全光通信技术发展与未来展望

全光通信技术发展与未来展望全光通信系统发展历史第一代：20世纪90年代以前，光纤通信系统主要采用点对点的传输，传输体制最初采用准同步数字体系(PDH)（主要是以模拟信号的传输）第二代：自90年代初就逐渐被同步数字体系(SDH)所取代，SDH是基于网络的传送体制。采用SDH体制的光纤通讯网又称为同步光网络(SONET）（以数字处理代替模拟处理），可以称为光电混合网络，其传输在光域实现，但在网络节点处信息的交换、数据流的分出和插入都在电域完成。其性能必然要受到电子器件处理速率的制约，这就是所谓“电子瓶颈”问题。电子瓶颈的来源1）在点-点光纤传输中，线路中的光-电，电-光的转换中电子转换设备的障碍。2）通行网中信号的处理、储存、交换，以及多路复用-分接、进网-出网等功能的电子技术造成的瓶颈3），而其中的电子器件在适应高速、大容量的需求上存在诸多缺点，如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等，由此产生通信网中的“电子瓶颈”现象。第三代网络必将是全光网络。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。现代光纤系统通信图全光网络系统通信图3．全光网络中的关键技术要在全光网中实现信号的透明性、可重构性传输，必须研究全光传输的关键技术。涉及的技术有：全光交换、光交叉连接(oxc)、全光中继、光复用/去复用技术等技术。3.1全光交换技术现代通信网中，密集波分复用（DWDM）光传送网络充分利用光纤的巨大带宽资源来满足各种通信业务爆炸式增长的需要。然而，高质量的数据业务的传输与交换仍然采用如IPoverATM、IPoverSDH等多层网络结构方案，不仅开销巨大，而且必须在中转节点经过光电转换，无法充分利用底层DWDM带宽资源和强大的波长路由能力。为了克服光网络中的电子瓶颈，具有高度生存性的全光网络成为宽带通信网未来发展目标。而光交换技术作为全光网络系统中的一个重要支撑技术，它的全光通信系统中发挥着重要的作用，可以这样说光交换技术的发展在某种程度上也决定了全光通信的发展。光交换系统全光交换技术的分类光交换技术可分成光的电路交换（OCS）和光分组交换（OPS）两种主要类型。光的电路交换类似于现存的电路交换技术，采用OXC、OADM等光器件设置光通路，中间节点不需要使用光缓存，目前对OCS的研究已经较为成熟。根据交换对象的不同OCS又可以分为：光时分交换技术、光波分交换技术、光空分交换技术、光码分交换技术。1）光时分交换技术，时分复用是通信网中普遍采用的一种复用方式，时分光交换就是在时间轴上将复用的光信号的时间位置t1转换成另一个时间位置t22）光波分交换技术，是指光信号在网络节点中不经过光/电转换，直接将所携带的信息从一个波长转移到另一个波长上。3）光空分交换技术，即根据需要在两个或多个点之间建立物理通道，这个通道可以是光波导也可以是自由空间的波束，信息交换通过改变传输路径来完成4）光码分交换技术，光码分复用（OCDMA）是一种扩频通信技术，不同户的信号用互成正交的不同码序列填充，接受时只要用与发送方相同的法序列进行相关接受，即可恢复原用户信息。光码分交换的原理就是将某个正交码上的光信号交换到另一个正交码上，实现不同码子之间的交换。光分组交换未来的光网络要求支持多粒度的业务，其中小粒度的业务是运营商的主要业务，业务的多样性使得用户对带宽有不同的需求，OCS在光子层面的最小交换单元是整条波长通道上数Gb/s的流量，很难按照用户的需求灵活地进行带宽的动态分配和资源的统计复用，所以光分组交换应运而生。光分组交换系统根据对控制包头处理及交换粒度的不同，又可分为：光分组交换（OPS）技术、光突发交换（OBS）技术、光标记分组交换（OMPLS）技术。3．3光交叉连接(oxc)光交叉连接设备相当于一个模块，它具有多个标准的光纤接口，它可以把输入端的任一光纤信号(或其各波长信号)可控地连接到输出端的任一光纤(或其各波长)中去，并且这一过程是完全在光域中进行的。通过使用光交叉连接设备，可以有效地解决现有的数字交叉连接(DXC)设备的电子瓶颈问题。OXC的结构及其工作原理OXC主要由输入部分(放大器EDFA，解复用DMUX)，光交叉连接部分(关交叉连接矩阵)，输出部分(波长变换器OYU，均功器，复用器)，控制和管理部分及其分插复用这五大部分组成。假设图1中输入输出OXC设备的光纤数为M，每条光纤复用N个波长。这些波分复用光信号首先进入放大器EDFA放大，然后经解复用器DMUX把每一条光纤中的复用光信号分解为单波长信号(λ1-λN),M条光纤就分解为M*N个单波长光信号。所以信号通过(M*N)*(M*N)的光交叉连接矩阵再控制和管理单元的操作下进行波长配置，交叉连接。由于每条光纤不能同时传输两个相同波长的信号(即波长争用)，所以为了防止出现这种情况，实现无阻塞交叉连接，在连接矩阵的输出端每波长通道光信号还需要经过波长变换器OTU进行波长变换。然后再进入均功器把各波长通道的光信号功率控制在可允许的范围内，防止非均衡增益经EDFA放大导致比较严重的非线性效应。