全光通信

　　全光通信是指用戶與用戶之間的信號(hào)傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程都在光域內(nèi)進(jìn)行，而且其在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換則使用高可靠、大容量和高度靈活的光交叉連接設(shè)備（oxc）。在全光網(wǎng)絡(luò)中，由于無需電信號(hào)的處理，所以允許存在不同的協(xié)議和編碼，使信息傳輸具有透明性。它同SDH傳送網(wǎng)一樣，滿足傳送網(wǎng)通信模型，遵循—般傳送網(wǎng)的組織原理、功能結(jié)構(gòu)的建模和信息定義，采用了相似的描述方式。因此，很多SDH傳送網(wǎng)的功能和體系構(gòu)想都可以用于全光通信網(wǎng)。

1技術(shù)背景

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)信息的需求急劇增加，信息量呈指數(shù)增長，僅Internet用戶需要傳送的信息比特速率每年就增加8倍。通信業(yè)務(wù)需求的迅速增長對(duì)通信容量提出越來越高的要求。

　　光纖近30THz的巨大潛在帶寬容量，使光纖通信成為支撐通信業(yè)務(wù)量增長最重要的技術(shù)?，F(xiàn)階段采用時(shí)分復(fù)用單波長的光纖傳輸系統(tǒng)容量已達(dá)10Gbit/s，再提高系統(tǒng)速率就會(huì)產(chǎn)生技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的問題。人們普遍認(rèn)為波分復(fù)用是充分利用光纖低損耗區(qū)30THz帶寬的一種可行技術(shù)，可以打破單個(gè)波長系統(tǒng)帶寬的限制，是提高光纖容量的一種有效途徑。

　　但是光纖傳輸系統(tǒng)速率的提高也帶來了一個(gè)新的問題。在這種高速傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中，如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處仍以電信號(hào)處理信息的速度進(jìn)行交換，就會(huì)受到所謂“電子瓶頸”（10Gbps）的限制，節(jié)點(diǎn)將變得龐大而復(fù)雜，超高速傳輸所帶來的經(jīng)濟(jì)效益將被昂貴的光/電和電/光轉(zhuǎn)換費(fèi)用所抵消。為了解決這一問題，人們提出了全光網(wǎng)AON（All Optical Network）的概念。

2系統(tǒng)概述

　　全光通信網(wǎng)，又稱寬帶高速光聯(lián)網(wǎng)，它以波長路由光交換技術(shù)和波分復(fù)用傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，在光域上實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸和交換，數(shù)據(jù)信號(hào)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的整個(gè)傳輸過程中始終使用光信號(hào)，在各節(jié)點(diǎn)處無光/電、電/光轉(zhuǎn)換。全光網(wǎng)，從原理上講就是網(wǎng)中直到端用戶節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)通道仍然保持著光的形式，即端到端的全光路，中間沒有光電轉(zhuǎn)換器。這樣，網(wǎng)內(nèi)光信號(hào)的流動(dòng)就沒有光電轉(zhuǎn)換的障礙，信息傳遞過程無需面對(duì)電子器件處理信息速率難以提高的困難。

　　全光通信網(wǎng)技術(shù)是光纖通訊領(lǐng)域的前沿技術(shù)，是21世紀(jì)真正的高速公路。許多國家都把全光網(wǎng)作為建設(shè)“信息高速公路”的基礎(chǔ)，將其提升到戰(zhàn)略地位的高度。

3技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　全光通信網(wǎng)與現(xiàn)有光纖網(wǎng)的區(qū)別之一在于其波長路由，通過波長選擇性器件實(shí)現(xiàn)路由選擇。其二是信號(hào)傳輸無電中繼，具有信號(hào)透明性，即數(shù)據(jù)速率透明和信號(hào)格式透明。另外全光網(wǎng)還具有可擴(kuò)展性、可重構(gòu)性和可操作性。具備以往通信網(wǎng)和現(xiàn)行光通信系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點(diǎn)：

　　1．簡單可靠。全光網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，端到端采用透明光通路連接，沿途沒有光電轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)，網(wǎng)中許多光器件都是無源的，便于維護(hù)、可靠性高。

　　2．可擴(kuò)展性好。加入新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，不影響原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備，降低成本，具有網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。

