全光网络的相关技术

摘要：全光网络的相关技术主要包括全光交换技术、光交叉连接技术、以光放大器为基础的全光中继技术、光复用/去复用技术和光分插技术。本文对这些技术的原理、研究进展和发展前景进行了描述和分析。关键词：全光网络光交换光中继光复用/去复用OXC1全光网络概况全光网络（全光通信网络）是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，而不需要经过光/电、电/光变换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内。由于全光网络中的信号传输全部在光域内进行。因此，全光网络具有对信号的透明性。它通过波长选择器件实现路由选择。全光网络还应当具有扩展性，可重构性和可操作性。全光网络有星形网、总线网和树形网3种基本类型。2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。2.1全光交换传统的光交换在交换过程中存在光变电、电变光，而且它们的交换容量都要受到电子器件工作速度的限制，使得整个光通信系统的带宽受到限制。直接光交换可省去光/电、电/光的交换过程，充分利用光通信的宽带特性。因此，光交换被认为是未来宽带通信网最具潜力的新一代交换技术。对光交换的探索始于70年代，80年代中期发展比较迅速。总的来说，光交换技术还处于开发的初级阶段，2000年之前不大可能有任何形式的广泛光交换应用。21世纪初光交换技术将达到实用化水平，商用光交换机将进入市场。光交换技术有空分（SD）、时分（TD）和波分/频分（WD/FD）等类型。其原理、结构特点和研究进展状况如下。2.1.1空分光交换空分光交换是由开关矩阵实现的，开关矩阵节点可由机械、电或光进行控制，按要求建立物理通道，使输入端任一信道与输出端任一信道相连，完成信息的交换。各种机械，电或光控制的相关器件均可构成空分光交换。构成光矩阵的开关以铌酸锂定向耦合器最为引人注目。2.1.2时分光交换时分光交换系统能与光传输系统很好配合构成全光网，所以时分光交换技术研究开发进展很快，其交换速率几乎每年提高一倍，目前已研制出几种时分光交换系统。1985年日本NEC成功地实现了256Mb/s（4路64Mb/s）彩色图像编码信号的光时分交换系统。它采用1×4铌酸锂定向耦合器矩阵开关作选通器，双稳态激光二极管作存储器（开关速度1Gb/s），组成单级交换模块。90年代初又推出了512Mb/s试验系统。实现光时分交换系统的关键是开发高速光逻辑器件，世界各国研究机构正加紧对此进行研究。2.1.3波分/频分光交换波分交换即信号通过不同的波长，选择不同的网络通路来实现，由波长开关进行交换。波分光交换网络由波长复用器/去复用器、波长选择空间开关和波长互换器（波长开关）组成。目前已研制成波分复用数在10左右的波分光交换实验系统。最近开发出一种太比级光波分交换系统，它采用的波分复用数为128，最大终端数达2048，复用级相当于1.2Tb/s的交换吞吐量。2.2光交叉连接（OXC）OXC是用于光纤网络节点的设备，通过对光信号进行交叉连接，能够灵活有效地管理光纤传输网络，是实现可靠的网络保护/恢复以及自动配线和监控的重要手段。OXC主要由光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口、管理控制单元等模块组成。为增加OXC的可靠性，每个模块都具有主用和备用的冗余结构，OXC自动进行主备倒换。输入接口、输出接口直接与光纤链路相连，分别对输入输出信号进行适配、放大。管理控制单元通过编程对光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口模块进行监测和控制、光交叉连接矩阵是OXC的核心，它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠，并且要具有单向、双向和广播形式的功能。OXC也有空分、时分和波分3种类型。目前比较成熟的技术是波分复用和空分技术，时分技术还不成熟。