最后光信号经复用器MUX把相应的波长复用到同一光纤中，经EDFA放大到线路所需的功率完成信号的汇接。3．4全光中继任何光纤通信系统的传输距离都受到损耗和色散的限制，损耗导致光信号能量的降低，而色散则使光脉冲发生展宽。在长距离光纤传输系统中，当光纤传输一段距离后，必须利用中继器对已衰减和失真的光信号进行处理和放大。传统的光纤通信系统采用的是光电中继的方式，但在多信道复用系统中变得十分复杂而昂贵。因而在损耗限制系统中，采用光放大器直接对光信号进行放大，可以节省成本，同时也为实现全光通信打下了基础。目前，已实现的光放大器包括半导体激光放大器、非线性光纤放大器和掺饵光纤放大器（EDFA），其中应用最广泛的是掺铒光纤放大器。掺饵光纤放大器（EDFA）在光纤通信中采用WDM技术能实现超大容量、超高速的光传输。而EDFA的商用可以使全光中继成为现实。EDFA是1980年代末发展起来的一种新型光放大器件，它具有高增益、低噪声、宽频带，以及对数据速率与格式透明等特点。它可以对波长在1530～1575mm的光信号同时放大。在1550mm波段，EDFA的放大增益可达30-40dB。EDFA不但结构简单，与光纤耦合方便，而且连接损耗小。EDFA可用于100个信道以上的密集波分复用传输系统、接入网中的光图像信号分配系统、空间光通信，以及用于研究非线性现象等。EDFA是目前光放大技术的主流，它能简化系统，降低传输成本，增加中继距离，提高光信号传输的透明性，是实现全光网的关键器件。3.5全光信息再生技术。在光纤通信中，光纤的损耗和色散严重影响通信质量，损耗导致光信号的幅度随传输距离按指数规律衰减，这可以通过全光放大器来提高光信号功率。色散会导致光脉冲发生展宽，发生码间干扰，使系统的误码率增大，严重影响了通信质量。因此，必须采取措施对光信号进行再生。目前，对光信号的再生都是利用光电中继器，即光信号首先由光电二极管转变为电信号，经电路整形放大后，再重新驱动一个光源，从而实现光信号的再生。这种光电中继器具有装置复杂、体积大、耗能多的缺点。而最近，出现了全光信息再生技术，即在光纤链路上每隔几个放大器的距离接人一个光调制器和滤波器，从链路传输的光信号中提取同步时钟信号输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制，使光脉冲变窄、频谱展宽、频率漂移和系统噪声降低，光脉冲位置得到校准和重新定时。全光信息再生技术不仅能从根本上消除色散等不利因素的影响，而且克服了光电中继器的缺点，成为全光信息处理的基础技术之一。3．5光复用/去复用技术。为了进一步提高光通信的传输效率可以采用光复用技术。所谓光复用，是在光域上进行时分复用、频分复用和波分复用复用技术被认为是扩展现存光纤网络工程容量的主要手段。复用技术主要包括时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）技术、空分复用SDM（SpaceDivisionMultiplexing）技术、波分复用WDM（WaveLengthDivisionMultiplexing）技术和频分复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）技术。但是，因为FDM和WDM一般认为并没有本质上的区别，所以可以认为波分复用是“粗分”，而频分复用是“细分”，从而把两者归入一类。下面主要讨论空分复用（SDM）、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）、稀疏波分复用(CWDM)、光分插复用（OADM）复用方式。4.全光通信发展中的限制（1）目前在线的光放大主要是EDFA，已经有了商用产品，但是其带宽是有限的，一般在1530和1560nm之间，大约30nm左右，这就使得可用的波长资源受到了限制，而且EDFA本身还存在着因增益不平坦和交叉饱和带来的级联受限问题，将限制可容纳的波长数。（2）WDM的交换节点（OXC、OADM)将使串扰变得更加严重。在全光网的交换节点中，因为存在着大量的光开关、滤波器，每个都会导致不同程度的串扰，串扰会迅速地累积起来。这些串扰可以分为两类：不同波长串扰，如果串扰与信号的波长差别足够大，远大于接收机的带宽，则接收机的输出只是信号功率与串扰的线性和（线性串扰）；同波长串扰，如果接收机带宽足够大，包括了信号和部分串扰，就会导致相干串扰，相干串扰的影响远比线性串扰严重。（3）全光通信中光滤波器的级联也会导致传输限制。级联滤波器系统的总传输函数是所有光滤波器的传输函数之积，因此总的有效带宽将减小。而且滤波器之间，以及滤波器通带与信号波长之间，还有可能没有对准，这也会导致信号衰减。同时，网络的运行、管理和控制目前没有成熟的方案，这可能是未来全光通信发展中的最大的障碍。4.全光通信发展未来全光通信因具有处理高速率的光信号，实现超长距离、超大容量的无中继通信，提高网络效率等多种优点正受到世界各国的重视，随着通信业务需求的飞速增加，各种新技术的不断进步和完善，它必将成为未来通信发展的最终趋势。尽管还在一些方面存在着限制，但还是会向实用化的方向迈进。科学家认为，在21世纪初中期，全光通信将逐步走向实用化。