全光通信技術

簡介

全光通信的實現(xiàn)，可以分為兩個階段來完成：首先是在點-點光纖傳輸系統(tǒng)中，整條線路中間不需要作任何光/電和電/光的轉(zhuǎn)換，這樣，網(wǎng)內(nèi)光信號的流動就沒有光電轉(zhuǎn)換的障礙，信息傳遞過程無需面對電子器件速率難以提高的困難。這樣的長距離傳輸完全靠光波沿光纖傳播，稱為發(fā)端與收端間點-點全光傳輸。那么整個光纖通信網(wǎng)任一用戶地點應該可以設法做到與任一其它用戶地點實現(xiàn)全光傳輸，這樣就組成全光傳送網(wǎng)；其次在完成上述用戶間全程光傳送網(wǎng)后，有不少的信號處理、儲存、交換，以及多路復用/分接、進網(wǎng)/出網(wǎng)等功能都要由電子技術轉(zhuǎn)變成光子技術完成，整個通信網(wǎng)將由光實現(xiàn)傳輸以外的許多重要功能，完成端到端的光傳輸、交換和處理等，這就形成了全光通信發(fā)展的第二階段，將是更完整的全光通信。

組成

全光通信網(wǎng)由全光內(nèi)部部分和通用網(wǎng)絡控制部分組成，內(nèi)部全光網(wǎng)是透明的，能容納多種業(yè)務格式，網(wǎng)絡節(jié)點可以通過選擇合適的波長進行透明的發(fā)送或從別的節(jié)點處接收。通過對波長路由的光交叉設備進行適當配置，透明光傳輸可以擴展到更大的距離。外部控制部分可實現(xiàn)網(wǎng)絡的重構(gòu)，使得波長和容量在整個網(wǎng)絡內(nèi)動態(tài)分配以滿足通信量、業(yè)務和性能需求的變化，并提供一個生存性好、容錯能力強的網(wǎng)絡。

近十年來,國際上對全光通信傳輸?shù)难芯刻貏e活躍。主要是因為光纖通信技術的飛速發(fā)展和數(shù)據(jù)通信業(yè)務需求的劇增,促使人們研究開發(fā)傳輸容量更大、傳輸頻帶更寬的通信方式。光纖通信自20世紀90年代開始應用波分復用(WDM)技術后,很快就從“一纖一波”發(fā)展到“一紆多波”,特別是密集波分復用(DWDM)技術的采用,一根光纖已從傳送40波發(fā)展到l60波,傳送帶寬已達10吉赫,并向40吉赫發(fā)展,展現(xiàn)了極大的潛力?？墒?在傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)中,當光信息流傳送到節(jié)點時,都需要將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)?span id="kzd5wzl" class='hrefStyle'>電信號,再由電子器件對電信號進行處理,然后再將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柪^續(xù)往下傳送。而電子器件的處理能力相對于光纖通信的發(fā)展來說已經(jīng)是跟不上了,而且存在節(jié)點不靈活、選路能力差等問題,這就成了光纖通信發(fā)展的“電子瓶頸”。

采用技術

全光通信的實現(xiàn)將使上述問題迎刃而解。實現(xiàn)透明的、具有高度生存性的全光通信網(wǎng)是寬帶通信網(wǎng)未來發(fā)展目標，而要實現(xiàn)這樣的目標需要有先進的技術來支撐，下面就是實現(xiàn)準確、有效、可靠的全光通信應采用的技術：

1、光層開銷處理技術：該技術是用信道開銷等額外比特數(shù)據(jù)從外面包裹Och客戶信號的一種數(shù)字包封技術，它能在光層具有管理光信道（Och）的OAM（操作、管理、維護）信息的能力和執(zhí)行光信道性能監(jiān)測的能力，該技術同時為光網(wǎng)絡提供所有SONET/SDH網(wǎng)所具有的強大管理功能和高可靠性保證。

2、光監(jiān)控技術：在全光通信系統(tǒng)中，必須對光放大器等器件進行監(jiān)視和管理。一般技術采用額外波長監(jiān)視技術，即在系統(tǒng)中再分插一個額外的信道傳送監(jiān)控信息。而光監(jiān)控技術采用1510nm波長，并且對此監(jiān)控信道提供ECC的保護路由，當光纜出現(xiàn)故障時，可繼續(xù)通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)（DCN）傳輸監(jiān)控信息。

3、信息再生技術：大家知道，信息在光纖通道中傳輸時，如果光纖損耗大和色散嚴重將會導致最后的通信質(zhì)量很差，損耗導致光信號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功率。色散會導致光脈沖發(fā)生展寬，發(fā)生碼間干擾，使系統(tǒng)的誤碼率增大，嚴重影響了通信質(zhì)量。因此，必須采取措施對光信號進行再生。目前，對光信號的再生都是利用光電中繼器，即光信號首先由光電二極管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?jīng)電路整形放大后，再重新驅(qū)動一個光源，從而實現(xiàn)光信號的再生。這種光電中繼器具有裝置復雜、體積大、耗能多的缺點。而最近，出現(xiàn)了全光信息再生技術，即在光纖鏈路上每隔幾個放大器的距離接入一個光調(diào)制器和濾波器，從鏈路傳輸?shù)墓庑盘栔刑崛⊥綍r鐘信號輸入到光調(diào)制器中，對光信號進行周期性同步調(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和重新定時。全光信息再生技術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，成為全光信息處理的基礎技術之一。

