(发展战略)全光网络的发展历程与发展方向

全光网络的发展历程与发展趋势

彭承柱彭明宇

摘要：本文阐述全光网络如何经过WDM技术的发展与演变、全光网络的技术研发、过渡到自动光交换网、直到当前智能光交换网络的发展历程与发展趋势。

1 引言

据国外统计，骨干因特网的带宽在1997年为622Mbps,1998年是2.5Gbps,1999年突破10Gbps,2000年接近40Gbps；也就是说每经过6-9个月因特网的带宽或业务量翻一番。按照目前单波长光纤系统的传输速率最高为40Gbps考虑，仅因特网的数据流就占满了整个单波长系统的传输容量，更不用说宽带业务和其他多媒体应用了。事实上随着因特网的飞速发展，几乎在网络的所有层面，如企业网、接入网，传输、选路与交换等都在研发与应用高速宽带技术。带宽的"饥渴"极大地促进了DWDM技术的快速发展，基础速率为2.5Gbps/10bps的8波、16波、32波、40波乃至80波的DWDM系统已经商用，所有的波长都落在常规的C带内(1530-1565nm)；此波带又分为蓝带和红带。各个波长或光路的间隔从100GHz(0.8nm)缩小到50GHz(0.4nm)。进一步增加波长数，例如增加到160波以上时需要应用L波带(1565-1625nm)，也就是第4代WDM光纤通信系统。当波长数达到数百量级时各光路间隔将缩小到25GHz(0.2nm)；此时对光源的精度与稳定度，对分光滤波器的分辨率的要求均很高。表1给出新世纪开始DWDM系统研发水平的概貌。由表1可见10Tbps的总容量业已突破，很多公司例如Ciena公司已在研发16Tbps 的系统；而朗讯贝尔实验室的科研人员认为商用的DWDM系统容量最高将达到100Tbps。

DWDM系统在长途光传送网中的发展方向是超密集波分复用，超大容量和超常中继距离传输；而在城域光传送网中的发展方向是稀疏波分复用，超大容量、短传输距离和价廉的CWDM系统，也就是和具有第5光窗口的无水峰光纤即新的全波光纤相应的第5代WDM系统。此类光纤系统可利用的光谱是1280-1615nm，是常规可用波长范围的数倍，复用波长数大大增加，从而经济有效地解决网络扩容问题，故WDM系统和技术的发展为全光网络打下了物质基础。

2 WDM技术的发展与演变

在电信运营商寻找新的创收方法的同时，他们还在力图削减成本。直到几年前，削减成本的努力目标是在传输方面。例如血癌用DWDN系统就能经济有效地扩充网络容量，极大地削减了每话路的成本。此外，在长途中心局(CO)之间避免电信号再生是另一个削减成本的主要途径。通常每隔500km左右，光信号必须被变换到电信号，再消除失真后再变换成光信号。由于此再生过程需要再光链路两端配置相同的设备，故比无再生中继的光链路端对系统的成本增加约1倍。采用喇曼(Raman)放大的超常距离(ULH)无电中继的DWDM系统，每波长或每个光路光信号的传输距离由约500km延伸到1500-2000km。例如由芝加哥到旧金山一个OC-192(STM-64)光路原来需要2个电再生中继器，经过2次光一电一光变换，现在即可不再需要了。据Cable&Wire less公司的网络战略规划高级主管Dave Garbin估计，ULH DWDM系统可能会将传送一个新波长的成本减少到有电中继系统成本的1/3，甚至1/4。

尽管光一电一光中继方式对光纤的损耗和色散搜有补偿作用，但毕竟装置复杂、提及打且损能多，使多波长

复用系统变得很复杂而昂贵，故在光纤损耗限制的系统中，采用光放大器直接放大光信号，不仅可以节省成本，同时也为实现全光通信打下基础。也就是为什么一度出现低色散与低色散斜率型光纤，例如G.655光纤、真波光纤等新一轮建设高潮的原因。

