密集波分復(fù)用

要理解DWDM和光網(wǎng)互聯(lián)的重要性，就必須在通信產(chǎn)業(yè)、特別是服務(wù)供應(yīng)商當前面臨何種問題這一大前提下來討論DWDM技術(shù)所帶來的強大功能。在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和建設(shè)時期，工程設(shè)計人員必須對網(wǎng)絡(luò)未來的帶寬需求作出合理的估計。美國等地區(qū)鋪設(shè)的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)對帶寬的需求估計都是來源于古典的工程公式概算，比如泊松（Poisson）概率分布模型等。結(jié)果呢，網(wǎng)絡(luò)所需帶寬量的估測值通常按照某種統(tǒng)計假設(shè)條件給出，比如，一般認為個人在通常的情況下，在一個小時之內(nèi)只會使用6分鐘的網(wǎng)絡(luò)帶寬。然而，這一數(shù)學(xué)模型并沒有考慮到由于Internet接入（這一業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流量的年增長率是300%）、傳真、多條電話線路、調(diào)制解調(diào)器、電話會議、數(shù)據(jù)和視頻傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量。如果考慮到這些因素，網(wǎng)絡(luò)帶寬的用戶使用模型就和現(xiàn)有的設(shè)計初期估計大大不同了。實際上，在人們的日常生活中，許多人平均使用網(wǎng)絡(luò)帶寬的時間是180分鐘甚至超過1個小時。

顯而易見，運營商們迫切地需要大量的網(wǎng)絡(luò)容量來滿足顧客日益增長的服務(wù)需求。據(jù)估計，僅在1997年，通過一對光纜傳輸?shù)拈L途電話的帶寬容量就增加到了1.2 Gbps（百萬比特每秒）。當數(shù)據(jù)傳輸速度以Gbps單位計算的時候，每秒鐘可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸1000本圖書的信息?？墒?，假如有1百萬個家庭希望觀賞網(wǎng)站上推出的視頻節(jié)目或者使用新出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用，那么，在這一需求場合下，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率就必須達到太比特級（萬億比特每秒：Tbps）。當數(shù)據(jù)傳輸速度以Tbps單位計算的時候，在一秒鐘的瞬間之內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)就可以傳輸2000萬個并發(fā)雙工電話或者300年來出版的全部日報的數(shù)據(jù)量。

當然，網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求增長是非?？斓?。例如，有人通過研究預(yù)測：從1994年到1998年，美國長途交換網(wǎng)營運公司 （IXC）的網(wǎng)絡(luò)容量會增長7倍，而美國的本地交換網(wǎng)營運公司（LEC）的網(wǎng)絡(luò)容量會增長4倍。可事實上呢，據(jù)估計其網(wǎng)絡(luò)容量會比往年增長32倍，而另一家公司單單在1997年的網(wǎng)絡(luò)新增容量就達到了它在1991年的整個網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。還有的公司聲稱，其網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模在未來4年內(nèi)將達到每半年擴張一倍的增長速率。

除了消費者的帶寬需求爆炸性地增加以外，眾多服務(wù)供應(yīng)商還面臨著其光纜可用余量即將用盡的窘迫局面。有一份產(chǎn)業(yè)報告指出：在1995年，埋設(shè)光纜中已經(jīng)使用的部分平均在網(wǎng)絡(luò)中占到了70%到80%之多。許多電信運營商的光纜使用率幾乎達到了100%的有效利用率上限。另外還有一個窘迫的難題：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)運營商怎么才能在一種物理網(wǎng)絡(luò)之上部署和集成五花八門的多種通信技術(shù)。消費者的需要和企業(yè)之間的競爭壓力迫使運營商們一方面必須提供在建設(shè)和運營成本上比較經(jīng)濟的多種服務(wù)，而且另一方面他們還要盡可能地在已經(jīng)埋設(shè)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上來部署這些業(yè)務(wù)。還好，出現(xiàn)了DWDM技術(shù)，正是DWDM為這些運營商們提供了同時滿足這些需求的可行解決方案^[2] 。

使用DWDM技術(shù)可以讓服務(wù)供應(yīng)商提供傳統(tǒng)的IP over ATM承載數(shù)據(jù)、SONET/SDH承載語音等傳輸方式所帶來的電子郵件、視頻和多媒體業(yè)務(wù)，與此同時，在無須考慮這些不同數(shù)據(jù)格式的情況之下——不管他們是IP、ATM還是SONET/SDH，DWDM 卻能夠同等地向這些不同的傳輸方式提供統(tǒng)一的帶寬管理功能，所有以上三種通信協(xié)議都可以通過采用DWDM技術(shù)的光層得以傳輸。這種統(tǒng)一管理功能可以讓服務(wù)供應(yīng)商靈活地僅通過單一網(wǎng)絡(luò)就足以滿足顧客的帶寬需求。

