全光通信技術(shù)發(fā)展與未來展望

全光通信技術(shù)發(fā)展與未來展望全光通信系統(tǒng)發(fā)展歷史第一代：20世紀(jì)90年代以前，光纖通信系統(tǒng)主要采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，傳輸體制最初采用準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)（主要是以模擬信號(hào)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(luò)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(luò)(SONET）（以數(shù)字處理代替模擬處理），可以稱為光電混合網(wǎng)絡(luò)，其傳輸在光域?qū)崿F(xiàn)，但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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。電子瓶頸的來源1）在點(diǎn)-點(diǎn)光纖傳輸中，線路中的光-電，電-光的轉(zhuǎn)換中電子轉(zhuǎn)換設(shè)備的障礙。2）通行網(wǎng)中信號(hào)的處理、儲(chǔ)存、交換，以及多路復(fù)用-分接、進(jìn)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(yīng)高速、大容量的需求上存在諸多缺點(diǎn)，如帶寬限制、時(shí)鐘偏移、嚴(yán)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。第三代網(wǎng)絡(luò)必將是全光網(wǎng)絡(luò)。所謂全光網(wǎng)絡(luò)，是指信號(hào)只是在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)才進(jìn)行電／光和光／電的變換，而在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和交換的過程中始終以光的形式存在?，F(xiàn)代光纖系統(tǒng)通信圖全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信圖3．全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)

要在全光網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(fù)用/去復(fù)用技術(shù)等技術(shù)。3.1全光交換技術(shù)

現(xiàn)代通信網(wǎng)中，密集波分復(fù)用（DWDM）光傳送網(wǎng)絡(luò)充分利用光纖的巨大帶寬資源來滿足各種通信業(yè)務(wù)爆炸式增長的需要。然而，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸與交換仍然采用如IPoverATM、IPoverSDH等多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案，不僅開銷巨大，而且必須在中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，無法充分利用底層DWDM帶寬資源和強(qiáng)大的波長路由能力。為了克服光網(wǎng)絡(luò)中的電子瓶頸，具有高度生存性的全光網(wǎng)絡(luò)成為寬帶通信網(wǎng)未來發(fā)展目標(biāo)。而光交換技術(shù)作為全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個(gè)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。光交換系統(tǒng)全光光交交換換技技術(shù)術(shù)的的分分類類光交交換換技技術(shù)術(shù)可可分分成成光光的的電路路交交換換（（OCS））和光分分組組交交換換（（OPS））兩種種主主要要類類型型。。