目前已实现的光放大器，除去应用最多的掺铒光纤放大器(EDFA)外，就是非线性光纤放大器和半导体激光放大器。前者利用光纤中的非线形效应，利用受激喇曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)，实现受激喇曼散射光纤放大器和受激布里渊散射光纤放大器。喇曼光放大器能在1292nm到1660nm很宽的光谱上放大光信号，因此，它适合于任何类型的光纤，可在选定的低色散光谱区工作，例如G.652光纤的1310nm波长区对光信号直接放大，同时其成本又较低。它可采用同向或反向光泵，增益带有6THz。除集中式喇曼光放大器外。分布式喇曼光纤放大器能在速率到达40Gbps的高速光网络中工作，增加光放大器之间的距离，实际上喇曼光放大器仅是掺铒光纤放大器的一种补充，目前还不能完全取代它。后者利用半导体的光电效应放大光信号(SOA)，例如JDS Uniphase和其他一些公司生产的半导体光放大器。目前它的输出功率不够且噪声还比较高，不适应长距离超高速DWDM系统的应用；但可用于短距离的WDM系统和城域光网中，尤其重要的是它能将接受的光信号波长改变，输出新的波长，并在次过程中放大光信号，起动态波长变换作用，必将会在全光网络的动态配置波长、选路由等方面大显身手。它虽未商用，但有望取得新的进展。当然，还可以配合利用光弧子效应不常光纤色散引起的脉冲展宽，延长光信号传输距离，增大光纤的传输跨度。根据Worldcom公司网络结构与先进技术副总裁Jack Wimmer估计，如果采用ULH技术，80－85%的长途光链路不需要光一电一光中继。这将减少高成本的光电变换器与分波滤光器。据路由器厂商介绍，光器件端口的成本占到路由器成本的60-70%，而端口的成本主要是光电变换器成本。一个OC－192光接口大约需要10万美元，一个OC－48(STM-16)光接口约4万美元。基于同样的原因，近期在城域网(不用光放大器)中利用全波光纤开发应用的CWDM系统势头很猛。因通过使用便宜、低功率的普通激光器(无制冷直接调制)，低成本宽波长间隔的分拨滤光器以及较低等级的光纤，可降低OC-192光链路的成本达40%。

事实上，全光交换也是这一思想的反映：因为消除了高成本的光一电一光交换就可以大大减少变换成本。不仅在网络中心采用全光交换机，而且希望在信号到达网络边缘之前都无需将光信号变换到电信号。

由于WDM系统成本的进一步下降，更加增强的竞争力与无以匹敌的容量或带宽优势，将鼓励其向地区网乃至用户接入网发展，从而在整个通信网络中自然地形成一光层或"光子层"。这就说明随着WDM光网络应用规范的迅速扩展，WDM光传送网(OTN)将从容量带宽的增长发展的功能完善；将从追求线路系统的传输距离到保护恢复自愈；从过去完全面向SDH平台到现在面向多业务平台；即转变单纯大容量宽带传送为端到端的多业务的连接，进一步将WDM技术和光交换结合形成一个大吞吐量的光网络平台，以有效地支持各种业务，尤其是IP分组数据业务。WDM 技术的这种发展与演变将左右OTN技术的发展。道理很简单，一个波长10Gpbs速率的光路相当于12万条话路容量，而一个80*10GbpsWDM系统的容量接近1000万条电路，如此巨大容量的系统是不允许片刻中断的。为此，可像SDH自愈环那样，在WDM系统中采用OADM构成两纤单向光路共享保护环网，以及四纤线路共享保护环网。一旦某一方向某一段的光纤发生故障就能在50ms内自动迂回沟通，实现光路的自动保护，提高光网络的可靠性、可用性与生存性。作为光网络通信枢纽节点的主要设备OXC，位于多个光环网的交汇节点，随着调整疏通光波长数和光路走向，实现各向光路的交叉连接。从而，可通过OADM和OXC处理传送光层上的全光数字流，而将较低容量的电数字流的传送处理留给电层的ADM和DXC，以提高网络配置的灵活性，适应业务的迅速变化与需要，并降低网络运营维护管理的费用。

3 全光网络的技术与结构

在传统的光一电一光骨干网络节点中，尤其是枢纽节点，典型的情况是约有75-80%的业务量是直通的，为了少量的业务不得不全部进行光电变换处理，将落地的光信号转变为电信号，进行交换与选路，然后再将其变换为光信号，送到适当的光路中。这种电的处理技术大大限制了WDM技术的优越性，使网络节点乃至网络的吞吐量变小，形成"电子瓶颈"。考虑这种现实，以及前节所述理由，人们想到全光网络。