運營商要想在商業(yè)運營上獲得成功，其中的一個關(guān)鍵要旨就是需要一個統(tǒng)一的承載平臺，這個平臺能夠統(tǒng)一承載各種通信技術(shù)并且同這些通信技術(shù)接口，而且，該平臺還應(yīng)該讓運營商具備能把當前和新一代技術(shù)集成起來的能力。^[2] 面對以上三個問題：日益增長的服務(wù)需求、光纜余量用盡、統(tǒng)一的層次型帶寬管理。服務(wù)供應(yīng)商必須找到一條在經(jīng)濟上可行的解決方案。降低光纜耗用率的一個顯而易見的措施就是鋪設(shè)更多的光纜，對那些鋪設(shè)新光纜的成本可以保持最低的網(wǎng)絡(luò)來說，這一措施可以證明是最為經(jīng)濟的解決方案。但是，鋪設(shè)新光纜卻并不能促使服務(wù)供應(yīng)商一定能提供新型服務(wù)，或者也不能讓運營商們獲得光傳輸層帶寬的統(tǒng)一管理能力。 第二項措施是使用時分復(fù)用技術(shù)TDM來增加數(shù)據(jù)傳輸速率，TDM把時間劃分為更小的間隔以便更多的數(shù)據(jù)得以在同一時間內(nèi)被傳輸，結(jié)果就增加了光纜的有效容量。其實，這也就是產(chǎn)業(yè)內(nèi)已經(jīng)采用的方案（DS–1、DS–2和DS–3等）。不過，當服務(wù)供應(yīng)商僅僅使用這一措施時，他們的每一次網(wǎng)絡(luò)擴容都具有顯著跳躍性，意味著網(wǎng)絡(luò)容量的增長很不平滑，很有可能最終讓他們獲得比當初需求更大的多的帶寬，從某種意義來說，這是很多運營商所不愿意見到的局面，其管理復(fù)雜性和投資都會增長得令人頭痛不已。以SONET技術(shù)為例，從10 GbpsTDM提升的下一個容量層次就到了40 Gbps（這一令許多人深信不疑的巨大躍進對TDM技術(shù)來說在短時間內(nèi)是不太可能的）。采用SONET的北美傳輸網(wǎng)絡(luò)和采用SDH的國際傳輸網(wǎng)絡(luò)就都采用了TDM技術(shù)。^[2] 

電信產(chǎn)業(yè)采納了SONET或SDH標準以提供標準的同步光纖網(wǎng)絡(luò)，通過它所具有的靈活性以匹配當前和未來的數(shù)字信號。SONET或者SDH通過定義標準的傳輸速率和光纖接口來實現(xiàn)以上的目標。比方說，終止SONET網(wǎng)絡(luò)的終端會引入多種電子信號和光信號，這些信號在成為STS–1的數(shù)據(jù)負載（SONET 網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)的有機組成部分）之前會以電信號的方式被復(fù)用，STS–1負載隨后被復(fù)用并以單一速率在單根光纖中傳輸，這些標準速率是：OC–3 、OC–12、OC–48乃至最終高達OC–192。 SDH具有和STM–n類似的幀結(jié)構(gòu)，其信號速率可以達到STS–1到STM–64范圍之內(nèi)。

SONET和SDH是兩種密切相關(guān)的標準，就是這兩種標準為傳輸網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。這兩種標準決定了傳輸接口的參數(shù)、傳輸?shù)乃俾?、傳輸?shù)據(jù)的格式和信號復(fù)用方式乃至實現(xiàn)高速傳輸所需要的運行、管理、維護和提供（OAM&P）特性。同步傳輸模式意味著通過光纜系統(tǒng)流動的激光信號和外部時鐘保持著同步。這樣做的優(yōu)點是通過光纜系統(tǒng)傳輸語音、數(shù)據(jù)和圖象的數(shù)據(jù)流可以很平穩(wěn)、規(guī)則的方式流動，結(jié)果每一束激光都可以很容易地被對端識別出來。^[3] 

^[4] DWDM首先把引入的光信號分配給特定頻帶內(nèi)的指定頻率（波長，lambda），然后把信號復(fù)用到一根光纖中去，采用這種方式就可以大大增加已鋪設(shè)光纜的帶寬。由于引入（incoming）信號并不在光層終止，接口的速率和格式就可以保持獨立，這樣就允許服務(wù)供應(yīng)商把DWDM技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的設(shè)備集成起來，同時又獲得了現(xiàn)有鋪設(shè)光纜中沒有得以利用的大量帶寬。

DWDM可以把多個光信號搭配起來傳輸，結(jié)果這些光信號可以編成同一組同時被放大并且通過單一的光纖傳輸，網(wǎng)絡(luò)的帶寬也就大大增加（參看圖 3）了。每個承載的信號都可以設(shè)置為不同的傳輸速率（OC–3/12/24等）和不同的格式（SONET、ATM、數(shù)據(jù)等）。比方說，某個DWDM網(wǎng)絡(luò)可以在DWDM基礎(chǔ)上混合OC–48 （2.5 Gbps）和OC–192 （10 Gbps）兩種速率的SONET信號。從而獲得高達40 Gbps的巨大帶寬。采用DWDM的系統(tǒng)在達到以上目標的同時仍然可以維持和現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)同等程度的系統(tǒng)性能、可靠性和穩(wěn)固性——甚至過之而無不及。以后的DWDM終端更可以承載總計80個波長之多的OC–48以達到200 Gbps的傳輸速率或者高達40波長的 OC–192以達到400 Gbps的傳輸速率，這個帶寬已經(jīng)足以在一秒鐘之內(nèi)傳輸9萬卷的大百科全書。實現(xiàn)這種高速、高容量傳輸能力的關(guān)鍵技術(shù)就是光放大器。光放大器運行在特定光譜頻帶之上并根據(jù)現(xiàn)有的光纖進行了優(yōu)化，這樣就可以使得光放大器有可能放大光波信號，從而在無須將其轉(zhuǎn)換為電信號的情況下擴大其傳輸范圍。超寬頻帶光纖放大器在實踐中運用證明承載100個通道（或者波長）的光波信號可以有效地被放大。使用這種放大器的網(wǎng)絡(luò)可以非常輕松地處理太比特級的信息。以這個速率傳輸，這種網(wǎng)絡(luò)甚至可能一次傳輸全世界所有的電視頻道節(jié)目或者同時傳送50萬部電影。

以公路做比喻，一根光纖也可以看作一條多車道公路。通常意義上的TDM系統(tǒng)使用該公路的一個車道，通過在這唯一車道上加快汽車的駕駛速率來增加帶寬。在光纜網(wǎng)絡(luò)中，DWDM的采用好比為把后面的汽車放到了公路上沒有使用的車道上（增加了鋪設(shè)光纖的波長數(shù)目）得以獲得難以置信的巨大帶寬。另外還有一個好處：這條公路并不關(guān)心跑在自己上面的車流都是些什么類型。結(jié)果呢，跑在DWDM這條公路上的“車子“們可以裝載ATM信元、SONET和IP包。^[5] 

