全光通信技術(shù)發(fā)展與未來展望

1、全光通信技術(shù)發(fā)展與未來展望1全光通信系統(tǒng)發(fā)展歷史第一代：20世紀90年代以前，光纖通信系統(tǒng)主要采用點對點的傳輸，傳輸體制最初采用準同步數(shù)字體系(PDH)（主要是以模擬信號的傳輸） 第二代：自90年代初就逐漸被同步數(shù)字體系(SDH)所取代，SDH是基于網(wǎng)絡的傳送體制。采用SDH體制的光纖通訊網(wǎng)又稱為同步光網(wǎng)絡(SONET）（以數(shù)字處理代替模擬處理），可以稱為光電混合網(wǎng)絡，其傳輸在光域?qū)崿F(xiàn)，但在網(wǎng)絡節(jié)點處信息的交換、數(shù)據(jù)流的分出和插入都在電域完成。其性能必然要受到電子器件處理速率的制約，這就是所謂“電子瓶頸”問題。2電子瓶頸的來源1）在點-點光纖傳輸中，線路中的光-電，電-光的轉(zhuǎn)換中電子轉(zhuǎn)換設備的

2、障礙。2）通行網(wǎng)中信號的處理、儲存、交換，以及多路復用-分接、進網(wǎng)-出網(wǎng)等功能的電子技術(shù)造成的瓶頸3），而其中的電子器件在適應高速、大容量的需求上存在諸多缺點，如帶寬限制、時鐘偏移、嚴重串話、高功耗等，由此產(chǎn)生通信網(wǎng)中的“電子瓶頸”現(xiàn)象。3第三代網(wǎng)絡必將是全光網(wǎng)絡。所謂全光網(wǎng)絡，是指信號只是在進出網(wǎng)絡時才進行電光和光電的變換，而在網(wǎng)絡中傳輸和交換的過程中始終以光的形式存在。4現(xiàn)代光纖系統(tǒng)通信圖5全光網(wǎng)絡系統(tǒng)通信圖63全光網(wǎng)絡中的關(guān)鍵技術(shù) 要在全光網(wǎng)中實現(xiàn)信號的透明性、可重構(gòu)性傳輸，必須研究全光傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。 涉及的技術(shù)有： 全光交換、光交叉連接(oxc)、全光中繼 、光復用/去復用技術(shù)等技術(shù)

3、。73.1全光交換技術(shù) 現(xiàn)代通信網(wǎng)中，密集波分復用（DWDM）光傳送網(wǎng)絡充分利用光纖的巨大帶寬資源來滿足各種通信業(yè)務爆炸式增長的需要。然而，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸與交換仍然采用如IP over ATM 、IP over SDH等多層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)方案，不僅開銷巨大，而且必須在中轉(zhuǎn)節(jié)點經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，無法充分利用底層DWDM帶寬資源和強大的波長路由能力。為了克服光網(wǎng)絡中的電子瓶頸，具有高度生存性的全光網(wǎng)絡成為寬帶通信網(wǎng)未來發(fā)展目標。而光交換技術(shù)作為全光網(wǎng)絡系統(tǒng)中的一個重要支撐技術(shù)，它的全光通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，可以這樣說光交換技術(shù)的發(fā)展在某種程度上也決定了全光通信的發(fā)展。 8光交換系統(tǒng)9全光交換技

4、術(shù)的分類 光交換技術(shù)可分成光的電路交換（OCS）和光分組交換（OPS）兩種主要類型。光的電路交換類似于現(xiàn)存的電路交換技術(shù)，采用OXC、OADM等光器件設置光通路，中間節(jié)點不需要使用光緩存，目前對OCS的研究已經(jīng)較為成熟。根據(jù)交換對象的不同OCS又可以分為：光時分交換技術(shù) 、光波分交換技術(shù)、光空分交換技術(shù)、光碼分交換技術(shù) 。101）光時分交換技術(shù)，時分復用是通信網(wǎng)中普遍采用的一種復用方式，時分光交換就是在時間軸上將復用的光信號的時間位置t1轉(zhuǎn)換成另一個時間位置t22）光波分交換技術(shù)，是指光信號在網(wǎng)絡節(jié)點中不經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換，直接將所攜帶的信息從一個波長轉(zhuǎn)移到另一個波長上。3）光空分交換技術(shù)，即根據(jù)