　　3．透明傳輸。全光網(wǎng)以波長選擇路由，對(duì)傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式及調(diào)制方式均具有透明性，可提供多種協(xié)議業(yè)務(wù)，可不受限制地提供端到端業(yè)務(wù)。

　　4．靈活重組?？筛鶕?jù)通信業(yè)務(wù)量的需求，動(dòng)態(tài)地改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，具有網(wǎng)絡(luò)可重組性。

　　5．快速恢復(fù)。實(shí)現(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)間可達(dá)100ms，對(duì)絕大多數(shù)業(yè)務(wù)無損傷。

　　6．提供多種業(yè)務(wù)。全光網(wǎng)提供多種寬帶信息業(yè)務(wù)，包括數(shù)據(jù)、音頻和視頻通信，可以把全光網(wǎng)支持的業(yè)務(wù)及應(yīng)用分為3類：

　　傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)業(yè)務(wù)，其數(shù)據(jù)速率范圍從低速Kbps至高速Gpbs，如異步傳送模式（ATM）、局域網(wǎng)的互連、多路數(shù)字電話、以太網(wǎng)等。

　　模擬信號(hào)業(yè)務(wù)，如有線電視（CATV）節(jié)目的多路傳送。

　　用戶需要光接口業(yè)務(wù)，高速數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，包括視頻工作站、大規(guī)模數(shù)據(jù)庫和多路高清晰度電視等，這將是全光網(wǎng)業(yè)務(wù)的主流。

4主要特點(diǎn)

　　全光通信是用戶與用戶之間的信號(hào)傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程都在光域內(nèi)進(jìn)行，而其在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換則采用全光網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)。全光通信與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的光纖通信系統(tǒng)相比，具有其獨(dú)具的特點(diǎn)：

　?。?）全光通信是歷史發(fā)展的必然。電子交換機(jī)代替了模擬傳輸，在數(shù)字傳輸之后，引入了數(shù)字交換。采用光傳輸技術(shù)是歷史的螺旋上升，光網(wǎng)絡(luò)是下一步必然的發(fā)展對(duì)象。

　　（2）降低成本。在采用電子交換及光傳輸?shù)捏w系中，光/電及電/光轉(zhuǎn)換的接口是必要的，如果整個(gè)采用光技術(shù)可以避免這些昂貴的光電轉(zhuǎn)換器材。而且，在全光通信中，大多采用無源光學(xué)器件，從而降低了成本和功耗。

　　（3）解決了“電子瓶頸”問題。在光纖系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)容量提高的關(guān)鍵因素是電子器件速率的限制，如電子交換速率大概為每秒幾百兆位，而只在大規(guī)模圖像傳輸研究領(lǐng)域達(dá)Tbit/s的速率。CMOS技術(shù)及ECL技術(shù)的交換機(jī)系統(tǒng)可以達(dá)到Gbii/s范圍，不久的將來，采用砷化鑄技術(shù)可使速率達(dá)到幾十個(gè)Gbit/s以上，但是電子交換的速率也似乎達(dá)到了極限。為此，網(wǎng)絡(luò)需要更高的速度則應(yīng)采用光交換與光傳輸相結(jié)合的全光通信。

　　總之，“全光通信”是一種無須進(jìn)行任何光電變化的全新光波通信。在全光通信系統(tǒng)中，圖像和話音信息直接變換為光信號(hào)，并在傳輸媒體中傳輸。在攝像光學(xué)系統(tǒng)、光纖系統(tǒng)和接收放大系統(tǒng)組成的全光通信系統(tǒng)中，由于不要求光電變換，所以沒有任何電子元件，信號(hào)失真小，能夠在100°C以上的高溫環(huán)境中連續(xù)工作，是理想的通信方式。

5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　全光通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分為服務(wù)層（Service layer）和傳送層（Transport layer），網(wǎng)絡(luò)傳送層分為SDH層、ATM層和光傳送層。光傳送層由光分插復(fù)用器（OADM）和光交叉連接（OXC）組成。在光傳送層，通過迂回路由波長（Rerouting wavelength），在網(wǎng)絡(luò)中形成大帶寬的重新分配。在光纜斷開時(shí)，光傳送層起網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)（Restoration）的作用。在遠(yuǎn)端，光纖環(huán)中的光分插復(fù)用器OADM插入/分離所確定的波長通道至ATM復(fù)用器，而OXC則連接兩個(gè)光WDM環(huán)路到ATM交換機(jī)。

