光网络的主要技术、发展及其应用

光纤通信是以光波为载波，以光纤为传输介质的一种通信方式。随着通信网传输容量的不断增加，光纤通信也发展到了一定的高度。但是目前的光纤通信技术存在不少弊端，急需对其进行改进。为了解决这些弊端，人们提出了光网络。光网络以其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性，已成为下一代高速宽带网络的首选。这里的光网络，是指全光网络（All Optical Network，AON）。

1 全光网络的概念

全光网络是指光信息流从源节点到目的节点之间进行传输与交换中均采用光的形式，即端到端的完全的光路，中间没有电信号的介入，在各网络节点的交换，则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（OXC）。它是建立在光时分复用（OTDM）或者密集波分复用（DWDM）基础上的高速宽带信息网。

2 全光网络的特点

全光网络的发明与运用，可以不用在源节点与目的节点之间的各节点进行光电交换、电光交换，弥补了传统光纤通信中存在的带宽限制、严重串话、时钟偏移、高功耗等一些不足，拥有更强的可管理性、透明性、灵活性。

全光网络与传统通信系统相比，具有以下一些特点：

1) 节约成本。

由于全光网络中不需要进行光电转换，这就避免使用传统通信系统中需要的光电转换器材，节省这些昂贵的器材费用，也克服了传输途中由于电子器件处理信号速率难以提高的困难，大大提高了传输速率。此外，在全光网络中，大多会采用无源光学器件，这也带来了成本和功耗的降低。

2) 组网灵活。

全光网络可以根据通信容量的需求，在任何节点都能抽出或加入某个波长，动态地改变网络结构，组网极具灵活性。当出现突发业务时，全光网络可以提供临时连接，达到充分利用网络资源的目的。

3) 透明性好。

全光网络采用波分复用技术，以波长选择路由，对传输码率、数据格式以及调制方式等具有透明性。可方便地提供多种协议的业务。

4) 可靠性高。

在全光网络中不需要光电转换，在传输过程中没有存储和变换，采用的许多光器件都是无源的， 极大地提高了传输的可靠性。

3 全光网络的主要技术、发展及其应用

3.1 光纤技术

光纤是光网络的传输媒质，光纤技术的发展，直接决定着光网络技术的发展。光纤可以简单分为单模光纤和多模光纤。当光纤的直径减小到一个光波波长的时，光在其中无反射地沿直线传播，即只能传输一个传播模式的光纤，通常称为单模光纤。与多模光纤相比，单模光纤传输具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点。早期由于技术原因，多使用多模光纤，现在以单模光纤为主。

单模光纤传输的特性及对传输速率的影响如下：

1) 频带宽，通信容量大。目前可用85 nm波长区、1310nm波长区和1550nm波长区所对应的固定带宽就有约60 THz，巨大的频带带宽是光纤最突出的优点，这对传输各种宽频带信息意义十分重要。

2) 损耗低，中继距离长。单模光纤的衰减特性有随波长递增而减小的总趋势，除了靠近1385nm附近由OH根造成的损耗峰外，在1310 ~1600nm间都趋于平坦。现在一般都使用1310nm波长区和1550nm波长区，由于最低衰减常数（0.2dB/km）位于1550nm附近，因此长距离光纤传输系统都采用1550nm波长区。

3) 色散。色散是指光脉冲在光纤中传播的过程中会散开的现象，随着传输速率的提高，色散成为传输系统中不可忽视的因素，它会导致脉冲间的干扰，造成不可接受的误码率，其数量和波长有关。

4) 非线性效应。系统中使用EDFA，使送进光纤的光功率增强很多，进入光纤的高光功率使光信号和光纤相互作用产生各种非线性效应，从而影响信噪比。

3.2 光交换技术

光交换是指不经过任何光 / 电转换，将输入端光信号直接交换到任意的光输出端。光交换技术作为全光网中的一个重要支撑技术，在全光网络中发挥着重要的作用。其中最关键工作是波长变换，光交换实质上也是对光的波长进行处理，也可称为波长交换。