4、動態(tài)路由和波長分配技術：給定一個網(wǎng)絡的物理拓撲和一套需要在網(wǎng)絡上建立的端到端光信道，而為每一個帶寬請求決定路由和分配波長以建立光信道的問題也就是波長選路由和波長分配問題（RWA）。目前較成熟的技術有最短路徑法、最少負荷法和交替固定選路法等。根據(jù)節(jié)點是否提供波長轉(zhuǎn)換功能，光通路可以分為波長通道（WP）和虛波長通道（VWP）。WP可看作VMP的特例，當整個光路都采用同一波長時就稱其為波長通道反之是虛波長通道。在波長通道網(wǎng)絡中，由于給信號分配的波長通道是端到端的，每個通路與一個固定的波長關聯(lián)，因而在動態(tài)路由和分配波長時一般必須獲得整個網(wǎng)絡的狀態(tài)，因此其控制系統(tǒng)通常必須采用集中控制方式，即在掌握了整個網(wǎng)絡所有波長復用段的占用情況后，才可能為新呼叫選一條合適的路由。這時網(wǎng)絡動態(tài)路由和波長分配所需時間相對較長。而在虛波長通道網(wǎng)絡中，波長是逐個鏈路進行分配的，因此可以進行分布式控制，這樣可以大大降低光通路層選路的復雜性和選路所需的時間但卻增加了節(jié)點操作的復雜性。由于波長選路所需的時間較長，近期提出了一種基于波長作為標記的多協(xié)議波長標記交換（MPLS）的方案，它將光交叉互聯(lián)設備視為標記交換路由器進行網(wǎng)絡控制和管理。在基于MPLS的光波長標記交換網(wǎng)絡中的光路由器有兩種：邊界路由器和核心路由器。邊界路由器用于與速率較低的網(wǎng)絡進行業(yè)務接入，同時電子處理功能模塊完成MPLS中較復雜的標記處理功能，而核心路由器利用光互聯(lián)和波長變換技術實現(xiàn)波長標記交換和上下路等比較簡單的光信號處理功能。它可以更靈活地管理和分配網(wǎng)絡資源，并能較有效地實現(xiàn)業(yè)務管理及網(wǎng)絡的保護、恢復。

5、光時分多址（OTDMA）技術：該技術是在同一光載波波長上，把時間分割成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙（無論幀或時隙都是互不重疊的），然后根據(jù)一定的時隙分配原則，使每個光網(wǎng)絡單元（ONU）在每幀內(nèi)只按指定的時隙發(fā)送信號，然后利用全光時分復用方法在光功率分配器中合成一路光時分脈沖信號，再經(jīng)全光放大器放大后送入光纖中傳輸。在交換局，利用全光時分分解復用。為了實現(xiàn)準確，可靠的光時分多址通信，避免各ONU向上游發(fā)送的碼流在光功率分配器合路時可能發(fā)生碰撞，光交換局必須測定它與各ONU的距離，井在下行信號中規(guī)定光網(wǎng)絡單元（ONU）的嚴格發(fā)送定時。

6、光突發(fā)數(shù)據(jù)交換技術：該技術是針對目前光信號處理技術尚未足夠成熟而提出的，在這種技術中有兩種光分組技術：包含路由信息的控制分組技術和承載業(yè)務的數(shù)據(jù)分組技術?？刂品纸M技術中的控制信息要通過路由器的電子處理，而數(shù)據(jù)分組技術不需光電/電光轉(zhuǎn)換和電子路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，直接在端到端的透明傳輸信道中傳輸。

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

8、光轉(zhuǎn)發(fā)技術：在全光通信系統(tǒng)中，對光信號的波長、色散和功率等都有特殊的要求，為了滿足ITU-T標準規(guī)范，必須采用光-電-光的光轉(zhuǎn)發(fā)技術對輸入的信號光進行規(guī)范，同時采用外調(diào)制技術克服長途傳輸系統(tǒng)中色散的影響。光纖傳輸系統(tǒng)所用的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要有直接調(diào)制的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊和外調(diào)制的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊兩種。外調(diào)制的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊包括電吸收（EA）調(diào)制和LiNbO3調(diào)制等。在光纖傳輸系統(tǒng)中，選用那種光發(fā)模塊要根據(jù)實際傳輸距離和光纖的色散情況而定。在全光通信系統(tǒng)中，可以采用多種調(diào)制類型的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊，色散容限有1800/4000/7200/12800ps/nm等諸多選擇，滿足不同的傳輸距離的需求，為用戶提供從1km至640km各種傳輸距離的最佳性能價格比解決方案，并且光轉(zhuǎn)發(fā)單元發(fā)射部分的波長穩(wěn)定度在0~60°C范圍內(nèi)小于±3GHz。