　　利用波分復(fù)用技術(shù)的全光網(wǎng)將采用三級(jí)體系結(jié)構(gòu)。0級(jí)（最低一級(jí)）是眾多單位各自擁有的局域網(wǎng)（LAN），它們各自連接若干用戶的光終端（OT）。每個(gè)0級(jí)網(wǎng)的內(nèi)部使用一套波長，但各個(gè)0級(jí)網(wǎng)多數(shù)也可重復(fù)使用同一套波長，1級(jí)可看作許多城域網(wǎng)（MAN），它們各自設(shè)置波長路由器連接若干個(gè)0級(jí)網(wǎng)。2級(jí)可以看作全國或國際的骨干網(wǎng)，它們利用波長轉(zhuǎn)換器或交換機(jī)連接所有的1級(jí)網(wǎng)。

6關(guān)鍵技術(shù)

　　為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、有效、可靠的全光通信，應(yīng)采用以下關(guān)鍵技術(shù)：

　　光多址技術(shù)

　　光多址技術(shù)是光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。選用哪一種光多址方式直接影響到系統(tǒng)的頻譜利用率、系統(tǒng)容量、設(shè)備的復(fù)雜度及成本等。光多址方式主要有3種：光波分多址、光時(shí)分多址、副載波多址。

　?。?）光波分多址(WDMA)是將多個(gè)不同波長且互不交疊的光載波分配給不同的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU），用以實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)的傳輸，即各ONU根據(jù)所分配的光載波對(duì)發(fā)送的信息脈沖進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生多路不同波長的光脈沖，然后利用波分復(fù)用方法經(jīng)過合波器形成一路光脈沖信號(hào)來共享傳輸光纖并送入到光交換局。在WDMA系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)任何允許節(jié)點(diǎn)共享信道的多波長接入，必須建立一個(gè)防止或處理碰撞的協(xié)議。該協(xié)議包括固定分配協(xié)議、隨機(jī)接入?yún)f(xié)議（包括預(yù)留機(jī)制、交換和碰撞預(yù)留技術(shù)）及仲裁規(guī)程和改裝發(fā)送許可等。

　　WDMA的研究比較廣泛，已提出了兩種WDMA網(wǎng)絡(luò)：單轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)和多轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)。前者有：

　?、買BM BAINBOW的單轉(zhuǎn)發(fā)副載波控制的WDMA網(wǎng)絡(luò)，即在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上只需一個(gè)激光器，并在控制信道上采用副載波多址接入（SCMA）來解決控制信道競(jìng)爭問題；

　　②具有低功耗，樹型或多星型結(jié)構(gòu)的無源光波分多址網(wǎng)絡(luò)等；后者包括：具有多種可能配置的Gemnet網(wǎng)絡(luò)，具有KAVTE拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)、基于超圖理論的超圖網(wǎng)絡(luò)及由斯坦福大學(xué)光通信實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Starnet網(wǎng)絡(luò)。

　?。?）副載波多址（SCMA）多用于光交換局到不同ONU的控制信號(hào)的傳送。其基本原理是將多路基帶控制信號(hào)調(diào)制到不同頻率的射頻（超短波到微波頻率）波上，然后將多路射頻信號(hào)復(fù)用后再去調(diào)制一個(gè)光載波。在ONU端進(jìn)行二次解調(diào)，首先利用光探測(cè)器從光信號(hào)中得到多路射頻信號(hào)，并多中選出該單元需要接收的控制信號(hào)，再用電子學(xué)的方法從射頻波中恢復(fù)出基帶控制信號(hào)。在控制信道上使用SGMA接入，不僅可降低網(wǎng)絡(luò)成本，還可解決控制信道的競(jìng)爭。

　?。?）光時(shí)分多址（OTDM）是在同一光載波波長上，把時(shí)間分割成周期性的幀，每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙（無論幀或時(shí)隙都是互不重疊的），然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使每個(gè)ONU在每幀內(nèi)只按指定的時(shí)隙發(fā)送信號(hào)，然后利用全光時(shí)分復(fù)用方法在光功率分配器中合成一路光時(shí)分脈沖信號(hào)，再經(jīng)全光放大器放大后送入光纖中傳輸。在交換局，利用全光時(shí)分分解復(fù)用。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確，可靠的光時(shí)分多址通信，避免各ONU向上游發(fā)送的碼流在光功率分配器合路時(shí)可能發(fā)生碰撞，光交換局必須測(cè)定它與各ONU的距離，并在下行信號(hào)中規(guī)定ONU的嚴(yán)格發(fā)送定時(shí)。

