全光通信

　　全光通信是指用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部采用光波技術，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸過程都在光域內進行，而且其在各網(wǎng)絡節(jié)點的交換則使用高可靠、大容量和高度靈活的光交叉連接設備（oxc）。在全光網(wǎng)絡中，由于無需電信號的處理，所以允許存在不同的協(xié)議和編碼，使信息傳輸具有透明性。它同SDH傳送網(wǎng)一樣，滿足傳送網(wǎng)通信模型，遵循—般傳送網(wǎng)的組織原理、功能結構的建模和信息定義，采用了相似的描述方式。因此，很多SDH傳送網(wǎng)的功能和體系構想都可以用于全光通信網(wǎng)。

1技術背景

　　隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對信息的需求急劇增加，信息量呈指數(shù)增長，僅Internet用戶需要傳送的信息比特速率每年就增加8倍。通信業(yè)務需求的迅速增長對通信容量提出越來越高的要求。

　　光纖近30THz的巨大潛在帶寬容量，使光纖通信成為支撐通信業(yè)務量增長最重要的技術。現(xiàn)階段采用時分復用單波長的光纖傳輸系統(tǒng)容量已達10Gbit/s，再提高系統(tǒng)速率就會產(chǎn)生技術和經(jīng)濟上的問題。人們普遍認為波分復用是充分利用光纖低損耗區(qū)30THz帶寬的一種可行技術，可以打破單個波長系統(tǒng)帶寬的限制，是提高光纖容量的一種有效途徑。

　　但是光纖傳輸系統(tǒng)速率的提高也帶來了一個新的問題。在這種高速傳輸?shù)木W(wǎng)絡中，如果網(wǎng)絡節(jié)點處仍以電信號處理信息的速度進行交換，就會受到所謂“電子瓶頸”（10Gbps）的限制，節(jié)點將變得龐大而復雜，超高速傳輸所帶來的經(jīng)濟效益將被昂貴的光/電和電/光轉換費用所抵消。為了解決這一問題，人們提出了全光網(wǎng)AON（All Optical Network）的概念。

2系統(tǒng)概述

　　全光通信網(wǎng)，又稱寬帶高速光聯(lián)網(wǎng)，它以波長路由光交換技術和波分復用傳輸技術為基礎，在光域上實現(xiàn)信息的高速傳輸和交換，數(shù)據(jù)信號從源節(jié)點到目的節(jié)點的整個傳輸過程中始終使用光信號，在各節(jié)點處無光/電、電/光轉換。全光網(wǎng)，從原理上講就是網(wǎng)中直到端用戶節(jié)點之間的信號通道仍然保持著光的形式，即端到端的全光路，中間沒有光電轉換器。這樣，網(wǎng)內光信號的流動就沒有光電轉換的障礙，信息傳遞過程無需面對電子器件處理信息速率難以提高的困難。

　　全光通信網(wǎng)技術是光纖通訊領域的前沿技術，是21世紀真正的高速公路。許多國家都把全光網(wǎng)作為建設“信息高速公路”的基礎，將其提升到戰(zhàn)略地位的高度。

3技術優(yōu)勢

　　全光通信網(wǎng)與現(xiàn)有光纖網(wǎng)的區(qū)別之一在于其波長路由，通過波長選擇性器件實現(xiàn)路由選擇。其二是信號傳輸無電中繼，具有信號透明性，即數(shù)據(jù)速率透明和信號格式透明。另外全光網(wǎng)還具有可擴展性、可重構性和可操作性。具備以往通信網(wǎng)和現(xiàn)行光通信系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點：

　　1．簡單可靠。全光網(wǎng)結構簡單，端到端采用透明光通路連接，沿途沒有光電轉換與存儲，網(wǎng)中許多光器件都是無源的，便于維護、可靠性高。

　　2．可擴展性好。加入新的網(wǎng)絡節(jié)點時，不影響原有的網(wǎng)絡結構和設備，降低成本，具有網(wǎng)絡可擴展性。

　　3．透明傳輸。全光網(wǎng)以波長選擇路由，對傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式及調制方式均具有透明性，可提供多種協(xié)議業(yè)務，可不受限制地提供端到端業(yè)務。

　　4．靈活重組。可根據(jù)通信業(yè)務量的需求，動態(tài)地改變網(wǎng)絡結構，充分利用網(wǎng)絡資源，具有網(wǎng)絡可重組性。

　　5．快速恢復。實現(xiàn)快速網(wǎng)絡恢復，恢復時間可達100ms，對絕大多數(shù)業(yè)務無損傷。

　　6．提供多種業(yè)務。全光網(wǎng)提供多種寬帶信息業(yè)務，包括數(shù)據(jù)、音頻和視頻通信，可以把全光網(wǎng)支持的業(yè)務及應用分為3類：

　　傳統(tǒng)數(shù)字信號業(yè)務，其數(shù)據(jù)速率范圍從低速Kbps至高速Gpbs，如異步傳送模式（ATM）、局域網(wǎng)的互連、多路數(shù)字電話、以太網(wǎng)等。