可接受的理想DWDM系統(tǒng)應(yīng)該具備某些共有的關(guān)鍵特性。任何DWDM系統(tǒng)都應(yīng)該具備這些特性以便運營商意識到該技術(shù)的巨大潛能。以下的問題有助于確定某個具體的DWDM系統(tǒng)是否符合要求。

2.5 Gbps 級別的DWDM系統(tǒng)應(yīng)能完全利用現(xiàn)有的設(shè)備和光纜設(shè)施。

在1530- 到1565-納米光譜內(nèi)，備有濾波器的硅基光放大器和氟化物光放大器性能表現(xiàn)都不錯。不過，氟化物光放大器要實現(xiàn)起來成本較大。氟化物光纖的長期可靠性尚未經(jīng)過檢驗。

當增加或者減少光通道數(shù)量以達到最優(yōu)的系統(tǒng)性能時，光放大器會進行自動調(diào)節(jié)。這一點非常重要，因為，如果高能系統(tǒng)內(nèi)只有一個通道，那么自相位調(diào)制現(xiàn)象會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。另一方面，功率太低則會導(dǎo)致放大器無法獲得足夠的增益。

經(jīng)過良好工程設(shè)計和建設(shè)的DWDM系統(tǒng)提供自身的可靠性、系統(tǒng)可用性和系統(tǒng)冗余。雖然濾波器經(jīng)常受到潮濕環(huán)境的影響，但這已不成為問題。

光放大器具有兩個關(guān)鍵部件：摻鉺光濾波器和放大器。當激光泵用特定波長的激光激活鉺元素時，鉺就會起到增益媒質(zhì)的作用把引入的激光信號放大。如果使用連接器而不是直接接合，表面輕微的污垢就可能會破壞連接器。

盡管對各種DWDM系統(tǒng)來說這個答案都是肯定的，但對此進行升級計劃也至關(guān)重要。如果服務(wù)供應(yīng)商采用某種特定的方式把他們的網(wǎng)絡(luò)組裝成一個整體再進行升級，那么可能會發(fā)生以下情況：網(wǎng)絡(luò)需要更大的功率或者附加的信噪比增量。比方說，每次供應(yīng)商把通道數(shù)量或者比特率加倍的時候就需要額外附加3分貝的信噪比增量。

DWDM 系統(tǒng)下可以廣泛使用STL 1接口。接口應(yīng)當適應(yīng)服務(wù)供應(yīng)商通常的維護方案。^[2] 

以光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建未來高速、大容量的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要重點解決高速光傳輸、復(fù)用與解復(fù)用技術(shù)?；诠獾姆植鍙?fù)用（OADM）技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)間的光交叉互連（OXC）技術(shù)，集成化的窄帶、高速、波長可調(diào)的低噪聲探測器技術(shù)，以及可用于光纖網(wǎng)絡(luò)干線傳輸?shù)摹⑺俾士蛇_4OGbit/s的、波長可調(diào)諧的、高穩(wěn)定的增益耦合DFB激光器/光調(diào)制器的集成光源。

1）光纖傳輸通常認為單模光纖SMF色散很大，對減少四波混頻（FWM）引起的干擾有好處，但需要很多的補償光纖。實際的實驗表明SMF（G.652）和DSF（G.653）用于WDM系統(tǒng)時，其SPM，XPM的危害較小，不像想象的那么嚴重。過去理論和實驗表明DSF光纖的FWM干擾嚴重，不宜作WDM系統(tǒng)。然而采用喇曼放大后，其放大作用是沿光纖分布而不是集中的，因而發(fā)送的光功率可減小，從而FWM干擾可降低，因此WDM在DSF光纖中傳輸仍能取得較好的效果。偏陣模色散（PMD）、色散補償是長距離大容量WDM系統(tǒng)必然遇到的問題，如果想得到一個又寬又平的波段。那么對色散補償器件的色散和色散斜率同時有一定要求。

2）DWDM光源 WDM光網(wǎng)絡(luò)對光源的要求是高速（大容量）、低啁啾（以提高傳輸距離）、工作波長穩(wěn)定，為此要研究開發(fā)高速、低啁啾、工作波長可調(diào)且高度穩(wěn)定的光源。從世界范圍的發(fā)展趨勢上看集成光源是首選方案，激光器與調(diào)制器的集成兼有了激光器波長穩(wěn)定、可調(diào)與調(diào)制器的高速、低啁啾等功能。有多種集成光源：其一是DFB半導(dǎo)體激光器與電吸收調(diào)制器的單片集成。其二是DFB半導(dǎo)體激光器與M-Z型調(diào)制器的單片集成：也有分布布拉格反射器（DBR）激光器與調(diào)制器的單片集成以及有半導(dǎo)體與光纖柵構(gòu)成的混合集成DBR激光器。

3）DWDM探測器波長可調(diào)諧的窄帶光探測器是WDM光網(wǎng)絡(luò)中一種高效率、高信噪比的下載話路的光接收技術(shù)。為了使系統(tǒng)的尺寸大大降低，可考慮將前置放大電路和探測器集成在一起。該類器件的每個探測器必須對應(yīng)不同的信道，所以探測器必須是窄帶的，同時響應(yīng)的峰值波長必須對準信道的中心波長，所以響應(yīng)帶寬必須在一定范圍內(nèi)可調(diào)諧。此外要求探測器間的串擾要小。共振腔增強型（RCE）光探測器集窄帶可調(diào)諧濾波器與探測器于一體，是這類探測器的首選方案。