光光的的電電路路交交換換類類似似于于現(xiàn)現(xiàn)存存的的電電路路交交換換技技術(shù)術(shù)，，采采用用OXC、、OADM等等光光器器件件設(shè)設(shè)置置光光通通路路，，中中間間節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)不不需需要要使使用用光光緩緩存存，，目目前前對(duì)對(duì)OCS的的研研究究已已經(jīng)經(jīng)較較為為成成熟熟。。根根據(jù)據(jù)交交換換對(duì)對(duì)象象的的不不同同OCS又可可以以分分為為：：光時(shí)時(shí)分分交交換換技技術(shù)術(shù)、、光光波波分分交交換換技技術(shù)術(shù)、、光光空空分分交交換換技技術(shù)術(shù)、、光光碼碼分分交交換換技技術(shù)術(shù)。1））光時(shí)時(shí)分分交交換換技技術(shù)術(shù)，時(shí)時(shí)分分復(fù)復(fù)用用是是通通信信網(wǎng)網(wǎng)中中普普遍遍采采用用的的一一種種復(fù)復(fù)用用方方式式，，時(shí)時(shí)分分光光交交換換就就是是在在時(shí)時(shí)間間軸軸上上將將復(fù)復(fù)用用的的光光信信號(hào)號(hào)的的時(shí)時(shí)間間位位置置t1轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成另另一一個(gè)個(gè)時(shí)時(shí)間間位位置置t22））光波波分分交交換換技技術(shù)術(shù)，是是指指光光信信號(hào)號(hào)在在網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)中中不不經(jīng)經(jīng)過過光光/電電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換，，直直接接將將所所攜攜帶帶的的信信息息從從一一個(gè)個(gè)波波長長轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移到到另另一一個(gè)個(gè)波波長長上上。。3））光空空分分交交換換技技術(shù)術(shù)，即即根根據(jù)據(jù)需需要要在在兩兩個(gè)個(gè)或或多多個(gè)個(gè)點(diǎn)點(diǎn)之之間間建建立立物物理理通通道道，，這這個(gè)個(gè)通通道道可可以以是是光光波波導(dǎo)導(dǎo)也也可可以以是是自自由由空空間間的的波波束束，，信信息息交交換換通通過過改改變變傳傳輸輸路路徑徑來來完完成成4））光碼碼分分交交換換技技術(shù)術(shù)，光光碼碼分分復(fù)復(fù)用用（（OCDMA））是是一一種種擴(kuò)擴(kuò)頻頻通通信信技技術(shù)術(shù)，，不不同同戶戶的的信信號(hào)號(hào)用用互互成成正正交交的的不不同同碼碼序序列列填填充充，，接接受受時(shí)時(shí)只只要要用用與與發(fā)發(fā)送送方方相相同同的的法法序序列列進(jìn)進(jìn)行行相相關(guān)關(guān)接接受受，，即即可可恢恢復(fù)復(fù)原原用用戶戶信信息息。。光光碼碼分分交交換換的的原原理理就就是是將將某某個(gè)個(gè)正正交交碼碼上上的的光光信信號(hào)號(hào)交交換換到到另另一一個(gè)個(gè)正正交交碼碼上上，，實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)不不同同碼碼子子之之間間的的交交換換。。