全光网络技术及发展

全光网络技术及发展李立永摘要：全光网络的相关技术包括光纤技术、同步数字系列技术、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。

本文通过多这些技术的分析初步了解全光网络的基本知识。

关键词：全光网SDH、光交换光交叉连接光复用／去复用无源光网光纤放大器1前言21世纪的到来，人类社会进入了信息化高速发展的时代，随着Internet的迅速发展，信息网络的应用渗透到社会的各个领域。

信息通讯量的急剧增加和全业务服务的需要，使得现有的基础网络难以适应。

现有通信网络中，各个节点要完成光/电、电/光的转换，而其中的电子器件在适应高速、大容量的需求上，存在着带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，因此产生了通信网中的“信息瓶颈”现象。

而光纤通信技术凭借其巨大潜在带宽容量的特点，成为支撑通信业务中最重要的技术之一。

为了充分发挥光纤通信的极宽频带、抗电磁干扰、保密性强、传输损耗低等优点，人们提出了全光网的概念。

2全光网的概念全光网的含义是指网络中端到端用户节点之间的信号通道保持着光的形式，信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备。

由于网络中不用光电转换器，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。

为区别于现有光通信网络，上述性能的光通信网络我们称为全光网。

3全光网的主要技术全光网的主要技术有光纤技术、SDH、光交换技术、OXC、光复用／去复用技术、无源光网技术、光纤放大器技术等。

3.1光纤技术光纤作为传输光信息的载体，光纤技术的发展直接决定着光网络技术的发展。

当光纤的直径减小到一个光波波长时，光在其中无反射地沿直线传播，这种光纤称为单模光纤。

单模光纤传输具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点。

下面介绍一下单模光纤传输的特性及对传输速率的影响：1、频带宽，通信容量大。

目前可用的850nm波长区、1310nm波长区和1550nm波长区所对应的固定带宽就有约60THz。

巨大的频带带宽是光纤最突出的优点，这对传输各种宽频带信息意义十分重要。

2、损耗低，中继距离长。

单模光纤的衰减特性有随波长递增而减小的总趋势，除了靠近1385nm附近由OH根造成的损耗峰外，在1310nm-1600nm间都趋于平坦。

现在一般都使用1310nm波长区和1550nm波长区，由于最低衰减常数（0.2dB/km）位于1550nm附近，因此长距离光纤传输系统仍就都采用1550nm波长区。

3、色散。

色散是指光脉冲在光纤中传播的过程中会散开的现象。

随着传输速率的提高，色散成为传输系统中不可忽视的因素。

它会导致脉冲间的干扰，造成不可接受的误码率，其数量和波长有关。

4、非线性效应。

系统中使用EDFA，使送进光纤的光功率增强很多，进入光纤的高光功率使光信号和光纤相互作用产生各种非线性效应，从而影响信噪比。

3.2SDH技术同步数字系列（SDH）是一种光纤传输体制，其信号最基本、最重要的同步传输模块是STM-1，其速率为155.520Mbit／S，更高等级的STM－N信号是将基本模块信号STM-1按同步复用，经字间分插后的结果。

STM-1的帧结构可以分为段开销、管理单元指针、通道开销和净负荷四个装有不同用途信息比特的区域，除净负荷区用作装载PDH数字系列或其他数字信息外，其他区域用来支持系统的管理和维护功能。

SDH传输网大致分为三层，由上至下依次为电路层网络、通道层网络和传输媒质网络，其中传输层主要涉及通道层和传输媒质层。

网络中每一层能够有独自的维护管理能力，某一层网络改变不会影响其它层，便于每一层独立引进新技术和拓扑。

因此SDH传输网具有智能化的路由配置能力、上下电路方便、维护监控管理能力强、光接口标准统一等优点。

3.3光交换技术传统的光交换在交换过程中存在光变电、电变光的过程，使得整个光通信系统的带宽受到限制。

直接光交换则可省去光/电、电/光的交换过程，充分利用光通信的宽带特性。

因此，光交换技术被认为是未来宽带通信网最具潜力的新一代交换技术。

光交换技术有空分、时分和波分/频分等类型。

1、空分光交换(SD)空分光交换技术的基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一输出光纤之间构成通路。

