全光通信技術(shù)

簡(jiǎn)介

全光通信的實(shí)現(xiàn)，可以分為兩個(gè)階段來完成：首先是在點(diǎn)-點(diǎn)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(hào)的流動(dòng)就沒有光電轉(zhuǎn)換的障礙，信息傳遞過程無需面對(duì)電子器件速率難以提高的困難。這樣的長(zhǎng)距離傳輸完全靠光波沿光纖傳播，稱為發(fā)端與收端間點(diǎn)-點(diǎn)全光傳輸。那么整個(gè)光纖通信網(wǎng)任一用戶地點(diǎn)應(yīng)該可以設(shè)法做到與任一其它用戶地點(diǎn)實(shí)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(hào)處理、儲(chǔ)存、交換，以及多路復(fù)用/分接、進(jìn)網(wǎng)/出網(wǎng)等功能都要由電子技術(shù)轉(zhuǎn)變成光子技術(shù)完成，整個(gè)通信網(wǎng)將由光實(shí)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(luò)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(wù)格式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過選擇合適的波長(zhǎng)進(jìn)行透明的發(fā)送或從別的節(jié)點(diǎn)處接收。通過對(duì)波長(zhǎng)路由的光交叉設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)配置，透明光傳輸可以擴(kuò)展到更大的距離。外部控制部分可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，使得波長(zhǎng)和容量在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)動(dòng)態(tài)分配以滿足通信量、業(yè)務(wù)和性能需求的變化，并提供一個(gè)生存性好、容錯(cuò)能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)。

近十年來,國(guó)際上對(duì)全光通信傳輸?shù)难芯刻貏e活躍。主要是因?yàn)楣饫w通信技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)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(jì)90年代開始應(yīng)用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)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(fù)用(DWDM)技術(shù)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(dá)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(dāng)光信息流傳送到節(jié)點(diǎn)時(shí),都需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?span id="mnrsqrs" class='hrefStyle'>電信號(hào),再由電子器件對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理,然后再將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)繼續(xù)往下傳送。而電子器件的處理能力相對(duì)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(diǎn)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(shù)

全光通信的實(shí)現(xiàn)將使上述問題迎刃而解。實(shí)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(biāo)，而要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)需要有先進(jìn)的技術(shù)來支撐，下面就是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、有效、可靠的全光通信應(yīng)采用的技術(shù)：

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

2、光監(jiān)控技術(shù)：在全光通信系統(tǒng)中，必須對(duì)光放大器等器件進(jìn)行監(jiān)視和管理。一般技術(shù)采用額外波長(zhǎng)監(jiān)視技術(shù)，即在系統(tǒng)中再分插一個(gè)額外的信道傳送監(jiān)控信息。而光監(jiān)控技術(shù)采用1510nm波長(zhǎng)，并且對(duì)此監(jiān)控信道提供ECC的保護(hù)路由，當(dāng)光纜出現(xiàn)故障時(shí)，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(shù)：大家知道，信息在光纖通道中傳輸時(shí)，如果光纖損耗大和色散嚴(yán)重將會(huì)導(dǎo)致最后的通信質(zhì)量很差，損耗導(dǎo)致光信號(hào)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(hào)功率。色散會(huì)導(dǎo)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(yán)重影響了通信質(zhì)量。因此，必須采取措施對(duì)光信號(hào)進(jìn)行再生。目前，對(duì)光信號(hào)的再生都是利用光電中繼器，即光信號(hào)首先由光電二極管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)電路整形放大后，再重新驅(qū)動(dòng)一個(gè)光源，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的再生。這種光電中繼器具有裝置復(fù)雜、體積大、耗能多的缺點(diǎn)。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(gè)放大器的距離接入一個(gè)光調(diào)制器和濾波器，從鏈路傳輸?shù)墓庑盘?hào)中提取同步時(shí)鐘信號(hào)輸入到光調(diào)制器中，對(duì)光信號(hào)進(jìn)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(zhǔn)和重新定時(shí)。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(diǎn)，成為全光信息處理的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