4）波長轉(zhuǎn)換全光波長轉(zhuǎn)換模塊在接入端應(yīng)用是對從路由器或其它設(shè)備來的光信號進行轉(zhuǎn)換，將非匹配波長上的光信號轉(zhuǎn)換到符合ITU規(guī)定的標準波長上然后插入到光耦合器中；而當它用于波長交換節(jié)點時，它對光通路進行交換和執(zhí)行波長重用功能，因此它在波長路由全光網(wǎng)中有著非常巨大的作用。寬帶透明性和快速響應(yīng)是波長轉(zhuǎn)換器的基本要求。在全光波長交換的多種（包括交叉增益調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻、非線性光學(xué)環(huán)鏡）技術(shù)中，最有前途的全光轉(zhuǎn)發(fā)器是在半導(dǎo)體光放大器（SOAs）中基于交叉相位調(diào)制原理集成進Mach-Zehnder干涉儀（MZI）或Michelson干涉儀（MI）而構(gòu)成的帶波長轉(zhuǎn)換器，它被公認為是實現(xiàn)高速、大容量光網(wǎng)絡(luò)中波長轉(zhuǎn)換的理想方案。

在大規(guī)模使用WDM組網(wǎng)時，特別是通道調(diào)度時，可能需要把某一波長變換為另一波長，或者需要整個波段的變換。Lucent研制的光波段變換器是利用LiNbO3的二階非線性系數(shù)x（2）：x（2）對光波長進行變換的。光波導(dǎo)是周期極狀LiNbO3光波導(dǎo)（Periodically poled waveguide）。

5）光放大器為了克服光纖中的衰減就需要放大器。摻鉺光纖放大器EDFA已被廣泛應(yīng)用于長距離通信系統(tǒng)中，它能在1550nm窗口提供30nm左右的平坦增益帶寬。

對于寬帶EDFA放大器特別需要在整個WDM帶寬上的增益平坦特性。日前己有基于摻鉺光纖的雙帶光纖放大器DBFA（Dual-band fiber amplifier），其帶寬可覆蓋1528～1610nm范圍。它由常規(guī)的EDFA和擴展帶光纖放大器EBFA（Extended band fiber amplifer）共同組成。相類似的產(chǎn)品有Bell Lab的超寬帶光放大器UWOA（Ultra-Wideband Optical Amplifier），它有80nm的可用帶寬可對單根光纖中多達100路波長信道進行放大。它覆蓋了C波段（1530～1656nm）和L波段（1565～1620nm）。

英國帝國學(xué)院（UK Imperial College）研制了寬帶的喇曼放大器。受激拉曼放大（Stimulated Raman Amplify）是在常規(guī)光纖中直接加入光泵功率，利用光纖的非線性使光信號放大的。單光泵的喇曼放大的增益帶寬較窄，采用波長為1420nm和1450nm兩個光泵的喇曼放大器可得到很寬的帶寬（1480～1620nm）。喇曼放大的增益可達30dB，噪聲系數(shù)小于6dB。光泵功率為860mW。

6）光分插復(fù)用器（OADM）和光交叉連接器（OXC）光分插復(fù)用器OADMs（Optical Add Drop Muxs）實現(xiàn)在WDM光纖中有選擇地上/下（drop or add）特定的任何速率、格式和協(xié)議類型的所需光波長信道。它是高速大容量WDM光纖網(wǎng)絡(luò)與用戶接口的界面。OADM一般是復(fù)用器、解復(fù)用器、光開關(guān)陣列的單片集成或混合集成?？烧{(diào)波長工作的OADM器件正在開發(fā)之中，并且已取得突破性進展。另外WDM光網(wǎng)絡(luò)間的交叉互連也將逐步過渡到完全采用光的形式進行。國際上已經(jīng)有單片集成OXC的實驗室工作報道，但是更多的工作是集中在其中的關(guān)鍵器件上，主要有為了解決網(wǎng)絡(luò)阻塞和合理利用網(wǎng)絡(luò)資源的波長轉(zhuǎn)換器件。AWG（Array Waveguide Grating）是最適于DWDM復(fù)用與解復(fù)用以及作為核心器件構(gòu)成OADM和OXC的新型關(guān)鍵器件。因為AWG可與石英光纖高效耦合使插入損耗很低、能夠?qū)崿F(xiàn)低成本集成。此外，AWG減輕了對光源面陣的集成度的要求，采用多個單波長激光器與其耦合就可以實現(xiàn)DWDM目標。該研究的技術(shù)關(guān)鍵在于掌握厚層波導(dǎo)的制備技術(shù)，設(shè)法避免因應(yīng)力引入偏振色散，甚至導(dǎo)致器件破裂。

7）光開關(guān)光波導(dǎo)開關(guān)集成面陣也是構(gòu)成OXC和OADM的關(guān)鍵部件，實用的光開關(guān)陣列，大都是用LiNbO3光波導(dǎo)開關(guān)實現(xiàn)的。這種光開關(guān)矩陣實現(xiàn)大規(guī)模單片集成難度較大，尤其難以與操作電路實現(xiàn)OEIC集成，也有采用SiO2/Si的熱光開關(guān)，但響應(yīng)速度較慢，約為毫秒量級，只適用于信道切換，對信元/包的交換，其響應(yīng)速度不能滿足要求，要實現(xiàn)信元/包交換至少響應(yīng)時間要達到微秒量級。而準實時交換（如在計算機網(wǎng)絡(luò)中的交換）則要達到納秒量級。網(wǎng)絡(luò)中信息資源的利用率決定于OXC的集成規(guī)模和運行的靈活程度，所以最終的OXC應(yīng)當是單片集成的。技術(shù)關(guān)鍵是發(fā)展高速響應(yīng)Si基彼導(dǎo)光開關(guān)，而利用電注入折變效應(yīng)構(gòu)成的SOI型SiO2/Si波導(dǎo)光開關(guān)，可以實現(xiàn)小于微秒的光開關(guān)運作，有望實現(xiàn)大規(guī)模單片集成。

