全光网络的关键技术及其发展研究

胡成旭

摘   要：全光网络属于光纤通信技术的最高发展阶段，也是网络发展的主要方向之一，这是由于全光网络能够有效节省通信系统成本、提升通信系统性能。基于此，文章将简单介绍全光网络的关键技术，并深入探讨全光网络的发展趋势，希望研究内容能够为相关业内人士带来一定启发。

关键词：全光网络;光交换技术;光交叉连接技术

传统光纤通信系统存在弯曲半径存在限制、切断和连接操作较为复杂、分路和耦合较为繁琐、安全性能不高等缺陷，因此，光纤通信逐渐无法满足人们日渐提升的网络需求。为进一步提高网络通信的安全性、稳定性、灵活性，全光网络技术的应用必须得到重点关注，这正是本文围绕全光网络关键技术及其发展开展具体研究的原因。

1    全光网络的关键技术

1.1  光交换技术

作为全光网络的关键技术，光交换技术的应用可实现光节点处的光纤端口随意选择，光信号的选路和交换需要可得到较好满足。因此，也可以将光交换技术视作全光网络的特点之一，全光网络的安全性、稳定性、经济性可在光交换技术支持下得到大幅提升。波长的变换属于光交换技术的重点，为保证全光网络的数据传输性能，基于光交换技术的光波长处理必须得到重视，这便是光交换技术被称作波长交换技术的原因。光交换技术可细分为光路交换技术和分组交换技术，光路交换技术能够进一步细分为波分/频分光交换技术、时分光交换技术、空分光交换技术，3种技术可基于实际选择复合使用或单独使用。在空分光交换技术的应用中，能够实现光信号在传输通路上的改变，自由空分和波导空分的光交换可基于光矩阵开关相关技术实现。时分复用属于时分光交换技术的基础，交换目的可基于时隙互换的原理实现。波分复用为波分/频分光交换技术的基础，在信号以不同网络通路和波长完成后，该技术可基于波长开关实现交换[1]。

1.2  光信息再生技术

光纤的色散和损耗会直接影响传统光纤通信的安全与稳定，码间的干扰往往与色散存在直接联系，光纤系统的误码率也会因此大幅提升。信息传输距离的增加必然会造成传统光纤通信损耗，按照指数规律，衰减的光信号幅度属于损耗的源头，而通过全光网络的关键技术光信息再生技术实现光信息的再生，即可较好保证信息传输质量。光电中继器属于传统的光信号再生手段，通过光带二极管将光信号转变为电信号，辅以整修放大，最终通过光源的重新驱动实现再生。但由于这类装置大多体积较大、结构复杂、能力消耗巨大，光纤通信的信息色散与损耗问题并没有得到根本解决。但在全光网络的光信息再生技术应用中，该技术以光纤链路为基础，接入光调制器和滤波器，即可通过光调制器中输入的光信号钟信号，实现有周期、有规律的光信号调制，光脉冲的频谱拓宽、窄小化处理可由此实现，系统噪声和频率漂移也能够得到有效控制，最终重新定时和校准光脉冲位置。全光传输型的中继器属于全光网络光信息再生技术的应用核心，信号的放大和传输由此即可围绕光路直接完成。

1.3  光分插复用技术

在不影响其他波长信道传输的前提下，光分插复用技术可有选择地从波分多路复用光束中分出功能或一个信道，并插入新的功能和信息（基于相同波长），其他波长信道的传输并不会受到影响。在环形的网络中，光分插复用技术的应用具备较强的选择性优势。光分插复用技术的应用要求插入口和分出口之间的隔离度大于25 dB，输出口和输入口的隔离度也需要满足该要求，由此可最大限度地降低波长的干扰，隔离度的设置也能够有效服务于传输性能的控制。光分插复用技术的应用需得到光率波器件的支持，以此实现上路或下路的波长选择，各种速率和形式的信号可由此得到有效处理，且具备良好的透明性。光滤波器件属于光分插复技术的核心器件，在全光网络中也发挥着关键性作用，全光网络的效率和安全性直接受其影响[2]。