如果将波分复用技术和空分技术相结合，可大大提高交叉连接矩阵的容量和灵活性。日本NEC公司研制的8×8无极性LiNbO3光交叉矩阵由64个无极性定向耦合开关单元组成，所有开关单元都以简单树形结构（STS）的形式集成在LiN-bO3芯片上。英国BT实验室研制的OXC采用WDM技术与空分技术相结合，已用于波分复用系统。在伦敦地区本地网络上进行了现场实验，传输速率为622Mb/s。另外，西门子、NTT和爱立信等国外大公司所属实验室对OXC的结构、应用技术也进行了类似研究和实验。2.3全光中继传统的光纤传输系统是采用光—电—光再生中继器，这种方式的中继设备十分复杂，影响系统的稳定性和可靠性。多年来，人们一直在探索去掉上述光—电—光转换过程，直接在光路上对信号进行放大传输，即用一个全光传输型中继器代替目前这种再生中继器。科技人员已经开发出半导体光放器（SOA）和光纤放大器（掺铒光纤放大器——EDFA、掺镨光纤放大器—PDFA、掺铌光纤放大器—NDFA）EDFA具备高增益、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关等一系列优点，这将可以促进超大容量、超高速、全光传输等一批新型传输技术的发展。利用光放大器构成的全光通信系统的主要特点是：工作波长恰好是在光纤损耗最低的1.55μm波长，与线路的耦合损耗很小，噪声低（4~8dB）、频带宽（30~40nm），很适合用于WDM传。但是在WDM传输中，由于各个信道的波长不同，有增益偏差，经过多级放大后，增益偏差累积，低电平信道信号SNR恶化，高电平信道信号也因光纤非线性效应而使信号特性恶化。为了使EDFA的增益平坦，主要采用“增益均衡技术”和“光纤技术”。增益均衡技术利用损耗特性与放大器的增益波长特性相反的原理均衡抵消增益不均匀性。目前主要使用光纤光栅、介质多层薄膜滤波器、平面光波导作为均衡器。“光纤技术”是通过改变光纤材料或者利用不同光纤的组合来改变EDF特性，从而改善EDFA的特性。其技术包括以下几个方面：（1）研制掺铒碲化物玻璃光纤。用这种光纤制作的EDFA，可使增益特性平坦，频带扩宽。而且频带向长波长一侧移动。据NTT公司在OFC’97上报道，其最高带宽达80nm。在1535~1561nm之间，实现了增益基本平坦，最大偏差不超过1.5dB。（2）多芯EDFA。多芯EDFA使用的EDF最多纤芯的。激励光能大致均匀地分配到第一纤芯中，各个纤芯内的光信号均以小信号进行放大，从而在很宽的波长范围内获得接近平坦的增益。（3）研制掺铒氟化物光纤放大器，在秀宽的频带内可获得平坦的增益。（4）通过在掺铒光纤中掺铝，改变铒的放大能级分布，加宽可放大的频带。（5）用不同掺杂材料和掺杂量的光纤进行组合，制作混合型EDFA。主要有（A1-EDF）和（P-A1-EDF）组合；A1-EDF和P-Yb-EDF组合；掺铒石英光纤和掺铒氟化物光纤组合。这样可以使增益平坦性、噪声特性和放大效率达到最佳。EDFA最高输出功率已达到27dBm，这种光纤放大器可应用于100个信道以上的密集波分复用传输系统、接入网中光图像信号分配系统、空间光通信等。目前光放大技术主要是采用EDFA。SOA虽然研制得比较早，但受噪声、偏振相关性等影响，一直没有达到实用化。但应变量子阱材料的SOA研制成功，引起了人们的广泛兴趣，且SOA具有结构简单、成本低、可批量生产等优点，人们渴望能研制出覆盖EDFA、PDFA应用窗口的1310nm和1550nm的SOA。用于1310nm窗口的PDFA，因受氟化物光纤制作困难和氟化物光纤特性的限制，研究进展比较缓慢，尚未实用。2.4光复用/去复用技术2.4.1光时分复用（OTDM）光时分复用（OTDM）是用多个电信道信号调制具有同一个光频的不同光信道，经复用后在同一根光纤传输的扩容技术。光时分复用技术主要包括：超窄光脉冲的产生与调制技术、全光复用/去复用技术、光定时提取技术（1）超窄光脉冲的产生光时分复用要求光源提供5~20GHz的占空比相当小的超窄光脉冲输出，实现的方法有增益开关法、LD的模式锁定法、电吸收连续光选通调制法及光纤光栅法、SC(Supercontinum）光脉冲。