赫茨實驗室研制了速度極高的光開關(guān)，它可在160Gbit/s的光數(shù)據(jù)流中取樣。其工作原理是：利用波長分別為1302nm、1312nm的兩個光脈沖在半導(dǎo)體光放大器中產(chǎn)生的四波混頻可對照檢查155O nm的光信號脈沖取樣。這種高速開關(guān)適用于未來從光IP信號中直接提取路由地址，以便實現(xiàn)光IP（IP over Optical）。

基于微電子機械系統(tǒng)MEMS（Micro-elecromechan-ical systems）技術(shù)的微鏡陣列光開關(guān)技術(shù)也是技術(shù)發(fā)展的一個熱點。在光網(wǎng)絡(luò)中使用MEMS技術(shù)相對于傳統(tǒng)的電子設(shè)備具有低成本、快速、體積小、通信容量大，而且具有體積小、靈活可變、對比特率和協(xié)議透明、跨越電子限制提高網(wǎng)絡(luò)速度等優(yōu)點。但開關(guān)速度還達不到要求。微機械技術(shù)還可做可變光衰減器，其工作原理是利用靜電引力改變微機械中的遮蔽片的位置，以遮蔽光纖的導(dǎo)光面積，從而改變光衰減。該器件可由光信號控制，可用以制作：光衰減器、光功率穩(wěn)定器、光功率均衡器和光波段開關(guān)。

另一種光開關(guān)是高分子數(shù)字交換器件。采用Polymer高分子材料制作的光波導(dǎo)器件正趨于成熟。高分子材料易于加工，成本低，在電極上施加電壓就可控制光信號通過或不通過光波導(dǎo)。存在問題是易于從襯底硅片上脫落、易吸水和老化問題。^[6] 

光網(wǎng)絡(luò)可按照物理連接分為環(huán)網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)、星型網(wǎng)和總線結(jié)構(gòu)。環(huán)型拓樸與網(wǎng)狀拓撲相比有很多優(yōu)點，例如：鏈路分攤的成本低，鏈路可共享，而且當出現(xiàn)大的突發(fā)數(shù)據(jù)流時可同時使用工作光纖和保護光纖降低路由器的負荷，從而避免了在路由器端的緩存需要。

多波長網(wǎng)絡(luò)又可分為單跳網(wǎng)和多跳網(wǎng)。在單路網(wǎng)中從源端到目的地的數(shù)據(jù)流就像一個光流一樣穿過網(wǎng)絡(luò)，在中間任何節(jié)點無需電的轉(zhuǎn)換。從光網(wǎng)絡(luò)選路方式上劃分有兩種典型的單跳網(wǎng)絡(luò)：廣播與選擇網(wǎng)（Broadcast and select network）以及波長選路網(wǎng)（Wavelength routed network）。

廣播與選擇網(wǎng)是通過無源星型耦合器件將多個節(jié)點按照星型拓樸結(jié)構(gòu)連接起來的?；驹硎且詮V播形式發(fā)送，接收端有選擇地濾波接收。這種網(wǎng)絡(luò)主要用于高速局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)。有兩種工作方式：固定波長光發(fā)送而使用可調(diào)諧的光接收或者接收波長固定而發(fā)送波長可調(diào)。廣播與選擇網(wǎng)有兩個不足之處：其一是浪費了光功率。發(fā)射的光功享送到所有的接受器，不管這個接收器是否是通信對象。這樣，對實現(xiàn)通信節(jié)點來說，增加了光分流引起的損耗。其二是可擴展性差。N個節(jié)點至少需要用N個波長，增加一個節(jié)點要增加一個波長，每一個接收器的可調(diào)諧范圍也要相應(yīng)增加一個波長，而且不能執(zhí)行波長重用。

與之相反，波長選路網(wǎng)關(guān)鍵元素是波長途擇交換器，它也分為兩種：波長遠路交換方式和波長轉(zhuǎn)換交換方式。前者是通過改變WDM路由動態(tài)地在通信間交換數(shù)據(jù)信號。后者通過波長轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)倒換到另一個波長通道上。

若在節(jié)點中采用光開關(guān)、波長轉(zhuǎn)換器、可調(diào)諧濾波器、陣列波導(dǎo)路由器等光子器件，就可構(gòu)成靈活的、可擴展的、可重構(gòu)的光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。^[6] 

光網(wǎng)絡(luò)是由光通路將波長路由器和端節(jié)點相互連接而構(gòu)成的。顯然每個鏈路可支持好多信號格式，但它們都被限定在波長粒度上。波長交換機（或波長路由器）構(gòu)成形式有以下幾類：

非重構(gòu)交換機：每個輸入端口和輸出端口對應(yīng)關(guān)系是固定的而且波長一致，一旦建成就無法改變。

與波長元關(guān)型可重構(gòu)交換機：輸入端口和輸出端口的對應(yīng)關(guān)系可以動態(tài)重構(gòu)，但這種關(guān)系與波長無關(guān)。即每一個輸入信號都有一些固定的輸出端口。

波長選擇型可重構(gòu)交換機：它同時兼有端口的動態(tài)重構(gòu)和依據(jù)輸入波長的選路功能。

給定一個網(wǎng)絡(luò)的物理拓撲和一套需要在網(wǎng)絡(luò)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就是波長途路由問題。光網(wǎng)絡(luò)中波長路由問題主要有3類：

一是在不使用全光波長變換模塊時，實現(xiàn)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)波長和路由的動態(tài)分配（RWA）問題，解決途徑是確定優(yōu)化判據(jù)、波長和路由的分配算法。也包括在所需系統(tǒng)代價最小的情況下故障恢復(fù)路由的動態(tài)自愈恢復(fù)算法。

