全光网络关键技术及发展前景展望

徐善利

【摘 要】随着光纤通信技术的快速发展，全光网络的技术发展日趋成熟并规模应用。本篇论文介绍了全光网的概念、优点及其关键技术，展望了未来全光通信的发展前景。

【关键词】全光网络；光交换；光复用

一、全光网络的概念

全光网络（AON All Optical Network）是指信号以光的形式穿越整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生、光交叉连接、光分叉复用和交换/选路，中间不需要经过光电、电光转换，以达到全光透明性，实现在任意时间、任意地点、传送任意格式信号的理想目标。也就是说，网络中用户与用户之间的信号传输与减缓全部采用光波技术，即端到端保持全光路，中间没有光电转换器。

二、全光网络的特点

基于波分复用的全光通信网可使通信网具备更强的可管理性、灵活性、透明性。与传统的通信相比，具备如下优点：

1.宽频带，容量大

传输的带宽非常之大，经过WDM和DWDM的复用，可达400GB/S以上的传输容量。

2.速度快，成本低，可靠性高

全光网中采用了较多无源光器件，省去了庞大的光/电/光转换工作量及设备，提高网络整体的传输和交换速度，降低了成本并提高了可靠性。

3.透明传输，组网灵活

在全光网中，由于没有电信号参与处理，所以可以使用各种不同的协议和编码形式，即对信号形式无限制。允许采用不同的速率和协议，组网极具灵活性，在任何节点可以抽出或加入某个波长。

4.可扩展性强

全光网采用波分复用技术，以波长选择路由，可方便地提供多种协议的业务。不仅与现有的网络兼容，而且还支持各种新的宽带综合业务数字网络及网络的升级。用户也可根据需求量，可对现有的全光网进行扩展。

三、全光网络中的关键技术

1.光交换技术

光交换技术可以分成光路交换技术和分组交换技术。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。其中空分交换按光矩阵开关所使用的技术又分成两类，一是基于波导技术的波导空分，另一个是使用自由空间光传播技术的自由空分光交换。光分组交换中，异步传送模式是近年来广泛研究的一种方式。

2.光交叉连接（OXC）技术

OXC是全光网中的核心器件，它与光纤组成了一个全光网络。OXC是用于光纤网络节点的设备，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，是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。OXC交换的是全光信号，它在网络节点处，对指定波长进行互连，从而有效地利用波长资源，实现波长重用，也就是使用较少数量的波长，互连较大数量的网络节点。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，是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。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。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，OXC自动进行主备倒换。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。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。OXC也有空分、时分和波分3种类型。

OXC主要由光交叉连接部分（光交叉连接矩阵）、输入部分（光放大器EDFA、解复用器DMUX）、输出部分（光接口单元OUT、均功器、复用器、EDFA）、管理控制部分、本地上下业务接口这五大部分组成。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，OXC自动进行主备倒换。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、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。

3.光分插复用

OADM具有选择性，可以从传输设备中选择下路信号或上路信号，也可仅仅通过某个波长信号，但不要影响其他波长信道的传输。OADM在光域内实现了SDH中的分插复用器在时域内完成的功能，且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号，能提高网络的可靠性，降低节点成本，提高网络运行效率，是组建全光网必不可少的关键性设备。 特别是OADM可以从一个WDM光束中分出一个信道（分出功能），并且一般是以相同波长往光载波上插入新的信息（插入功能）。对于OADM，在分出口和插入口之间以及输入口和输出口之间必须有很高的隔离度，以最大限度地减少同波长干涉效应，否则将严重影响传输性能。已经提出了实现 OADM的几种技术：WDM DE-MUX和MUX的组合；光循环器或在Mach-Zehnder结构中的光纤光栅；用集成光学技术实现的串联Mach-Zehnder结构中的干涉滤波器。前两种方式使隔离度达到最高，但需要昂贵的设备如WDM MUX/DE MUX或光循环器。Mach-Zehnder结构（用光纤光栅或光集成技术）还在开发之中，并需要进一步改进以达到所要求的隔离度。上面几种OADM都被设计成以固定的波长工作。

4.光放大技术

光纤放大器是建立全光通信网的核心技术之一，也是密集波分复用（DWDM）系统发展的关键要素。DWDM系统的传统基础是掺饵光纤放大器（EDFA）。光纤在1550nm窗口有一较宽的低损耗带宽，可以容纳DWDM的光信号同时在一根光纤上传输。采用这种放大器的多路传输系统可以扩展，经济合理。EDFA 出现以后，迅速取代了电的信号再生放大器，大大简化了整个光传输网。但随着系统带宽需求的不断上升，EDFA也开始显示出它的局限性。由于可用的带宽只有 30nm，同时又希望传输尽可能多的信道，故每个信道间的距离非常小，一般只有O.8～1.6nm，这很容易造成相邻信道间的串话。因此，实际上EDFA 的带宽限制了DWDM系统的容量。最近研究表明，1590nm宽波段光纤放大器能够把DWDM系统的工作窗口扩展到1600nm以上。贝尔实验室和NH的研究化硅和饵的双波段光纤放大器。它由两个单独的子带放大器组成：传统1550nm EDFA（1530nm～1560nm）；1590nm的扩展波段光纤放大器EBFA。EBFA和EDFA的结合使用，可使DWDM系统的带宽增加一倍以上（75nm），为信道提供更大的空间，从而减少甚至消除了串话。因此，1590nm EBFA对满足不断增长的高容量光纤系统的需求迈出了重要的一步。

5.全光网的管理、控制和运作

全光网对管理和控制提出了新的问题：①现行的传输系统（SDH）有自定义的表示故障状态监控的协议，这就存在着要求网络层必须与传输层一致的问题；②由于表示网络状况的正常数字信号不能从透明的光网络中取得，所以存在着必须使用新的监控方法的问题；③在透明的全光网中，有可能不同的传输系统共享相同的传输媒质，而每一不同的传输系统会有自己定义的处理故障的方法，这便产生了如何协调处理好不同系统、不同传输层之间关系的问题。从现阶段的WDM全光网发展来看，网络的控制和管理要比网络的实现技术更具挑战性，网络的配置管理、波长的分配管理、管理控制协议、网络的性能测试等都是网络管理方面需解决的技术。

四、全光网络的发展现状及前景 展望

现阶段全光传送网以波分复用技术为核心，以波分复用的传输、交换和联网技术为重点进行组网。在传输方面，将掺饵光纤放大器（EDFA）用于波分复用传输系统，使大容量长距离全光传输成为可能。在交换技术方面，传统传送网的电路、分组交换也逐渐被空分、时分的光路交换方式替代。在联网技术方面，基于WDM的全光传送网与现有的SDH网已实现了很好的互联，IP over WDM技术也在积极地发展之中。这一切都为我们展现了WDM全光传送网的美好前景。

经济的快速发展，对通信网络的需求越来越高。全光网络技术在骨干网和城域网中的应用已经初具规模，光纤到户FTTH的普及，也使该技术在接入网中得到广泛应用。

相信未来网络将在网络带宽、可扩展性、生存性和运行成本等方面提出更高的要求，网络朝着宽带化发展，网络承载能力更强，运营成本更低；同时，网络也将朝着数据化（特别是IP）方向发展，使之逐渐成为未来所有业务的共载体。