增益开关法可以产生脉宽5~7ps、脉冲重复频率在10GHz左右可任意调整的光脉冲，其优点是很容易与其它信号同步。增益开关法已用于各种高速光传输实验中的脉冲源产生和光测量中。SC光脉冲宽度可＜1ps，最窄达0.17ps。另外利用调整线性调制光纤光栅的色散值对电吸收调制器输出的光脉冲形状进行修正，也可以产生脉宽为5.8ps、占空比为6.3%的10GHz的光脉冲。（2）全光复用/去复用技术全光时分复用可由光延迟线和3dB光方向耦合器构成。在超高速系统中，最好将光延线及3dB光方向耦合器集成在一个平面硅衬底上所形成的平面光波导回路（PLC）作为光复用器。全光去复用器在光接收端对OTDM信号进行去复用。目前已研制出4种形式的器件作为去复用器，它们是光克尔开关矩阵光去复用器、交叉相位调制频移光去复用器、四波混频开关光去复用器和非线性光纤环路镜式（NOLM）光去复用器。无论采用何种器件，都要求其工作性能可靠稳定，控制用光信号功率低，与偏振无关。（3）光定时提取技术光定时提取要求超高速运转、低相位噪声、高灵敏度以及与偏振无关。目前已研制出一种采用高速微波混频器作为相位探测器构成的锁相环路（PLL），另外使用法布里一珀罗干涉光路构成的光振荡回路（FPT）也可以完成时钟恢复功能。2.4.2波分复用（WDM）光波分复用是多个信源的电信号调制各自的光载波，经复用后在一根光纤上传输，在接收端可用外差检测的相干通信方式或调谐无源滤波器直接检测的常规通信方式实现信道的选择。采用WDM技术不仅可以扩大通信容量，而且可以为通信带来巨大的经济效益。因而，近几年对这方面的研究方兴未艾，特别是密集波分复用可望很快获得应用。1995年NTT进行了10个信道、每个信道的传输速率高达10Gb/s，中继间距为100km，传输距离为600km的全光传输实验，系统容量高达60（Tb/s）-km。1996年NEC、AT&T、富士通3个公司进行了总容量超过1Tb/s的WDM实验（NEC：20Gb/s×132ch-120km；富士通：20Gb/s×55ch-150km；AT&T：40Gb/s×25ch-55km）。1997年初，总容量为40Gb/s（2.5Gb/s×16信道）的WDM系统已经商用。目前，大部分公司的DWDM系统都是以2.5Gb/s为基本速率的，仅加拿大北电网络等少数公司是以10Gb/s为基本速率。北电（Nortel）的8×10Gb/s波分复用系统开通实际业务的运营商。MCI公司70%的网络中已采用了WDM系统。泛欧运营商HER公司(HermsEuropeRailtel）将采用Cienc公司的40×2.5Gb/s系统。Williams公司将为Frontier在休士顿、亚特兰大等地的网络提供16×10Gb/s的DWDM系统。目前，国内开发DWDM系统的单位有原邮电部五所、北京大学、华为公司和武汉邮电科学研究院等。武汉邮电研究院的8×2.5Gb/s波分复用系统已用于济南-青岛工程。2.4.3光分插复用（OADM）在波分复用（WDM）光网络领域，人们的兴趣越来越集中到光分插复用器上。这些设备在光波长领域内具有传统SDH分插复用器（SDHADM）在时域内的功能。特别是OADM可以从一个WDM光束中分出一个信道（分出功能），并且一般是以相同波长往光载波上插入新的信息（插入功能）。对于OADM，在分出口和插入口之间以及输入口和输出口之间必须有很高的隔离度（＞25dB），以最大限度地减少同波长干涉效应，否则将严重影响传输性能。已经提出了实现OADM的几种技术：WDMDEMUX和MUX的组合；光循环器间或在Mach-Zehnder结构中的光纤光栅；用集成光学技术实现的串联Mach-Zehndr结构中和干涉滤波器。前两种方式使隔离度达到最高，但它们需要昂贵的设备如WDMMUX/DEMUX或光循环器。Mach-Zehnder结构（用光纤光栅或光集成技术）还在开发这中，并需要进一步改进以达到所要求的隔离度。上面几种OADM都被设计成以固定的波长工作。意大利电信中心研究实验室研制了一种新结构——使用干涉滤波器的OADM，与传统的单根光纤设计相比，它提供了插入口和分出