9、副載波多址（SCMA）技術：該技術的基本原理是將多路基帶控制信號調(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復用后再去調(diào)制一個光載波。在ONU端進行二次解調(diào)，首先利用光探測器從光信號中得到多路射頻信號，并從中選出該單元需要接收的控制信號，再用電子學的方法從射頻波中恢復出基帶控制信號。在控制信道上使用SCMA接入，不僅可降低網(wǎng)絡成本，還可解決控制信道的競爭。

10、空分光交換技術：該技術的基本原理是將光交換元件組成門陣列開關，并適當控制門陣列開關，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械型、光電轉(zhuǎn)換型、復合波導型、全反射型和激光二極管門開關等，如耦合波導型交換元件鑰酸鉀，它是一種電光材料，具有折射率隨外界電場的變化而發(fā)生變化的光學特性。以鈮酸鉀為基片，在基片上進行鈦擴散，以形成折射率逐漸增加的光波導，即光通路，再焊上電極后即可將它作為光交換元件使用。當將兩條很接近的波導進行適當?shù)膹秃?，通過這兩條波導的光束將發(fā)生能量交換。能量交換的強弱隨復合系數(shù)。平行波導的長度和兩波導之間的相位差變化，只要所選取的參數(shù)適當，光束就在波導上完全交錯，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)。

11、光放大技術：為了克服光纖傳輸中的損耗，每傳輸一段距離，都要對信號進行電的“再生”。隨著傳輸碼率的提高，“再生”的難度也隨之提高，成了信號傳輸容量擴大的“瓶頸”。于是一種新型的光放大技術就出現(xiàn)了，例如摻鉺光纖放大器的實用化實現(xiàn)了直接光放大，節(jié)省了大量的再生中繼器，使得傳輸中的光纖損耗不再成為主要問題，同時使傳輸鏈路“透明化”，簡化了系統(tǒng)，成幾倍或幾十倍地擴大了傳輸容量，促進了真正意義上的密集波分復用技術的飛速發(fā)展，是光纖通訊領域上的一次革命。

12、時分光交換技術：該技術的原理與現(xiàn)行的電子程控交換中的時分交換系統(tǒng)完全相同，因此它能與采用全光時分多路復用方法的光傳輸系統(tǒng)匹配。在這種技術下，可以時分復用各個光器件，能夠減少硬件設備，構(gòu)成大容量的光交換機。該技術組成的通信技術網(wǎng)由時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，而在時分型光交換模塊中則需要有光存儲器（如光纖延遲存儲器、雙穩(wěn)態(tài)激光二極管存儲器）、光選通器（如定向復合型陣列開關）以進行相應的交換。

13、無源光網(wǎng)技術（PON）：無源光網(wǎng)技術多用于接入網(wǎng)部分。它以點對多點方式為光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡單元（ONU）P這間提供光傳輸媒質(zhì)，而這又必須使用多址接入技術。目前使用中的有時分多址接入（TDMA）、波分復用（WDM）、副載波多址接入（SCMA）3種方式。PON中使用的無源光器件有光纖光纜、光纖接頭、光連接器、光分路器、波分復用器和光衰減器。拓撲結(jié)構(gòu)可采用總線形、星形、樹形等多種結(jié)構(gòu)。

全光通信網(wǎng)這種網(wǎng)絡內(nèi)部是透明的光網(wǎng)絡,能容納多種業(yè)務格式。網(wǎng)絡節(jié)點可以通過選擇合適的波長進行透明的發(fā)送或接收。通過對光交叉連接(OXC)的適當配置,可以進一步擴展透明光傳輸?shù)木嚯x。在全光網(wǎng)的外部還有一個通用網(wǎng)絡控制部分,用來實現(xiàn)網(wǎng)絡的重構(gòu),使得波長和容量能在整個網(wǎng)絡內(nèi)進行動態(tài)分配,以適應通信和業(yè)務性能不斷變化的需要。

按照分層的概念,全光網(wǎng)絡一般由業(yè)務層、適配層和光層組成。而光傳輸網(wǎng)又可以垂直劃分為3個獨立的網(wǎng)絡層,即光通路層、光復用段層和光傳輸段層。光通路層為透明傳輸各種不同格式的客戶層信號的光通路提供端到端的聯(lián)網(wǎng)功能;光復用段層為多波長光信號提供聯(lián)網(wǎng)功能;光傳輸段層為光信號提供在各種不同類型的光傳輸媒質(zhì)中傳輸?shù)墓δ?。整個光傳輸網(wǎng)由光纖構(gòu)成的物理媒質(zhì)層所支持。

全光網(wǎng)絡由于從端到端采用透明的光通路連接,因而具有結(jié)構(gòu)簡單、便于維護、可靠性高以及具有網(wǎng)絡可擴展性等優(yōu)點;它以波長選擇路由,對傳輸碼率、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)議的業(yè)務。此外,由于它能根據(jù)業(yè)務量需求的變化改變網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),具有網(wǎng)絡的可重組性,因而有利于網(wǎng)絡資源的充分利用。