光交换技术能够保证网络的可靠性和提供灵活的信号路由平台，尽管现有的通信系统都采用电路交换技术，但发展中的全光网络却需要由纯光交换技术来完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。光交换技术为进入节点的高速信息流提供动态光域处理，仅将属于该节点及其子网的信息上下路并交由电交换设备继续处理，这样做具有以下几个优点：

1) 可以克服纯电子交换的容量瓶颈问题；

2) 可以大量节省建网和网络升级成本。如果采用全光网技术，将使网络的运行费用节省 70%，设备费用节省 90%；

3) 可以大大提高网络的重构灵活性和生存性，以及加快网络恢复的时间。

光交换可分为光路光交换和分组光交换 2 类。光路交换又可分成3 种类型，即空分（SD）、时分（TD）和波分/ 频分（WD/FD）光交换，以及由这些交换形式组合而成的结合型。

空分光交换是使光信号的传输通路在空间上发生改变，基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之间构成通路。空分光交换按光矩阵开关所使用的技术又分成基于波导技术的波导空分与使用自由空间光传播技术的自由空分光交换。

时分光交换是以时分复用为基础，运用时隙互换原理来实现交换的功能。即把一条复用信道划分成若干个时隙，每个基带数据光脉冲流分配占用一个时隙，N 个基带信道复用成高速光数据流信号进行传输。时分光交换的关键是开发高速光逻辑器件。

波分/ 频分光交换是以波分复用为基础，信号的实现是通过不同波长，选择不同网络通路完成，由波长开关进行交换。波分光交换由波长复用器、波长选择空间开关和波长互换器组成。

混合光交换是指在一个交换网络中同时应用 2 种以上的光交换方式。常用混合交换方式有空分+时分，空分+波分，空分+时分+波分等复合方式。

目前市场上出现的光交换机大多数是基于光电和光机械的，随着光交换技术的不断发展和成熟，基于热学、液晶、声学、微机电技术的光交换机将会逐步被研究和开发出来。

由光电交换技术实现的交换机通常在输入输出端各有两个有光电晶体材料的波导，而最新的光电交换机则采用了钡钛材料，这种交换机使用了一种分子束取相附生的技术，与波导交换机相比，该交换机消耗的能量比较小。

随着液晶技术的成熟，液晶光交换机将会成为光网络系统中的一个重要设备，该交换设备主要由液晶片、极化光束分离器、成光束调相器组成，而液晶在交换机中的主要作用是旋转入射光的极化角。当电极上没有电压时，经过液晶片的光线极化角为 90°，当有电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持它的极化状态不变。

另外，市场上目前又开发了基于不同类型的特殊微光器件的光交换机，这种类型的交换机可以由小型化的机械系统激活，而且它的体积小，集成度高，可大规模生产，我们相信这种类型的交换机在生产工艺水平不断提高的将来，一定能成为市场的主流。

随着通信网络逐渐向全光平台发展，网络的优化、路由、保护和自愈功能在光通信领域中越来越重要。采用光交换技术可以克服电子交换的容量瓶颈问题，实现网络的高速率和协议透明性，提高网络的重构灵活性和生存性，大量节省建网和网络升级成本。

3.3 光交叉连接（OXC）技术

光交叉连接（OXC） 是用于光纤网络节点的设备，是全光网络的关键器件。光交叉连接技术是通过对光信号进行交叉连接，能够灵活有效地管理光纤传输网络，实现可靠的网络保护/恢复以及自动配线和监控的重要手段。

光交叉连接（OXC）主要由光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口、管理控制单元等模块组成（如图 1）。为增加OXC的可靠性，每个模块都具有主用和备用的冗余结构；为增加 OXC 的可靠性。OXC会自动进行主用和备用的倒换。光交叉连接矩阵是OXC 的核心，它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠，并且要具有单向、双向和广播形式的功能。输入输出接口直接与光纤链路相连，分别对输入输出信号进行适配、放大。管理控制单元通过编程对光交叉连接矩阵、输入输出接口模块进行监测和控制。