二是在有全光波長變換模塊時，利用波長變換模塊如何降低波長堵塞的算法研究，包括使用波長變換模塊后系統(tǒng)性能增加和波長路由光網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)尺寸的關(guān)系。

另外要實現(xiàn)真正的自適應(yīng)路由和波長分配，還必須考慮業(yè)務(wù)流量制約下的選路問題。最理想的情況是DWDM光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點監(jiān)測光信道上的業(yè)務(wù)流量，根據(jù)使用情況按照相應(yīng)算法增加/減少光信道數(shù)量和提高/降低光信道數(shù)據(jù)速率。

光網(wǎng)絡(luò)獨一無二的屬性是可以實現(xiàn)波長路由，通過網(wǎng)絡(luò)中的信號路徑由波長、源信號、網(wǎng)絡(luò)交換的狀態(tài)信息以及選路中的波長改變信息等來共同決定。圖2表示了一種基于波導(dǎo)光柵路由器（WGR）的波長選路網(wǎng)中光路的建立過程。WGR節(jié)點通過波長路由算法分配波長，波長轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用可增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

波長分插復(fù)用（WADM）可與路由器直接連接，使得在兩者之間建立光路徑成為可能。由于Internet數(shù)據(jù)在發(fā)達和接收信道上具有很高的不對稱性，因此依據(jù)對稱的話音業(yè)務(wù)設(shè)計的現(xiàn)有通信系統(tǒng)不能適應(yīng)這種非對稱業(yè)務(wù)。而直接將路由器與分立波長相連的一個優(yōu)勢是光學(xué)系統(tǒng)能夠直接根據(jù)Interne數(shù)據(jù)的流量情況在以波長為基礎(chǔ)的光域上執(zhí)行相應(yīng)的流量疏導(dǎo)功能。^[6] 

由于DWDM系統(tǒng)提供的相互不存在時間關(guān)系的不同波長的復(fù)用，因此不需類似于SONET中的時鐘系統(tǒng)。然而要保證傳輸質(zhì)量，也許在WDM系統(tǒng)中仍需要同步技術(shù)。

光纖可非常容易地實現(xiàn)安全性連接。量子密碼（Quantunm cryptography）技術(shù)使用最基本的量子互補（quantum complementarity：基于粒子與波在行為上互斥的同時又是完全描述一種現(xiàn)象的密不可分的兩個要素）原理就是其中之一，它允許相距較遠的兩個用戶使用共享的隨機比特序列作為密碼通信的密匙。十分復(fù)雜的傳統(tǒng)加密措施是通過復(fù)雜和強度很大的數(shù)學(xué)運算來實現(xiàn)的，與其相比分布量子密碼QKD（Quantum Key Distribution）技術(shù)，正像它的名字所表示的那樣提供了一種新型的基于基本的物理原理來保護和加密有用信息的有效方法。^[6] 

與點到點WDM系統(tǒng)相比，WDM光網(wǎng)絡(luò)的一個重要特點是網(wǎng)絡(luò)中同一參考點各信道的功率不同。在端到端WDM系統(tǒng)中，信號發(fā)送端處各波長的功率是相等的。而在光網(wǎng)絡(luò)中，從本地節(jié)點上路的光信號與其它傳輸了不同距離、從而有不同光功率的一些信號復(fù)用在一起傳輸。即使是復(fù)用在一起傳輸?shù)墓庑盘?，傳輸一段距離后，由于EDFA、光濾波器和光開關(guān)等器件對各波長的響應(yīng)略有不同，它們的功率也可能不同。不同功率的波長信號經(jīng)過級聯(lián)EDFA系統(tǒng)后，某些波長的功率將可能進一步降低，使該信道性能惡化。此外由于光網(wǎng)絡(luò)的上下話路、重新配置或網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)等原因。使進入節(jié)點的各個波長通道的光功率也存在差異，由于光信號要經(jīng)歷多個節(jié)點和鏈路，各個波長通道之間的光功率差異產(chǎn)生累積，導(dǎo)致各個光信道的信噪比下一致，使得系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量受到影響，甚至使某些信道劣化到不可接受的水平。因此在光網(wǎng)絡(luò)中有必要在節(jié)點對每個波長的光功率進行均衡，以保證通信質(zhì)量。

光網(wǎng)絡(luò)中通道的不均衡性可嚴重惡化網(wǎng)絡(luò)性能，因此通道的均衡性是光網(wǎng)絡(luò)性能好壞的重要依據(jù)，已經(jīng)提出了許多均衡方案，如AOTF濾波器、MZ濾波器、F-P濾波器調(diào)諧方案，以及衰減器調(diào)諧方案等，這些方案都是利用光元源器件如可調(diào)衰減器以及有源器件如SOA的基于通道級均衡。一種方法是在終端機上的OMUX盤對輸入的多路光信號進行中斷檢測，這一消息被監(jiān)控系統(tǒng)處理后，將通過監(jiān)控信道通知到全線各站點，控制各站的光放大器的輸出動率。另一種方法是在各種光放大器盤上均設(shè)計有輸入、輸出光信號監(jiān)視點，通過監(jiān)控子架，實現(xiàn)對線路信號中各波長通道的集中監(jiān)視和分析，即從光放大器盤的光監(jiān)視點引入光信號，進行在線分析，可獲知任一波長通道的工作狀態(tài)，如光功率大小、光波長值、光通路的信噪比等重要參數(shù)。當功率監(jiān)測點位于0XC/OADM中功放EDFA之前，監(jiān)測并調(diào)整各個信道中的信號功牢或信號與噪聲的總功率時，這種方案對于各個通道的不均勻性具有很好的均衡效果。但是，如果整個復(fù)用段的光功率發(fā)生波動，會導(dǎo)致所有受影響的通過都進行相應(yīng)的調(diào)整，這不僅增加了調(diào)整時間，還使調(diào)節(jié)過程復(fù)雜化。鏈路支持的波長數(shù)目增多時情況尤為突出。此外，在特定情況下（若通過均衡能力已經(jīng)達到極限），僅靠通道級均衡無法實現(xiàn)功率均衡。因此為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對各個光通道的影響，WDM光網(wǎng)絡(luò)中光功率均衡是WDM光網(wǎng)絡(luò)一個重要研究內(nèi)容。^[6] 

