)

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/电的变换，而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在。

全光网络相关技术

全光网络的相关技术主要包括全光交换、光交叉连接、全光中继和光复用/去复用等。

（1）全光交换

目前在研究开发热光、液晶光和声光交换机。热光交换机采用可调节热量的聚合物波导，其交换机制是由分布在聚合物中的薄膜加热元素控制。当电流通过加热器时改变波导分支的热量分布，从而改变了折射率，将光从主波导耦合至分支波导中。它的优点是体积小、交换速度快；缺点是介入损耗高、串光大，且要求有良好的散热器。

液晶光交换机包含液晶片、极化光束分离器或光束调相器。液晶片的作用是旋转入射光的极化角，而角度受电极上的电压控制。极化光束分离器或光束调相器起引导光信号到目的端口的作用。用此技术可构造多光路矩阵交换机，但接入损耗大，串光严重，驱动电路也较昂贵。

声光交换机以声光技术为基础，可实现微秒级的交换速度，但不适合矩阵交换机，因需要复杂的控制系统并需要通过改变波长来控制交换机。此外，介入损耗随波长变化较大，驱动电路昂贵。

由于在网络的边界，例如骨干网与城域网，它们所传输的波长是不一样的，光路的交换必须改变波长，而不仅是改变光的传输方向或光纤，所以，开发技术成熟、商用的全光交换机好有很长的一段路程。

(2)光交叉连接OXC

OXC设备是光网络的关键设备，用于光层上的保护、回复和分布式网管，实现光网络中光波之间的交换。

1998年年底贝尔实验室宣布一项专利成果微电子机械系统(MEMS)。MEMS技术可以在极小的精片上排列大规模的机械阵列，其相应速度和可靠性很高。利用MEMS实现的OXC实际是一个二维的镜片阵，当需要将入射的光波进行改变时，可通过改变镜片的角度，将光波反射到相应得光纤中，如图1所示，用这种结构得OXC可以组成大型光交叉矩阵，具有极好的光学特性。当组成一个256*256的OXC 时，其体积仅有25*50*50mm3大小，光路转换时间小于5ms，串光优于-50dB，介入损耗为6dB。由于采用半导体光放大器阵列构成的OXC，

随阵列扩大接入损耗增加很多，从而在向容量大型化发展上遇到难于克服的障碍。

(3)光复用与解复用

有光时分复用与解复用技术(同一波长但不同的时间间隔复用，目前仍处于实验室研发阶段),广播分复用与解复用技术，光空间复用与解复用技术，光空间复用与解复用技术，例如用不同的光纤传输。上下光路(波长)复用(OADM)技术。因为在WDM光网络中人们的兴趣越来越集中到OADM上。它用于网络节点仅上下所需的波长(光路)信号，而让其他波长信号光学透明地通过，实现动态灵活、经济地重构配置网络。OADM有固定波长型和可变波长型。前者仅上下固定波长的光路，节点的路由是固定的；优点是性能可靠、延时小，缺点是缺乏组网灵活性。后者可在网络节点任意上下光路，可实现光网络的动态重构与配置，使网络的波长资源得到最佳分配利用，其核心光器件是光开关与波长可调谐激光器。构成OADM的方案有体光栅(Bulk Grating)，法布里泊罗(Fabry-Perot)、光纤光栅、平面波导InP或硅沉积二氧化硅(Silica on Silicon)，声光等技术。最近倾向于采用贝尔实验室的MEMS和可变波长变换器实现可变波长OADM。它作为光传送网节点时多用于环状网拓扑，实现单向或双向自愈环功能。

全光网络技术承诺的美好前景很简单：数据将以更快的速度传输，因为数据仅以光的形式进行编码。

“仅”是个关键字。目前，光网络设备从光缆中接收光脉冲，将它转换为电信号进行处理，然后将电信号还原为光进行传输。即使处

理时间为零，这种转换也会增加时延。

光技术鼓吹者说，消除光电转换将使数据传输速率达到万亿位级。一个经常引用的统计数据说光纤具有25万亿到75万亿位/秒的理论容量，并把这个数据与数据速率通常以百万位计的铜线进行比较，体现其优势。

但是，这种论点没有涉及全光网络的两个基本要求：路由和缓冲。

现在全光网络中没有路由协议这类东西。目前，光网络设备运行在点到点或环路拓扑结构中。点到点是指，光脉冲要么由设备A传送到设备B，要么不传送。如果电缆出现中断，点到点方式没有后备连接。像SONET的自动保护交换这样的环路技术提供了略好一些的冗余性：一旦电缆出现中断，环路可以绕过去。

而任何更复杂的拓扑结构都需要路由技术。

一些光网络技术鼓吹者说，路由决策属于光网络的边缘。的确如此，只要全光网络很小并且简单。如果交换机制造商真正想增加销售量，他们就需要在他们的设备中提供更多的智能。

全光网络的另一主要障碍是找到一种缓冲光的方式。没有一种光设备可以像电子设备缓冲数据包那样减缓光的传播速度或存储光。

无法缓冲光使得全光网络设备在任何存在拥塞的环境中不具有实用性。假设有一台光网络交换机，两个发向同一目的地的光脉冲同时到达到这台设备。这台交换机无法缓冲光则将只有抛弃其中一个脉冲。

无法缓冲光的情况可能会改变。但是也有人估计，将需要10到

50年时间，这项研究才能投入实际应用。

从网络功能上讲，全光网络将由光核心网和光边缘网组成。光边缘网络包括城域边缘网络，城域接入与农村接入，以及校园、企业等用户驻地网络；而光核心网络则包括城市间骨干核心网络与城域核心网络。当然，作为网络的运营维护手段还需要网络管理层面，有关运行、管理与维护所需要的功能应符合ITU-TG.872建议。

通常理想情况下的全光网络应具备以下特征：

*光路的起始、终结点应不受限制，例如，不受光噪声累积效应的限制，不受厂商的特定波长的限制等；

*与光路传输的信号种类、速率无关；

*波长变换所需的设备愈少、容量愈小愈好；

*支持多厂商产品的光网络环境；

*易于升级扩容，可按需求随时扩展带宽。

全光网络的优点

全光网络能充分利用光纤的带宽资源，故容量大，传输质量好，开放性，

易于实现网络的动态结构，可扩展性，结构简单，透明性，可靠性高，可维护性好。

全光通信网的主要优势：

1）全光网络通过波长选择器来实现路由选择，即以波长来选择路由，对传输码率、数据格式以及调制方式均有透明性，可提供多种协议业务，可不受限制、地提供端到端以业务。透明性是指网络中的信