　　模擬信號業(yè)務，如有線電視（CATV）節(jié)目的多路傳送。

　　用戶需要光接口業(yè)務，高速數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務，包括視頻工作站、大規(guī)模數(shù)據(jù)庫和多路高清晰度電視等，這將是全光網(wǎng)業(yè)務的主流。

4主要特點

　　全光通信是用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部采用光波技術，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸過程都在光域內進行，而其在各網(wǎng)絡節(jié)點的交換則采用全光網(wǎng)絡交換技術。全光通信與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡與現(xiàn)有的光纖通信系統(tǒng)相比，具有其獨具的特點：

　?。?）全光通信是歷史發(fā)展的必然。電子交換機代替了模擬傳輸，在數(shù)字傳輸之后，引入了數(shù)字交換。采用光傳輸技術是歷史的螺旋上升，光網(wǎng)絡是下一步必然的發(fā)展對象。

　　（2）降低成本。在采用電子交換及光傳輸?shù)捏w系中，光/電及電/光轉換的接口是必要的，如果整個采用光技術可以避免這些昂貴的光電轉換器材。而且，在全光通信中，大多采用無源光學器件，從而降低了成本和功耗。

　　（3）解決了“電子瓶頸”問題。在光纖系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)容量提高的關鍵因素是電子器件速率的限制，如電子交換速率大概為每秒幾百兆位，而只在大規(guī)模圖像傳輸研究領域達Tbit/s的速率。CMOS技術及ECL技術的交換機系統(tǒng)可以達到Gbii/s范圍，不久的將來，采用砷化鑄技術可使速率達到幾十個Gbit/s以上，但是電子交換的速率也似乎達到了極限。為此，網(wǎng)絡需要更高的速度則應采用光交換與光傳輸相結合的全光通信。

　　總之，“全光通信”是一種無須進行任何光電變化的全新光波通信。在全光通信系統(tǒng)中，圖像和話音信息直接變換為光信號，并在傳輸媒體中傳輸。在攝像光學系統(tǒng)、光纖系統(tǒng)和接收放大系統(tǒng)組成的全光通信系統(tǒng)中，由于不要求光電變換，所以沒有任何電子元件，信號失真小，能夠在100°C以上的高溫環(huán)境中連續(xù)工作，是理想的通信方式。

5網(wǎng)絡結構

　　全光通信網(wǎng)絡的結構分為服務層（Service layer）和傳送層（Transport layer），網(wǎng)絡傳送層分為SDH層、ATM層和光傳送層。光傳送層由光分插復用器（OADM）和光交叉連接（OXC）組成。在光傳送層，通過迂回路由波長（Rerouting wavelength），在網(wǎng)絡中形成大帶寬的重新分配。在光纜斷開時，光傳送層起網(wǎng)絡恢復（Restoration）的作用。在遠端，光纖環(huán)中的光分插復用器OADM插入/分離所確定的波長通道至ATM復用器，而OXC則連接兩個光WDM環(huán)路到ATM交換機。

　　利用波分復用技術的全光網(wǎng)將采用三級體系結構。0級（最低一級）是眾多單位各自擁有的局域網(wǎng)（LAN），它們各自連接若干用戶的光終端（OT）。每個0級網(wǎng)的內部使用一套波長，但各個0級網(wǎng)多數(shù)也可重復使用同一套波長，1級可看作許多城域網(wǎng)（MAN），它們各自設置波長路由器連接若干個0級網(wǎng)。2級可以看作全國或國際的骨干網(wǎng)，它們利用波長轉換器或交換機連接所有的1級網(wǎng)。

6關鍵技術

　　為了實現(xiàn)準確、有效、可靠的全光通信，應采用以下關鍵技術：

　　光多址技術

　　光多址技術是光纖通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。選用哪一種光多址方式直接影響到系統(tǒng)的頻譜利用率、系統(tǒng)容量、設備的復雜度及成本等。光多址方式主要有3種：光波分多址、光時分多址、副載波多址。

　　（1）光波分多址(WDMA)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。

　　WDMA的研究比較廣泛，已提出了兩種WDMA網(wǎng)絡：單轉發(fā)網(wǎng)絡和多轉發(fā)網(wǎng)絡。前者有：

　?、買BM BAINBOW的單轉發(fā)副載波控制的WDMA網(wǎng)絡，即在每一個節(jié)點上只需一個激光器，并在控制信道上采用副載波多址接入（SCMA）來解決控制信道競爭問題；

　　②具有低功耗，樹型或多星型結構的無源光波分多址網(wǎng)絡等；后者包括：具有多種可能配置的Gemnet網(wǎng)絡，具有KAVTE拓撲結構的多轉發(fā)網(wǎng)絡、基于超圖理論的超圖網(wǎng)絡及由斯坦福大學光通信實驗室開發(fā)的Starnet網(wǎng)絡。

　　（2）副載波多址（SCMA）多用于光交換局到不同ONU的控制信號的傳送。其基本原理是將多路基帶控制信號調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制一個光載波。在ONU端進行二次解調，首先利用光探測器從光信號中得到多路射頻信號，并多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SGMA接入，不僅可降低網(wǎng)絡成本，還可解決控制信道的競爭。