　　除以上多址技術(shù)以外，隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，還會(huì)出現(xiàn)其他的多址方式，如利用不同的代碼序列來區(qū)分各ONU的光碼分多址，利用不同的光纖或?qū)⒐饫w中的光速沿空間分割給不同的ONU來實(shí)現(xiàn)通信的空分多址方式等。當(dāng)然，其中也包括上述多址方式的混合多址方式，如將光時(shí)分多址與光波分多址相結(jié)合，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量。

　　全光信息再生技術(shù)

　　在光纖通信中，光纖的損耗和色散嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。損耗導(dǎo)致光信號(hào)的幅度隨傳輸距離按指數(shù)規(guī)律衰減，這可以通過全光放大器來提高光信號(hào)功率。色散會(huì)導(dǎo)致光脈沖發(fā)生展寬，發(fā)生碼間干擾，使系統(tǒng)的誤碼率增大，嚴(yán)重影響了通信質(zhì)量。因此，必須采取措施對(duì)光信號(hào)進(jìn)行再生。對(duì)光信號(hào)的再生都是利用光電中繼器，即光信號(hào)首先由光電二極管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)電路整形放大后，再重新驅(qū)動(dòng)一個(gè)光源，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的再生。這種光電中繼器具有裝置復(fù)雜、體積大、耗能多的缺點(diǎn)。出現(xiàn)了全光信息再生技術(shù)后，即在光纖鏈路上每隔幾個(gè)放大器的距離接入一個(gè)光調(diào)制器和濾波器，從鏈路傳輸?shù)墓庑盘?hào)中提取同步時(shí)鐘信號(hào)輸入到光調(diào)制器中，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行周期性同步調(diào)制，使光脈沖變窄、頻譜展寬、頻率漂移和系統(tǒng)噪聲降低，光脈沖位置得到校準(zhǔn)和重新定時(shí)。全光信息再生技術(shù)不僅能從根本上消除色散等不利因素的影響，而且克服了光電中繼器的缺點(diǎn)，成為全光信息處理的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

　　網(wǎng)絡(luò)管理控制

　　為了充分發(fā)揮光通信的優(yōu)勢(shì)，必須研究開發(fā)行之有效的網(wǎng)絡(luò)管理控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)的配置管理、信道的分配管理、管理控制協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)的性能測(cè)試等都是網(wǎng)絡(luò)管理方面需要解決的技術(shù)。由于全光網(wǎng)絡(luò)采用了先進(jìn)的多址技術(shù)，因此如何根據(jù)當(dāng)前的業(yè)務(wù)負(fù)載及信道的使用情況來動(dòng)態(tài)地分配信道資源，對(duì)于全光網(wǎng)絡(luò)尤為重要。只有高效地分配信道，才可使系統(tǒng)達(dá)到最大容量和最佳通信質(zhì)量。[3]

　　光交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　光交換是指光纖傳送的信息直接進(jìn)行交換。與電子數(shù)字程控交換相比，光交換無需在光纖傳輸線路和交換機(jī)這間設(shè)置光端機(jī)進(jìn)行光/電、電/光變換，并且在交換過程中還能充分發(fā)揮光信號(hào)的高速、寬帶和無電磁感應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。光交換技術(shù)作為全新的交換技術(shù)，與光纖傳輸技術(shù)相融合可形成全光通信網(wǎng)絡(luò)，從而將通信網(wǎng)和廣播網(wǎng)綜合在一個(gè)網(wǎng)中，成為通信的未來發(fā)展方向。它主要有5種交換方式：空分光交換、時(shí)分光交換、波分光交換、復(fù)合型光交換及自由空間光交換。