光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要支持光聯(lián)網(wǎng)，必然要有對光通路的OAM（操作、管理與維護）信息，因此就必須具有開銷處理能力。對開銷的載送方式有隨路和共路兩種，各有優(yōu)缺點。而提供開銷的方法有3種：副載波調(diào)制（SCM），例如利用引示音（Pilot Tones）；光監(jiān)視通道（OSC）；數(shù)字“包封器”（Digital“Wrapper”）。

WDM系統(tǒng)如何與IP網(wǎng)結(jié)合以傳送IP信息（通稱IP 0ver WDM），是一個極其重要的問題，因為不久的將來IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)會占主要地位。當不使用SONET/SDH設(shè)備而要實現(xiàn)直接的IP 0ver WDM，則需要考慮在原來的SONET/SDH中執(zhí)行的某些功能（如各種開銷字節(jié)的處理）如何在新型系統(tǒng)中來實現(xiàn)。一種方案是：光的通過開銷有兩部分，一部分在光容器幀結(jié)構(gòu)內(nèi)，它對應(yīng)SONET/SDH的段開銷，另一部分不在幀內(nèi)，而是用調(diào)制的導(dǎo)頻（pilot tone）另外傳送，光層只具有WDM的復(fù)用功能。

光聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供在光層上的傳送組網(wǎng)技術(shù)，例如在光通路（OCh）層上作OCh的快速路由和交換；為了以光通路組網(wǎng)，就需要具有管理頻（率）隙（slot）的能力（正像在現(xiàn)有網(wǎng)中管理時隙一樣），這里一個頻隙就是一個光通路。^[6] 

在傳統(tǒng)的點到點波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中，由于波長選擇器件（如波分復(fù)用器/解復(fù)用器和可調(diào)諧光濾波器）性能的不完善，相鄰波長信道之間會產(chǎn)生串擾，這種串擾被稱為異頻串擾。它是一種加性串擾，表現(xiàn)為在信號上疊加了一定功率的噪聲，惡化了信號的消光比。構(gòu)成光網(wǎng)絡(luò)時這種串擾的影響下去積累，且在接收機前加光濾波器可以將其濾掉，因此對系統(tǒng)的影響較小。

而在以波分復(fù)用傳輸和波長交叉連接（OXC）為基礎(chǔ)的WDM光網(wǎng)絡(luò)中，當不同輸入鏈路中同一波長（頻率）的信號被送入同一光開關(guān)，根據(jù)需要完成光交叉連接后，再送入相應(yīng)的波分復(fù)用器中。由于器件性能的不完善，一個信道的信號經(jīng)過交叉器件后會包含其它信道的串擾。當多個信道重新耦合到一起時異頻串擾就會轉(zhuǎn)化為同頻串擾，即與信號光頻率相同的串擾。它可以是不同鏈路中相同波長間的串擾或同一信號與自身的串擾。當光通道經(jīng)過多個OXC時，由于每個OXC中波長選擇器件的作用，異頻串擾不會隨著節(jié)點數(shù)的增加而積累。而同頻串擾和信號在同一個波長信道內(nèi)，不受波長選擇器件的影響，將隨著節(jié)點數(shù)的增加而下斷積累。因此同頻串擾需要著重研究。

OXC引入的同頻串擾可以分為相于串擾（串擾光的相位與主信號相關(guān)）和非相干串擾（串擾光的相位與主信號不相關(guān)）。當主信號的一部分能量經(jīng)過OXC變成串擾時，串擾光信號與主信號可能相干。這主要由串擾光信號和主信號的傳輸時延差與激光器的相干時間決定。當傳輸時延差小于激光器相干時間時，這種同頻串擾就成了相干串擾。為了減小串擾對系統(tǒng)的影響，在設(shè)計OXC時應(yīng)該使不同光路的時延差大于激光器的相干時間。

DWDM光傳輸系統(tǒng)研發(fā)進展迅速，實驗室中的DWDM的傳輸容量已經(jīng)達到6.4Tb/s，2000年商用系統(tǒng)的容量將達到1.6Tb/s。復(fù)用30～40波長的DWDM系統(tǒng)已經(jīng)大范圍使用， 100～160波長的系統(tǒng)也即將商用。實驗室中復(fù)用波長已超過1000波長。

1996年美國的Bell Labs首先進行總?cè)萘?Tb/s級的DWDM傳輸實驗，這在當時是最新記錄，然而此記錄不到一年就被刷新。在OFC '97上NEC宣布實現(xiàn)了2.6Tb/sDWDM傳輸實驗，號稱世界最新記錄。但此記錄僅保持了兩年又被刷新，在OFC '99上NTT宣布完成了3Tb/s OTDM+DWDM的傳輸實驗， Siemens公司也發(fā)表實現(xiàn)了80×40Gb/s總?cè)萘?.2Tb/s的傳輸實驗，打破了NEC的記錄。同年 Nortel在Telecom'99上宣布了兩個世界記錄，即單信道80Gb/s和總?cè)萘?.4Tb/s的最高記錄。但這兩個記錄剛剛宣布不久，在11月份的新發(fā)明展示會上，Lucent宣布實現(xiàn)了單信道160Gb/s和DWDM 16Tb/s的傳輸實驗記錄，又把Nortel遠遠地拋在了后面。下一個世界記錄屬于誰，群雄逐鹿，風(fēng)云再起。