　?。?）光時分多址（OTDM）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ONU在每幀內只按指定的時隙發(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，并在下行信號中規(guī)定ONU的嚴格發(fā)送定時。

　　除以上多址技術以外，隨著光纖通信技術的發(fā)展，還會出現(xiàn)其他的多址方式，如利用不同的代碼序列來區(qū)分各ONU的光碼分多址，利用不同的光纖或將光纖中的光速沿空間分割給不同的ONU來實現(xiàn)通信的空分多址方式等。當然，其中也包括上述多址方式的混合多址方式，如將光時分多址與光波分多址相結合，可進一步提高系統(tǒng)容量。

　　全光信息再生技術

　　在光纖通信中，光纖的損耗和色散嚴重影響通信質量。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，嚴重影響了通信質量。因此，必須采取措施對光信號進行再生。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變?yōu)殡娦盘?，?jīng)電路整形放大后，再重新驅動一個光源，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。出現(xiàn)了全光信息再生技術后，即在光纖鏈路上每隔幾個放大器的距離接入一個光調制器和濾波器，從鏈路傳輸?shù)墓庑盘栔刑崛⊥綍r鐘信號輸入到光調制器中，對光信號進行周期性同步調制，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。

　　網(wǎng)絡管理控制

　　為了充分發(fā)揮光通信的優(yōu)勢，必須研究開發(fā)行之有效的網(wǎng)絡管理控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡的配置管理、信道的分配管理、管理控制協(xié)議、網(wǎng)絡的性能測試等都是網(wǎng)絡管理方面需要解決的技術。由于全光網(wǎng)絡采用了先進的多址技術，因此如何根據(jù)當前的業(yè)務負載及信道的使用情況來動態(tài)地分配信道資源，對于全光網(wǎng)絡尤為重要。只有高效地分配信道，才可使系統(tǒng)達到最大容量和最佳通信質量。[3]

　　光交換網(wǎng)絡技術

　　光交換是指光纖傳送的信息直接進行交換。與電子數(shù)字程控交換相比，光交換無需在光纖傳輸線路和交換機這間設置光端機進行光/電、電/光變換，并且在交換過程中還能充分發(fā)揮光信號的高速、寬帶和無電磁感應的優(yōu)點。光交換技術作為全新的交換技術，與光纖傳輸技術相融合可形成全光通信網(wǎng)絡，從而將通信網(wǎng)和廣播網(wǎng)綜合在一個網(wǎng)中，成為通信的未來發(fā)展方向。它主要有5種交換方式：空分光交換、時分光交換、波分光交換、復合型光交換及自由空間光交換。

　　（1）空分光交換是指空間劃分的交換。其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成通路。因其交換元件的不同可分為機械型、光電轉換型、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鈮酸鋰，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。以鈮酸鋰為基片，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速將發(fā)生能量交換。能量交換的強弱隨復全系數(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，光速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)。

　　時分光交換方式的原理與現(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。在這種方式下，可以時分復用各個光器件，能夠減少硬件設備，構成大容量的光交換機。

　?。?）時分光交換網(wǎng)由時分型交換模塊和空分型交換模塊構成。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（如定向復合陣列開關）以進行相應的交換。

　?。?）波分光交換方式能充分利用光跌的寬帶特性，可以獲得以電子線路所不能實現(xiàn)的波分型交換網(wǎng)。可調波長濾波器和波長變換器是實現(xiàn)波分交換的基本元件，前者的作用是從輸入的多路波分光信號中選出所需波長的光信號，后者則將可變波長濾波器選出的光信號變換成適當?shù)牟ㄩL后輸出。這可以通過DFB（分布反饋型）和DBR（分布DBR反射）型的半導體激光器來實現(xiàn)。

　?。?）復合型光交換是指在一個交換網(wǎng)絡中同時應用兩種以上的光交換方式。例如，在波分技術的基礎上設計大規(guī)模交換網(wǎng)絡的一種方法是進行多極鏈路連接，鏈路連接在各級內均采用波分交換技術。因這種方法需要把多路信號分路接入鏈路，故抵消了波分復用的優(yōu)點。解決這個問題的措施是在鏈路上利用波分復用方法，實現(xiàn)多路化鏈路的連接，空分-波分復全型光交換系統(tǒng)就是復合型光交換技術的一個應用。除此之外，還可將波分和時分技術結合起來得到另一種極有前途的復合型光交換，其復用度是時分多路復用度與波分多路復用度的和乘積。如它們的復用度分別為16，則可實現(xiàn)256路的時分----波分復合型交換。

　?。?）自由空間光交換可以看作是一種空分交換，然而這種交換方式在空分復用方面具有顯著的特點，尤其是它在1mm范圍內具有高達10um量級的分辯率，因此自由空間光交換方式被認為是一種新型交換技術。

　　除以上必須采取的關鍵技術外，為了進一步提高全光通信的系統(tǒng)容量及獲得最大的傳輸距離，還可采用非線性（光孤子）傳輸技術、變換極限超短光脈沖的產(chǎn)生等技術。