通常根据OXC是否具有疏导低速业务流的能力以及疏导能力的强弱程度，可以将OXC分为以下三类：

1) 传统OXC：这种OXC只具有波长交换能力，不具有疏导低速业务流的能力。只有通过OXC外挂其他汇聚/接汇聚能力的网络设备，才能实现低速业务量的疏导；

2) 单跳疏导OXC：具有波长交换能力，具有低速汇聚端口，可以将多个低速业务流疏导到一个波长通道，然后交换到某个出口。但这类OXC不具有低速业务交换能力，因此一个光路上的业务流必须具有相同的源、宿节点；

3) 多跳疏导OXC：同时具有波长交换和低速业务流交换。这种OXC中包含两大模块：波长交换矩阵和电交换矩阵。含有部分非本地业务的光路可以通过光接收器转变成电信号，进入电交换矩阵，非本地业务和本地出发的低速业务一起疏导到另一个光路上传输。不需要在本地上/下业务的光路通过OXC直接旁路，进而减少网路节点负担。如果OXC的每一个光纤接口上配备与光纤中波长数目相等的光收发器，则所有的光路都可以下到电域，进入电交换矩阵。

OXC 分为空分、时分和波分三种类型。其中，波分和空分技术目前比较成熟。此外，如果将 WDM 技术与空分技术相结合，可极大提高交叉连接矩阵的容量和灵活性。

3.4 光分插复用技术

光分插复用技术（OADM）是从一个波分多路复用（WDM）光束中分出一个信道或分出功能，并以相同波长往光载波上插入新的信息或功能。其基本原理示意图如图 2所示。

一般的OADM节点可以用四端口模型来表示，基本功能包括三种：下路需要的波长信道，复用进上路信号，使其他波长信道尽量不受影响地通过。OADM具体的工作过程如下：从线路来的WDM信号包含N个波长信道，进人OADM的人光纤端（Main lnput），根据业务需求，从N个波长信道中，有选择性地从下路端（Drop）输出所需的波长信道，相应地从上路端（Add）输入所需的波长信道。而其他与本地无关的波长信道就直接通过OADM，和上路波长信道复用在一起后，从OADM的线路出光纤端(Main Output)输出。

图 2 OADM的基本原理示意图

这种技术主要应用于环形网中，并具有选择性，既可以从传输设备中选择上路信号或下路信号，也可以只通过某一个波长信号，而不影响其他波长信道的传输。也就是说，OADM更透明地在光域内实现了传统的SDH设备中的电分插复用器ADM在时域中的功能，可以处理任何格式和速率的信号，使整个光网络的灵活性大大提高。

目前已有的OADM方案，分为可重构和非重构型两类。前者主要采用复用器/解复用器以及固定滤波器等无源光器件，在节点上、下固定一个和多个波长，性能可靠没有延时，但是缺乏灵活性。后者采用光开关、可调谐滤波器等光器件，能动态调节OADM节点上、下话路的波长，从而达到光网络动态重构的能力，使网络的波长资源得到良好的分配，但结构复杂且具有延时。

OADM设备在长途干线和城域网中均有用武之地。在干线应用中，OADM是有上下业务的中间节点的首选设备。OADM应用的主战场还是城域网，可以发挥其组网灵活、易于网络升级和扩大规模，是城域网应用理想的多业务传输平台，国内外各大学、公司和团体都展开了比较深入的研究，有力的推动了OADM商业化进程。

OADM的发展趋势概括来说，主要体现在如下两个方面：

1) 集成化成为 OADM的关键特征

光网络造价昂贵，所需费用大部分是系统中的光器件。要使全光网从理念变为现实，光器件的价格还需要大幅度下降。降低费用的一个可行的办法是将多个功能集成在单一芯片中，制作这些集成器件的平台即广义的平面光波导（PLC）。PLC 型热光开关目前已有多家厂商投入商用。将无源波导和有源波导集成到一个衬底上，可实现单片集成的热光开关。在一个片基上集成不同功能的技术将来有望实现单个芯片的高级网络操作。