光分分組組交交換換未來來的的光光網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)要要求求支支持持多多粒粒度度的的業(yè)業(yè)務(wù)務(wù)，，其其中中小小粒粒度度的的業(yè)業(yè)務(wù)務(wù)是是運(yùn)運(yùn)營營商商的的主主要要業(yè)業(yè)務(wù)務(wù)，，業(yè)業(yè)務(wù)務(wù)的的多多樣樣性性使使得得用用戶戶對(duì)對(duì)帶帶寬寬有有不不同同的的需需求求，，OCS在在光光子子層層面面的的最最小小交交換換單單元元是是整整條條波波長長通通道道上上數(shù)數(shù)Gb/s的的流流量量，，很很難難按按照照用用戶戶的的需需求求靈靈活活地地進(jìn)進(jìn)行行帶帶寬寬的的動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)分分配配和和資資源源的的統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì)復(fù)復(fù)用用，，所所以以光分分組組交交換換應(yīng)應(yīng)運(yùn)運(yùn)而而生生。光光分分組組交交換換系系統(tǒng)統(tǒng)根根據(jù)據(jù)對(duì)對(duì)控控制制包包頭頭處處理理及及交交換換粒粒度度的的不不同同，，又又可可分分為為：：光分分組組交交換換（（OPS））技技術(shù)術(shù)、、光光突突發(fā)發(fā)交交換換（（OBS））技技術(shù)術(shù)、、光光標(biāo)標(biāo)記記分分組組交交換換（（OMPLS））技技術(shù)術(shù)。。3．．3光光交交叉叉連連接接(oxc)光交交叉叉連連接接設(shè)設(shè)備備相相當(dāng)當(dāng)于于一一個(gè)個(gè)模模塊塊，，它它具具有有多多個(gè)個(gè)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的的光光纖纖接接口口，，它它可可以以把把輸輸入入端端的的任任一一光光纖纖信信號(hào)號(hào)(或或其其各各波波長長信信號(hào)號(hào))可可控控地地連連接接到到輸輸出出端端的的任任一一光光纖纖(或或其其各各波波長長)中中去去，，并并且且這這一一過過程程是是完完全全在在光光域域中中進(jìn)進(jìn)行行的的。。通通過過使使用用光光交交叉叉連連接接設(shè)設(shè)備備，，可可以以有有效效地地解解決決現(xiàn)現(xiàn)有有的的數(shù)數(shù)字字交交叉叉連連接接(DXC)設(shè)設(shè)備備的的電電子子瓶瓶頸頸問問題題。。OXC的結(jié)結(jié)構(gòu)及及其工工作原原理OXC主要要由輸輸入部部分(放大大器EDFA，，解復(fù)復(fù)用DMUX)，光光交叉叉連接接部分分(關(guān)關(guān)交叉叉連接接矩陣陣)，，輸出出部分分(波波長變變換器器OYU，，均功功器，，復(fù)用用器)，控控制和和管理理部分分及其其分插插復(fù)用用這五五大部部分組組成。。假設(shè)設(shè)圖1中輸輸入輸輸出OXC設(shè)備備的光光纖數(shù)數(shù)為M，每每條光光纖復(fù)復(fù)用N個(gè)波波長。。這些些波分分復(fù)用用光信信號(hào)首首先進(jìn)進(jìn)入放放大器器EDFA放大大，然然后經(jīng)經(jīng)解復(fù)復(fù)用器器DMUX把每每一條條光纖纖中的的復(fù)用用光信信號(hào)分分解為為單波波長信信號(hào)(λ1-λλN),M條光光纖就就分解解為M*N個(gè)單單波長長光信信號(hào)。。所以以信號(hào)號(hào)通過過(M*N)*(M*N)的的光交交叉連連接矩矩陣再再控制制和管管理單單元的的操作作下進(jìn)進(jìn)行波波長配配置，，交叉叉連接接。由由于每每條光光纖不不能同同時(shí)傳傳輸兩兩個(gè)相相同波波長的的信號(hào)號(hào)(即即波長長爭用用)，，所以以為了了防止止出現(xiàn)現(xiàn)這種種情況況，實(shí)實(shí)現(xiàn)無無阻塞塞交叉叉連接接，在在連接接矩陣陣的輸輸出端端每波波長通通道光光信號(hào)號(hào)還需需要經(jīng)經(jīng)過波波長變變換器器OTU進(jìn)進(jìn)行波波長變變換。。然后后再進(jìn)進(jìn)入均均功器器把各各波長長通道道的光光信號(hào)號(hào)功率率控制制在可可允許許的范范圍內(nèi)內(nèi)，防防止非非均衡衡增益益經(jīng)EDFA放放大導(dǎo)導(dǎo)致比比較嚴(yán)嚴(yán)重的的非線線性效效應(yīng)。。