4、動(dòng)態(tài)路由和波長(zhǎng)分配技術(shù)：給定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浜鸵惶仔枰诰W(wǎng)絡(luò)上建立的端到端光信道，而為每一個(gè)帶寬請(qǐng)求決定路由和分配波長(zhǎng)以建立光信道的問題也就是波長(zhǎng)選路由和波長(zhǎng)分配問題（RWA）。目前較成熟的技術(shù)有最短路徑法、最少負(fù)荷法和交替固定選路法等。根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否提供波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能，光通路可以分為波長(zhǎng)通道（WP）和虛波長(zhǎng)通道（VWP）。WP可看作VMP的特例，當(dāng)整個(gè)光路都采用同一波長(zhǎng)時(shí)就稱其為波長(zhǎng)通道反之是虛波長(zhǎng)通道。在波長(zhǎng)通道網(wǎng)絡(luò)中，由于給信號(hào)分配的波長(zhǎng)通道是端到端的，每個(gè)通路與一個(gè)固定的波長(zhǎng)關(guān)聯(lián)，因而在動(dòng)態(tài)路由和分配波長(zhǎng)時(shí)一般必須獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(gè)網(wǎng)絡(luò)所有波長(zhǎng)復(fù)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(shí)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)路由和波長(zhǎng)分配所需時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。而在虛波長(zhǎng)通道網(wǎng)絡(luò)中，波長(zhǎng)是逐個(gè)鏈路進(jìn)行分配的，因此可以進(jìn)行分布式控制，這樣可以大大降低光通路層選路的復(fù)雜性和選路所需的時(shí)間但卻增加了節(jié)點(diǎn)操作的復(fù)雜性。由于波長(zhǎng)選路所需的時(shí)間較長(zhǎng)，近期提出了一種基于波長(zhǎng)作為標(biāo)記的多協(xié)議波長(zhǎng)標(biāo)記交換（MPLS）的方案，它將光交叉互聯(lián)設(shè)備視為標(biāo)記交換路由器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制和管理。在基于MPLS的光波長(zhǎng)標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)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(luò)進(jìn)行業(yè)務(wù)接入，同時(shí)電子處理功能模塊完成MPLS中較復(fù)雜的標(biāo)記處理功能，而核心路由器利用光互聯(lián)和波長(zhǎng)變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)標(biāo)記交換和上下路等比較簡(jiǎn)單的光信號(hào)處理功能。它可以更靈活地管理和分配網(wǎng)絡(luò)資源，并能較有效地實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)管理及網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)、恢復(fù)。

5、光時(shí)分多址（OTDMA）技術(shù)：該技術(shù)是在同一光載波波長(zhǎng)上，把時(shí)間分割成周期性的幀，每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙（無論幀或時(shí)隙都是互不重疊的），然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使每個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）在每幀內(nèi)只按指定的時(shí)隙發(fā)送信號(hào)，然后利用全光時(shí)分復(fù)用方法在光功率分配器中合成一路光時(shí)分脈沖信號(hào)，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(shí)分分解復(fù)用。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確，可靠的光時(shí)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(shí)可能發(fā)生碰撞，光交換局必須測(cè)定它與各ONU的距離，井在下行信號(hào)中規(guī)定光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）的嚴(yán)格發(fā)送定時(shí)。

6、光突發(fā)數(shù)據(jù)交換技術(shù)：該技術(shù)是針對(duì)目前光信號(hào)處理技術(shù)尚未足夠成熟而提出的，在這種技術(shù)中有兩種光分組技術(shù)：包含路由信息的控制分組技術(shù)和承載業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組技術(shù)?？刂品纸M技術(shù)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(shù)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(shù)：該技術(shù)是將多個(gè)不同波長(zhǎng)且互不交疊的光載波分配給不同的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU），用以實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)的傳輸，即各ONU根據(jù)所分配的光載波對(duì)發(fā)送的信息脈沖進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生多路不同波長(zhǎng)的光脈沖，然后利用波分復(fù)用方法經(jīng)過合波器形成一路光脈沖信號(hào)來共享傳輸光纖并送入到光交換局。在WDMA系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)任何允許節(jié)點(diǎn)共享信道的多波長(zhǎng)接入，必須建立一個(gè)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(jī)接入?yún)f(xié)議（包括預(yù)留機(jī)制、交換和碰撞預(yù)留技術(shù)）及仲裁規(guī)程和改裝發(fā)送許可等。