PLC 是在硅基片上利用波导形成的光路，是半导体工业技术发展的产物。利用这种技术，多个器件可以集成到一起，降低制造和封装的费用。波导材料包括玻璃和聚合物，不同的生产工艺还可以制造出掺有 InP 的半导体波导和 LiNbO3 等无机晶体。

MEMS 技术与集成电路的生产工艺和过程类似，用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置，具有极高的自动化程度，实现批量生产可大大降低生产成本。MEMS 技术采用模块设计，设备运用商在增加系统容量时只需要直接增加器件/系统的数量，非常便于扩展。因此 MEMS 技术将成为未来实现全光网络中的一个关键技术。

2) 增加光层的网络管理和监控功能

网络在光层上的保护、恢复和备用问题变得非常重要，这些功能需要在光路上进行交换实现。最简单的保护倒换措施是 1:1方式，即一根主用光纤和一根备用光纤，通过不同的路由达到同一个目的地，由一个 1×2 开关连接到网络上。如果主用光纤切断或者损坏，开关自动切换到备用光纤。在实际的操作中，这样一个简单的例子也存在挑战，即如何探测到网络故障。可以看出，随着网络容量的增加和结构趋于庞杂，光分插复用和交叉连接都必须有自动监控或远程控制功能。

总之，随着器件集成化的进一步研究与发展以及网管和监控功能的不断实现，OADM技术在未来光网络的发展中将呈现越来越广泛的应用前景，也将在全光网络发展的舞台上扮演越来越重要的角色。

3.5 光放大技术

光信号在光纤中传输，由于光纤的损耗限制了光纤的通信距离，为了延长光信号的传输距离，需要对光信号进行放大。光纤放大器是建立全光网的核心技术之一。

光纤放大器是用来提高光信号强度的器件，它的工作不需要转换光信号到电信号然后再转回光信号，常作为中继放大器，这个特性导致光放大器比再生器有两大优势，第一，放大器支持任何比特率和信号格式，因此光放大器简单地放大所收到的信号，也就是说对任何比特率和信号格式是透明的；第二，光放大器不仅支持单个信号波长放大，而且支持一定波长范围的光信号放大，其原理如图 3所示。

图 3 光纤放大器流程图

光放大器按工作原理大体可分为3类：半导体光放大器、掺杂型光纤放大器和非线性光纤放大器。半导体光放大器的结构与LD大体相同，利用电激励来实现光放大。掺杂型光纤放大器，主要是在光纤的纤芯中掺杂一些稀土金属，并利用稀土金属离子作为激光工作物质来进行光放大的器件。目前，光放大技术主要采用掺铒光纤放大器（EDFA）。EDFA利用掺铒光纤的非线性效应，把泵浦光输入到掺铒光纤中，使光纤中的铒原子的电子能级升高，当高能级电子向低能级跃迁时，向外辐射出光子，当有光信号输入时，辐射光的相位和波长会自发与信号光保持一致，这样在输出端就可以得到功率较强的光信号，实现光信号放大。EDFA具备高增益、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关等优点。

光放大技术的应用方式按光放大器所处位置及相应作用的不同可分为3种，如图 4所示：

1) 在线放大。在长距离光纤传输中，光放大器可周期性地恢复因损耗而减弱的光功率，从而增加中继器之间的距离。

2) 功率放大。将光放大器安装在光发送机后，可提高发送功率，增加传输距离。

3) 前置放大。

图 4 光纤放大器的三种可能应用

4 结束语

在信息化时代，人们对通信业务提出了高层次和多样化的需求，这对通信网络的容量也提出巨大的挑战，光网络的提出给通信领域带来了蓬勃发展的机遇。现阶段全光网络主要应用于局域网（LAN）、城域网（MAN）等内部的光路由选择等领域。从未来发展来看，全光网络的应用势必将扩展到广域网，其发展也必然向空分、时分与波分相结合的方向发展。随着对光电的研究以及光纤通信技术的发展，全光网络系统将会充分利用光纤频谱资源，实现超高速率、超大容量的多媒体综合业务通信服务，最终形成实用化的全光信息处理系统，使得通信技术得到质的飞跃。