5、需要在兩個或多個點之間建立物理通道，這個通道可以是光波導也可以是自由空間的波束，信息交換通過改變傳輸路徑來完成4）光碼分交換技術(shù)，光碼分復用（OCDMA）是一種擴頻通信技術(shù)，不同戶的信號用互成正交的不同碼序列填充，接受時只要用與發(fā)送方相同的法序列進行相關(guān)接受，即可恢復原用戶信息。光碼分交換的原理就是將某個正交碼上的光信號交換到另一個正交碼上，實現(xiàn)不同碼子之間的交換。11光分組交換 未來的光網(wǎng)絡要求支持多粒度的業(yè)務，其中小粒度的業(yè)務是運營商的主要業(yè)務，業(yè)務的多樣性使得用戶對帶寬有不同的需求，OCS在光子層面的最小交換單元是整條波長通道上數(shù)Gb/s的流量，很難按照用戶的需求靈活地進行帶寬的動態(tài)分配

6、和資源的統(tǒng)計復用，所以光分組交換應運而生。光分組交換系統(tǒng)根據(jù)對控制包頭處理及交換粒度的不同，又可分為：光分組交換（OPS）技術(shù) 、光突發(fā)交換（OBS）技術(shù)、光標記分組交換（OMPLS）技術(shù) 。1233 光交叉連接(oxc) 光交叉連接設備相當于一個模塊，它具有多個標準的光纖接口，它可以把輸入端的任一光纖信號(或其各波長信號)可控地連接到輸出端的任一光纖(或其各波長)中去，并且這一過程是完全在光域中進行的。通過使用光交叉連接設備，可以有效地解決現(xiàn)有的數(shù)字交叉連接(DXC)設備的電子瓶頸問題。 13OXC的結(jié)構(gòu)及其工作原理 OXC主要由輸入部分(放大器EDFA，解復用DMUX)，光交叉連接部分(關(guān)

7、交叉連接矩陣)，輸出部分(波長變換器OYU，均功器，復用器)，控制和管理部分及其分插復用這五大部分組成。假設圖1中輸入輸出OXC設備的光纖數(shù)為M，每條光纖復用N個波長。這些波分復用光信號首先進入放大器EDFA放大，然后經(jīng)解復用器DMUX把每一條光纖中的復用光信號分解為單波長信號(1-N),M條光纖就分解為M*N個單波長光信號。所以信號通過(M*N)*(M*N)的光交叉連接矩陣再控制和管理單元的操作下進行波長配置，交叉連接。由于每條光纖不能同時傳輸兩個相同波長的信號(即波長爭用)，所以為了防止出現(xiàn)這種情況，實現(xiàn)無阻塞交叉連接，在連接矩陣的輸出端每波長通道光信號還需要經(jīng)過波長變換器OTU進行波長變

8、換。然后再進入均功器把各波長通道的光信號功率控制在可允許的范圍內(nèi)，防止非均衡增益經(jīng)EDFA放大導致比較嚴重的非線性效應。最后光信號經(jīng)復用器MUX把相應的波長復用到同一光纖中，經(jīng)EDFA放大到線路所需的功率完成信號的匯接。 14151634全光中繼 任何光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離都受到損耗和色散的限制，損耗導致光信號能量的降低，而色散則使光脈沖發(fā)生展寬。在長距離光纖傳輸系統(tǒng)中，當光纖傳輸一段距離后，必須利用中繼器對已衰減和失真的光信號進行處理和放大。傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)采用的是光電中繼的方式，但在多信道復用系統(tǒng)中變得十分復雜而昂貴。因而在損耗限制系統(tǒng)中，采用光放大器直接對光信號進行放大，可以節(jié)省成本，