最后后光信信號(hào)經(jīng)經(jīng)復(fù)用用器MUX把相相應(yīng)的的波長長復(fù)用用到同同一光光纖中中，經(jīng)經(jīng)EDFA放大大到線線路所所需的的功率率完成成信號(hào)號(hào)的匯匯接。。3．4全光光中繼繼任何光光纖通通信系系統(tǒng)的的傳輸輸距離離都受受到損損耗和和色散散的限限制，，損耗耗導(dǎo)致致光信信號(hào)能能量的的降低低，而而色散散則使使光脈脈沖發(fā)發(fā)生展展寬。。在長長距離離光纖纖傳輸輸系統(tǒng)統(tǒng)中，，當(dāng)光光纖傳傳輸一一段距距離后后，必必須利利用中中繼器器對(duì)已已衰減減和失失真的的光信信號(hào)進(jìn)進(jìn)行處處理和和放大大。傳傳統(tǒng)的的光纖纖通信信系統(tǒng)統(tǒng)采用用的是是光電電中繼繼的方方式，，但在在多信信道復(fù)復(fù)用系系統(tǒng)中中變得得十分分復(fù)雜雜而昂昂貴。。因而而在損損耗限限制系系統(tǒng)中中，采采用光光放大大器直直接對(duì)對(duì)光信信號(hào)進(jìn)進(jìn)行放放大，，可以以節(jié)省省成本本，同同時(shí)也也為實(shí)實(shí)現(xiàn)全全光通通信打打下了了基礎(chǔ)礎(chǔ)。目前，，已實(shí)實(shí)現(xiàn)的的光放放大器器包括括半導(dǎo)導(dǎo)體激激光放放大器器、非非線性性光纖纖放大大器和和摻餌餌光纖纖放大大器（（EDFA），，其中中應(yīng)用用最廣廣泛的的是摻摻鉺光光纖放放大器器。摻餌光光纖放放大器器（EDFA））在光纖纖通信信中采采用WDM技術(shù)術(shù)能實(shí)實(shí)現(xiàn)超超大容容量、、超高高速的的光傳傳輸。。而EDFA的的商用用可以以使全全光中中繼成成為現(xiàn)現(xiàn)實(shí)。。EDFA是1980年年代末末發(fā)展展起來的一一種新新型光光放大大器件件，它它具有有高增增益、、低噪噪聲、、寬頻頻帶，，以及及對(duì)數(shù)數(shù)據(jù)速速率與與格式式透明明等特特點(diǎn)。。它可可以對(duì)對(duì)波長長在1530～1575mm的的光信信號(hào)同同時(shí)放放大。。在1550mm波段段，EDFA的的放大大增益益可達(dá)達(dá)30-40dB。EDFA不不但結(jié)結(jié)構(gòu)簡簡單，，與光光纖耦耦合方方便，，而且且連接接損耗耗小。。EDFA可用用于100個(gè)信信道以以上的的密集集波分分復(fù)用用傳輸輸系統(tǒng)統(tǒng)、接接入網(wǎng)網(wǎng)中的的光圖圖像信信號(hào)分分配系系統(tǒng)、、空間間光通通信，，以及及用于于研究究非線線性現(xiàn)現(xiàn)象等等。EDFA是是目前前光放放大技技術(shù)的的主流流，它它能簡簡化系系統(tǒng)，，降低低傳輸輸成本本，增增加中中繼距距離，，提高高光信信號(hào)傳傳輸?shù)牡耐该髅餍裕?，是?shí)實(shí)現(xiàn)全全光網(wǎng)網(wǎng)的關(guān)關(guān)鍵器器件。。3.5全光光信息息再生生技術(shù)術(shù)。在光纖纖通信信中，，光纖的的損耗耗和色散嚴(yán)重影影響通通信質(zhì)質(zhì)量，，損耗耗導(dǎo)致致光信信號(hào)的的幅度度隨傳傳輸距距離按按指數(shù)數(shù)規(guī)律律衰減減，這這可以以通過過全光光放大大器來來提高高光信信號(hào)功功率。。色散散會(huì)導(dǎo)導(dǎo)致光光脈沖沖發(fā)生生展寬寬，發(fā)發(fā)生碼碼間干干擾，，使系系統(tǒng)的的誤碼碼率增增大，，嚴(yán)重重影響響了通通信質(zhì)質(zhì)量。。因此此，必必須采采取措措施對(duì)對(duì)光信信號(hào)進(jìn)進(jìn)行再再生。。