　　（1）空分光交換是指空間劃分的交換。其基本原理是將光交換元件組成門陣列開關(guān)，并適當(dāng)控制門陣列開關(guān)，即可在任一路輸入光纖和任一輸出光纖之間構(gòu)成通路。因其交換元件的不同可分為機(jī)械型、光電轉(zhuǎn)換型、復(fù)合波導(dǎo)型、全反射型和激光二極管門開關(guān)等。如耦合波導(dǎo)型交換元件鈮酸鋰，它是一種電光材料，具有折射率隨外界電場(chǎng)的變化而發(fā)生變化的光學(xué)特性。以鈮酸鋰為基片，在基片上進(jìn)行鈦擴(kuò)散，以形成折射率逐漸增加的光波導(dǎo)，即光通路，再焊上電極后即可將它作為光交換元件使用。當(dāng)將兩條很接近的波導(dǎo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)合，通過這兩條波導(dǎo)的光速將發(fā)生能量交換。能量交換的強(qiáng)弱隨復(fù)全系數(shù)、平行波導(dǎo)的長度和兩波導(dǎo)之間的相位差變化，只要所選取的參數(shù)適當(dāng)，光速就在波導(dǎo)上完全交錯(cuò)。如果在電極上施加一定的電壓，可改變折射率及相位差。由此可見，通過控制電極上的電壓，可以得到平行和交叉兩種交換狀態(tài)。

　　時(shí)分光交換方式的原理與現(xiàn)行的電子程控交換中的時(shí)分交換系統(tǒng)完全相同，因此它能與采用全光時(shí)分多路復(fù)用方法的光傳輸系統(tǒng)匹配。在這種方式下，可以時(shí)分復(fù)用各個(gè)光器件，能夠減少硬件設(shè)備，構(gòu)成大容量的光交換機(jī)。

　?。?）時(shí)分光交換網(wǎng)由時(shí)分型交換模塊和空分型交換模塊構(gòu)成。它所采用的空分交換模塊與上述的空分光交換功能塊完全相同，而在時(shí)分型光交換模塊中則需要有光存儲(chǔ)器（如光纖延遲存儲(chǔ)器、雙穩(wěn)態(tài)激光二極管存儲(chǔ)器）、光選通器（如定向復(fù)合陣列開關(guān)）以進(jìn)行相應(yīng)的交換。

　?。?）波分光交換方式能充分利用光跌的寬帶特性，可以獲得以電子線路所不能實(shí)現(xiàn)的波分型交換網(wǎng)?？烧{(diào)波長濾波器和波長變換器是實(shí)現(xiàn)波分交換的基本元件，前者的作用是從輸入的多路波分光信號(hào)中選出所需波長的光信號(hào)，后者則將可變波長濾波器選出的光信號(hào)變換成適當(dāng)?shù)牟ㄩL后輸出。這可以通過DFB（分布反饋型）和DBR（分布DBR反射）型的半導(dǎo)體激光器來實(shí)現(xiàn)。

　?。?）復(fù)合型光交換是指在一個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)應(yīng)用兩種以上的光交換方式。例如，在波分技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)大規(guī)模交換網(wǎng)絡(luò)的一種方法是進(jìn)行多極鏈路連接，鏈路連接在各級(jí)內(nèi)均采用波分交換技術(shù)。因這種方法需要把多路信號(hào)分路接入鏈路，故抵消了波分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)。解決這個(gè)問題的措施是在鏈路上利用波分復(fù)用方法，實(shí)現(xiàn)多路化鏈路的連接，空分-波分復(fù)全型光交換系統(tǒng)就是復(fù)合型光交換技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用。除此之外，還可將波分和時(shí)分技術(shù)結(jié)合起來得到另一種極有前途的復(fù)合型光交換，其復(fù)用度是時(shí)分多路復(fù)用度與波分多路復(fù)用度的和乘積。如它們的復(fù)用度分別為16，則可實(shí)現(xiàn)256路的時(shí)分----波分復(fù)合型交換。

　?。?）自由空間光交換可以看作是一種空分交換，然而這種交換方式在空分復(fù)用方面具有顯著的特點(diǎn)，尤其是它在1mm范圍內(nèi)具有高達(dá)10um量級(jí)的分辯率，因此自由空間光交換方式被認(rèn)為是一種新型交換技術(shù)。

　　除以上必須采取的關(guān)鍵技術(shù)外，為了進(jìn)一步提高全光通信的系統(tǒng)容量及獲得最大的傳輸距離，還可采用非線性（光孤子）傳輸技術(shù)、變換極限超短光脈沖的產(chǎn)生等技術(shù)。