中國國內(nèi)DWDM市場也一樣，幾家主要通信設(shè)備供應(yīng)商紛紛進入DWDM市場開展競爭，一時間中國國內(nèi)市場也被炒得火熱。

在設(shè)計DWDM 光網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)將成本最小化、所選定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠提供預(yù)期的路由能力和保護恢復(fù)能力作為規(guī)劃和設(shè)計的主要奮斗目標。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計最具挑戰(zhàn)性的問題就是優(yōu)化處理，整個網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目標就是使組網(wǎng)成本最低。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度和優(yōu)化目標的不同，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和規(guī)劃可以分步驟進行，也可以集中統(tǒng)一進行。分步設(shè)計能夠在可接受的運算量條件下完成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計過程，而統(tǒng)一設(shè)計方案由于能夠通盤考慮網(wǎng)絡(luò)的整體情況，所以設(shè)計的結(jié)構(gòu)相對較優(yōu)。在后期網(wǎng)絡(luò)可用性分析階段，通過更加廣泛的測試來評估設(shè)計結(jié)果，例如在意想不到情況下和動態(tài)業(yè)務(wù)情況下對所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)進行性能分析和可用性評估，評估結(jié)果可以反饋到原有的設(shè)計處理算法中，通過輕微的參數(shù)調(diào)整進一步優(yōu)化下一步設(shè)計的執(zhí)行。

在進行網(wǎng)狀網(wǎng)光網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計時，設(shè)計人員首先要決定為了滿足承載一定業(yè)務(wù)量要求的網(wǎng)絡(luò)資源的多少，所需要的網(wǎng)絡(luò)資源包括位于不同節(jié)點的OXC的規(guī)模、光纖數(shù)量和節(jié)點之間的波長需求。

網(wǎng)狀網(wǎng)光網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計分為三大步：拓撲設(shè)計（即確定鏈路的使用情況）；業(yè)務(wù)路由和容量分配（即確定節(jié)點之間的業(yè)務(wù)傳送狀況）；容量空閑分配（即確定當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，網(wǎng)絡(luò)的抗毀性應(yīng)對措施和資源占用狀況）。

環(huán)行光網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和規(guī)劃流程主要可分為兩大步：

第一，環(huán)網(wǎng)基本情況的界定。主要是要確定所要設(shè)計的環(huán)網(wǎng)是從零開始的全新設(shè)計還是在已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上來設(shè)計環(huán)行光網(wǎng)絡(luò)，另外還要確定所要設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)是否是分級結(jié)構(gòu)的多層網(wǎng)絡(luò)還是單層網(wǎng)絡(luò)；

第二，基于環(huán)內(nèi)選路由和波長分配方式對環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能進行分割和定位。環(huán)網(wǎng)互聯(lián)和網(wǎng)狀網(wǎng)設(shè)計相比無須執(zhí)行空閑容量的分配和規(guī)劃過程因為空閑容量本身已經(jīng)嵌入在環(huán)網(wǎng)內(nèi)部。^[7]

DWDM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是指根據(jù)實際線路光纜的各種參數(shù)，例如衰耗和色散，利用科學(xué)的算法工具對DWDM鏈路進行最優(yōu)化計算和配置，并在工程執(zhí)行期間進行具體的優(yōu)化調(diào)整，盡可能消除或抑制信號傳輸過程中的失真和劣化，使DWDM網(wǎng)絡(luò)處于相對最優(yōu)工作狀態(tài)，確保高質(zhì)量傳輸?shù)恼麄€過程。業(yè)務(wù)信號通過DWDM系統(tǒng)傳播的過程中，由于系統(tǒng)和傳輸媒介的特點，會發(fā)生不同程度的信號失真。2.5Gb/s以下速率的信號因速率低而受失真的影響不大；而10Gb/s以上的高速率信號對這些信號失真非常敏感，受影響很大，因此系統(tǒng)優(yōu)化對保證高速率大容量DWDM網(wǎng)絡(luò)的高性能至關(guān)重要。造成信號失真的因素主要有如下兩大類：一是線性失真，二是非線性失真。

廣義的DWDM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是一個涉及面很廣的過程，包括了項目招投標時基本配置的確定、工程執(zhí)行期間對實際參數(shù)的測量、根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整DCM模塊和泵浦卡以及各個具體段的實際參數(shù)設(shè)置、信號預(yù)加重調(diào)整等過程。DWDM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是一個科學(xué)、嚴謹?shù)倪^程，必須嚴格按照相關(guān)的操作指示和計算結(jié)果，不允許憑空想象、隨意而為；另外，鑒于光纖接頭清潔對于2.5Gb/s或者10Gb/s速率DWDM網(wǎng)絡(luò)的重要性，必須確保整條鏈路每個光接頭都是完好的和干凈的，否則會影響優(yōu)化結(jié)果、導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。優(yōu)化后的DWDM系統(tǒng)主要參數(shù)的冗余度一般是：單段衰耗3dB，全程色散約400ps/nm。如果出現(xiàn)如下情況，一般需要重新優(yōu)化；線路衰耗變化過大且無法恢復(fù)，則需要重新計算，必要時更改光功率參數(shù)；線路光纖類型不變但長度發(fā)生較大變化，則需要重新計算，可能需要調(diào)整DCM模塊順序或更換DCM模塊；線路光纖類型發(fā)生改變，則肯定需要重新計算，調(diào)整DCM模塊，并做重新優(yōu)化。

總之，對于新建的DWDM鏈路，只有進行科學(xué)嚴謹、精確有效的系統(tǒng)優(yōu)化，才能夠徹底擺脫傳統(tǒng)DWDM鏈路在長距離和高速率、大容量之間很難完全兼得的限制，真正實現(xiàn)高速率、大容量、長距離、高性能的傳輸。