目前前，對(duì)對(duì)光信信號(hào)的的再生生都是是利用用光電電中繼繼器，，即光光信號(hào)號(hào)首先先由光光電二二極管管轉(zhuǎn)變變?yōu)殡婋娦盘?hào)號(hào)，經(jīng)經(jīng)電路路整形形放大大后，，再重重新驅(qū)驅(qū)動(dòng)一個(gè)光光源，，從而而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)光信信號(hào)的的再生生。這這種光光電中中繼器器具有有裝置置復(fù)雜雜、體體積大大、耗耗能多多的缺缺點(diǎn)。。而最最近，，出現(xiàn)現(xiàn)了全全光信信息再再生技技術(shù)，，即在在光纖纖鏈路路上每每隔幾幾個(gè)放放大器器的距距離接接人一一個(gè)光光調(diào)制制器和和濾波波器，，從鏈鏈路傳傳輸?shù)牡墓庑判盘?hào)中中提取取同步步時(shí)鐘鐘信號(hào)號(hào)輸入入到光光調(diào)制制器中中，對(duì)對(duì)光信信號(hào)進(jìn)進(jìn)行周周期性性同步步調(diào)制制，使使光脈脈沖變變窄、、頻譜譜展寬寬、頻頻率漂漂移和和系統(tǒng)統(tǒng)噪聲聲降低低，光光脈沖沖位置置得到到校準(zhǔn)準(zhǔn)和重重新定定時(shí)。。全光光信息息再生生技術(shù)術(shù)不僅僅能從從根本本上消消除色色散等等不利利因素素的影影響，，而且且克服服了光光電中中繼器器的缺缺點(diǎn)，，成為為全光光信息息處理理的基基礎(chǔ)技技術(shù)之之一。。3．5光光復(fù)用用/去去復(fù)用用技術(shù)術(shù)。為了進(jìn)進(jìn)一步步提高高光通通信的的傳輸輸效率率可以以采用用光復(fù)復(fù)用技技術(shù)。。所謂謂光復(fù)復(fù)用，，是在在光域域上進(jìn)進(jìn)行時(shí)時(shí)分復(fù)復(fù)用、、頻分分復(fù)用用和波波分復(fù)復(fù)用復(fù)用技技術(shù)被被認(rèn)為為是擴(kuò)擴(kuò)展現(xiàn)現(xiàn)存光光纖網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)工工程容容量的的主要要手段段。復(fù)復(fù)用技技術(shù)主主要包包括時(shí)分復(fù)復(fù)用TDM（TimeDivisionMultiplexing））技術(shù)術(shù)、空分復(fù)復(fù)用SDM（SpaceDivisionMultiplexing）技技術(shù)、、波分復(fù)復(fù)用WDM（WaveLengthDivisionMultiplexing））技術(shù)術(shù)和頻分復(fù)復(fù)用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）技技術(shù)。。但是是，因因?yàn)镕DM和WDM一般般認(rèn)為為并沒沒有本本質(zhì)上上的區(qū)區(qū)別，，所以以可以以認(rèn)為為波分分復(fù)用用是““粗分分”，，而頻頻分復(fù)復(fù)用是是“細(xì)細(xì)分””，從從而把把兩者者歸入入一類類。下下面主主要討討論空空分復(fù)復(fù)用（（SDM））、時(shí)時(shí)分復(fù)復(fù)用（（TDM））、波波分復(fù)復(fù)用（（WDM））、稀稀疏波波分復(fù)復(fù)用(CWDM)、、光分分插復(fù)復(fù)用（（OADM）復(fù)復(fù)用方方式。。4.全光通信發(fā)發(fā)展中的限限制（1）目前前在線的光光放大主要要是EDFA，已經(jīng)經(jīng)有了商用用產(chǎn)品，但但是其帶寬是有限限的，一般在在1530和1560nm之之間，大約約30nm左右，這這就使得可可用的波長長資源受到到了限制，，而且EDFA本身身還存在著著因增益不不平坦和交交叉飽和帶帶來的級(jí)聯(lián)聯(lián)受限問題題，將限制制可容納的的波長數(shù)。。（2）WDM的交換節(jié)點(diǎn)（OXC、、OADM)將使串?dāng)_變得更更加嚴(yán)重。在全光網(wǎng)網(wǎng)的交換節(jié)節(jié)點(diǎn)中，因因?yàn)榇嬖谥罅康墓夤忾_關(guān)、濾濾波器，每每個(gè)都會(huì)導(dǎo)