8、光轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)：在全光通信系統(tǒng)中，對(duì)光信號(hào)的波長(zhǎng)、色散和功率等都有特殊的要求，為了滿足ITU-T標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，必須采用光-電-光的光轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)對(duì)輸入的信號(hào)光進(jìn)行規(guī)范，同時(shí)采用外調(diào)制技術(shù)克服長(zhǎng)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(shí)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(jià)格比解決方案，并且光轉(zhuǎn)發(fā)單元發(fā)射部分的波長(zhǎng)穩(wěn)定度在0~60°C范圍內(nèi)小于±3GHz。

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

10、空分光交換技術(shù)：該技術(shù)的基本原理是將光交換元件組成門陣列開關(guān)，并適當(dāng)控制門陣列開關(guān)，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(jī)械型、光電轉(zhuǎn)換型、復(fù)合波導(dǎo)型、全反射型和激光二極管門開關(guān)等，如耦合波導(dǎo)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(chǎng)的變化而發(fā)生變化的光學(xué)特性。以鈮酸鉀為基片，在基片上進(jìn)行鈦擴(kuò)散，以形成折射率逐漸增加的光波導(dǎo)，即光通路，再焊上電極后即可將它作為光交換元件使用。當(dāng)將兩條很接近的波導(dǎo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)合，通過這兩條波導(dǎo)的光束將發(fā)生能量交換。能量交換的強(qiáng)弱隨復(fù)合系數(shù)。平行波導(dǎo)的長(zhǎng)度和兩波導(dǎo)之間的相位差變化，只要所選取的參數(shù)適當(dāng)，光束就在波導(dǎo)上完全交錯(cuò)，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(shù)：為了克服光纖傳輸中的損耗，每傳輸一段距離，都要對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)傳輸容量擴(kuò)大的“瓶頸”。于是一種新型的光放大技術(shù)就出現(xiàn)了，例如摻鉺光纖放大器的實(shí)用化實(shí)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(shí)使傳輸鏈路“透明化”，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，成幾倍或幾十倍地?cái)U(kuò)大了傳輸容量，促進(jìn)了真正意義上的密集波分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展，是光纖通訊領(lǐng)域上的一次革命。

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

13、無源光網(wǎng)技術(shù)（PON）：無源光網(wǎng)技術(shù)多用于接入網(wǎng)部分。它以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式為光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡(luò)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(shù)。目前使用中的有時(shí)分多址接入（TDMA）、波分復(fù)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(fù)用器和光衰減器。拓?fù)浣Y(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(luò)內(nèi)部是透明的光網(wǎng)絡(luò),能容納多種業(yè)務(wù)格式。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過選擇合適的波長(zhǎng)進(jìn)行透明的發(fā)送或接收。通過對(duì)光交叉連接(OXC)的適當(dāng)配置,可以進(jìn)一步擴(kuò)展透明光傳輸?shù)木嚯x。在全光網(wǎng)的外部還有一個(gè)通用網(wǎng)絡(luò)控制部分,用來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu),使得波長(zhǎng)和容量能在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配,以適應(yīng)通信和業(yè)務(wù)性能不斷變化的需要。

按照分層的概念,全光網(wǎng)絡(luò)一般由業(yè)務(wù)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(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)層,即光通路層、光復(fù)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(hào)的光通路提供端到端的聯(lián)網(wǎng)功能;光復(fù)用段層為多波長(zhǎng)光信號(hào)提供聯(lián)網(wǎng)功能;光傳輸段層為光信號(hào)提供在各種不同類型的光傳輸媒質(zhì)中傳輸?shù)墓δ堋Ｕ麄€(gè)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(luò)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(jiǎn)單、便于維護(hù)、可靠性高以及具有網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn);它以波長(zhǎng)選擇路由,對(duì)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(wù)。此外,由于它能根據(jù)業(yè)務(wù)量需求的變化改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有網(wǎng)絡(luò)的可重組性,因而有利于網(wǎng)絡(luò)資源的充分利用。