光网络技术课程综述
——你所了解光网络的主要技术、发展及其应用
(10 级电子与通信工程
丁 彦
学号:1039227010)
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
光网络的主要技术、发展及其应用
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
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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
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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
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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
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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
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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。
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图 1 OXC 的一般构成
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
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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。
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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
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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
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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
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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。
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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
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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。
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本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/b2e52ceadf3383c4bb4cf7ec4afe04a1b071b09d.html
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