9、同時也為實現(xiàn)全光通信打下了基礎。17 目前，已實現(xiàn)的光放大器包括半導體激光放大器、非線性光纖放大器和摻餌光纖放大器（EDFA），其中應用最廣泛的是摻鉺光纖放大器。 摻餌光纖放大器（EDFA） 在光纖通信中采用WDM技術(shù)能實現(xiàn)超大容量、超高速的光傳輸。而EDFA的商用可以使全光中繼成為現(xiàn)實。EDFA是1980年代末發(fā)展起18來的一種新型光放大器件，它具有高增益、低噪聲、寬頻帶，以及對數(shù)據(jù)速率與格式透明等特點。它可以對波長在1 5301 575 mm的光信號同時放大。在1 550mm波段，EDFA的放大增益可達30-40 dB。EDFA不但結(jié)構(gòu)簡單，與光纖耦合方便，而且連接損耗小。EDFA可用于1

10、00個信道以上的密集波分復用傳輸系統(tǒng)、接入網(wǎng)中的光圖像信號分配系統(tǒng)、空間光通信，以及用于研究非線性現(xiàn)象等。EDFA是目前光放大技術(shù)的主流，它能簡化系統(tǒng)，降低傳輸成本，增加中繼距離，提高光信號傳輸?shù)耐该餍?，是實現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵器件。193.5全光信息再生技術(shù)。在光纖通信中，光纖的損耗和色散嚴重影響通信質(zhì)量，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?，?jīng)電路整形放大后，

11、再重新驅(qū)動20一個光源，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(shù)，即在光纖鏈路上每隔幾個放大器的距離接人一個光調(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(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，成為全光信息處理的基礎技術(shù)之一。2135 光復用/去復用技術(shù)。 為了進一步提高光通信的傳輸效率可以采用光復用技術(shù)。所謂光復用，是在光域上進行時分復用、頻分復用和波分復用

12、 復用技術(shù)被認為是擴展現(xiàn)存光纖網(wǎng)絡工程容量的主要手段。復用技術(shù)主要包括時分復用TDM（Time Division Multiplexing）技術(shù)、空分復用SDM（Space Division Multiplexing）技術(shù)、波分復用WDM（WaveLength Division Multiplexing）技術(shù)和頻分復用FDM（Frequency Division Multiplexing）技術(shù)。但是，因為FDM和WDM一般認為并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，所以可以認為波分復用是“粗分”，而頻分復用是“細分”，從而把兩者歸入一類。下面主要討論空分復用（SDM）、時分復用（TDM）、波分復用（WDM）、稀疏

13、波分復用(CWDM)、光分插復用（OADM）復用方式。224. 全光通信發(fā)展中的限制（1）目前在線的光放大主要是EDFA，已經(jīng)有了商用產(chǎn)品，但是其帶寬是有限的，一般在1530和1560nm之間，大約30nm左右，這就使得可用的波長資源受到了限制，而且EDFA本身還存在著因增益不平坦和交叉飽和帶來的級聯(lián)受限問題，將限制可容納的波長數(shù)。（2）WDM 的交換節(jié)點（OXC、OADM)將使串擾變得更加嚴重。在全光網(wǎng)的交換節(jié)點中，因為存在著大量的光開關(guān)、濾波器，每個都會導致不同程度的串擾，串擾會迅速地累積起來。這些串擾可以分為兩類：不同波長串擾，如果串擾與信號的波長差別足夠大，遠大于接收機的帶寬，則接收機的輸出只是信號功率與串擾的線性和（線性串擾）；同波長串擾，如果接收機帶寬足夠大，包括了信號和部分串擾，就會導致相干串擾，相干串擾的影響遠比線性串擾嚴重。（3）全光通信中光濾波器的級聯(lián)也會導致傳輸限制。級聯(lián)濾波器系統(tǒng)的總傳輸函數(shù)是所有光濾波器的傳輸函數(shù)之積，因此總的有效帶寬將減小。而且濾波器之間，以及濾波器通帶與信號波長之間，還有可能沒有對準，這也會導致信號衰減。同時，