因其交换元件的不同可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反射型和激光二极管门开关等，如耦合波导型交换元件铌酸钾，它是一种电光材料，具有折射率随外界电场的变化而发生变化的光学特性。

以铌酸钾为基片，在基片上进行钛扩散，以形成折射率逐渐增加的光波导，再焊上电极后即可将它作为光交换元件使用。

当将两条很接近的波导进行适当的复合，通过这两条波导的光束将发生能量交换。

能量交换的强弱随复合系数、平行波导的长度和两波导之间的相位差变化，只要所选取的参数适当，光束就在波导上完全交错，如果在电极上施加一定的电压，可改变折射率及相位差。

由此可见，通过控制电极上的电压，可以得到平行和交叉两种交换状态。

2、时分光交换(TD)时分光交换技术的原理与现行的电子程控交换中的时分交换系统完全相同，因此它能与采用全光时分多路复用方法的光传输系统匹配。

在这种技术下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设备，构成大容量的光交换机。

该技术组成的通信技术网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。

它所采用的空分交换模块与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分型光交换模块中则需要有光存储器、光选通器以进行相应的交换。

3、波分/频分光交换(WD/FD)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组成。

3.4光交叉连接(OXC)光交叉连接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／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／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、时分和波分三种类型。

3.5光复用/去复用技术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，最好将光延迟线及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。

去复用器件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。

2、波分复用（WDM）光波分复用在本质上讲是在光纤上实行的FDM，即光域上的FDM技术。

是为了充分利用单模光纤低损耗区巨大的带宽资源，根据每一个信道光波频率（或波长）的不同而将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道的技术。

WDM技术是把光波作为信号的载波，在发端采用合波器将不同规格波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输；在接收端再由一分波器将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。

由于不同波长的光载波信号可以看作是相互独立的，从而在一根光纤内可实现多路光信号的复用传输。

3、光分插复用（OADM）光分插复用器设备在光波长领域内具有传统SDH分插复用器在时域内的功能。

特别是分出功能可以使OADM从一个WDM光束中分出一个信道，并且一般是以相同波长往光载波上插入新的信息的插入功能。

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，以最大限度地减少同波长干涉效应。

3.6光纤放大器技术光纤放大器技术就是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土元素，通过激光器提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大。

传统的光纤传输系统是采用光—电—光再生中继器，这种中继设备影响系统的稳定性和可靠性，为去掉上述转换过程，直接在光路上对信号进行放大传输，就要用一个全光传输型中继器来代替这种再生中继器。

适用的设备有掺铒光纤放大器（EDFA）、掺镨光纤放大器（PDFA）、掺铌光纤放大器（NDFA）。

目前光放大技术主要是采用EDFA。

EDFA主要由接铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器和隔离器组成。

EDFA利用掺饵光纤的非线性效应，把泵浦光输入到掺饵光纤中，使光纤中的饵原子的电子能级升高。

当高能级电子向低能级跃迁时，向外辐射出光子。

当有光信号输人时，辐射光的相位和波长会自发与信号光保持一致。

这样在输出端就可以得到功率较强的光信号，实现光信号放大。

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优点。

利用光放大器构成的全光网络的主要特点是：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、频带宽，很适合用于WDM传输。

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。

“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。

3.7无源光网技术（PON）无源光网可看作是由无源光器件组成的光分配网，多用于接入网部分。

它以点对多点方式为光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）之间提供光传输媒质，而这又必须使用多址接入技术。

目前使用中的有时分多址接入（TDMA）、波分复用（WDM）、副载波多址接入（SCMA）3种方式。

PON中使用的无源光器件有光纤光缆、光纤接头、光连接器、光分路器、波分复用器和光衰减器。

拓扑结构可采用总线形、星形、树形等多种结构。

4全光网的优点全光网具备更强的可管理性、灵活性、透明性和更大的通信容量，有如下以往传统通信网和现行的光通信系统所不具备的优点。