1.4  光交叉连接技术

光交叉连接技术的应用需基于位于光纤网络节点的光交叉连接设备实现，该设备属于全光网络的核心器件之一，全光网络的构成离不开光纤与光交叉连接的支持。通过对光信号的交叉连接，光交叉连接技术可实现波长资源更为有效的利用，波长重用也能够有效实现，光纤传输网络的管理灵活性和有效性将由此得到大幅提升。光交叉连接技术具备网络恢复、路由选择、网络保护、自动配线和监控等功能，管理控制单元等模块、输出接口、输入接口、光交叉连接（Optical Cross Connect，OXC）矩阵属于光交叉连接的主要构成模块，为提高设备的可靠性，每个模块均设置有主用和备用的冗余结构。光交叉连接技术的核心为OXC矩阵，具备单双向和广播形式功能，以及高可靠性、低延迟、无阻塞等特性。输入接口主要用于适配信号，输出接口用于放大信号，对其他模块的监测和控制由管理控制單元负责。光交叉连接技术也可细分为波分、时分、空分3类，其中，时分技术尚不成熟，为了提高交叉连接矩阵的灵活性和容量，可结合空分技术与波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术。

2    全光网络的发展展望

2.1  前景展望

虽然光传输速率不断提升，全光网络的发展速度也在不断提升，但是为满足超高速网络的建设需要，原有的网络节点设备将出现适用性问题。如果不实现设备的更新换代，网络的复杂繁琐程度必将大幅提升，电子“瓶颈”也将直接制约高速传输，可见全光网络的发展是解决这类困境的唯一出路。通过打破传统“瓶颈”，超大容量的网络可基于全光网络实现，较强的扩展性也能够满足业务量和网络节点数不断增长的需要，且这一过程中原有的网络结构不会受到影响。由于具备较高的透明性，全光网络在应用中可允许不同速率、体制、格式的信号混合，且允许不同类型的新老系统互连。此外，全光网络的重构性特点也使得网络组建的灵活性大幅提升，这主要得益于光交叉连接等技术的支持，网络的可维护性与可靠性也能够同时得以提升。

我國的干线网较为庞大且幅员辽阔，因此，通过应用全光网络在干线网交叉节点建立光波长变换和光交叉连接，端到端的“虚波长”通路即可顺利实现，用户端到端的连接也能够同时得以实现，电路间的调配转接难度将大幅下降。从发展趋势进行分析可以发现，全光网络可基于网络领域的发展逐步完善，真正基于光交换技术与光交换技术的光网络层也能够由此得以建立，光/电“瓶颈”可通过纯粹的全光网络得以打破，传送网分层化的发展也能够获得有力支持。在具体实践中，可在分插复用器（Add and Drop Multiplexer，ADM）和DXC之下提出新的全光网络层，网络结构的简化可大幅提升网络可靠性，且全光网络层不会对业务和承载信号造成直接影响。随着全光网络与用户家庭、服务器、路由器、企业网、城域网真正连接，高速网络的建设便能获得充足的动力支持[3]。

2.2  困难和挑战

虽然近年来国内外全光网络相关技术发展迅速，全光网络的关键器件也逐渐完成研发，但想要基于全光网络构建可运营、可维护、可管理且性价比较高的电信级传送网，全光网络在建设中仍面临物理参数预算、光层信号透明、网络传送成本等方面的制约。物理参数预算指的是全光网络中光信号连接存在的异常复杂物理参数预算过程，在大范围超长距离的全光网络中，光信号将因此出现严重劣化，预算的紧张程度也会大幅提升，全光网络的建设会因此面临来自于物理层预算的致命障碍制约。此外，作为动态的光网络，全光网络的规划调度复杂程度较高，且需要得到横向兼容性标准的支持，这同样在很大程度上制约了全光网络的发展。光层信号透明会带来业务信号无法由中间节点识别等问题，且全光网络会因此无法有效监控业务信号质量，这种信号监控与光层信号透明性存在的矛盾必须得到重视。网络传送成本较高同样制约全光网络的建设，在目前的成本结构下，设备成本中光电转换的占比较大，且全光网络无法提供经济、有效的传送方案，全部以光信号处理的业务连接也可能引起严重的波长阻塞，无法充分利用的光纤资源同样会增加网络传送成本，这类问题必须得到业界的重点关注。

3    结语

综上所述，全光网络具备较为广阔的发展前景。在此基础上，本文涉及的光交换技术、光信息再生技术、光分插复用技术、光交叉连接技术等内容，提供了可行性较高的全光网络发展路径。为更好推进全光网络发展，物理参数预算、光层信号透明等问题必须得到重点关注。

[参考文献]

[1]徐展.密集波分复用技术及全光网络研究[J].通讯世界，2019（3）：47-48.

[2]姜峰，杜磊.有线电视全光网络的关键技术及发展前景[J].中国有线电视，2018（10）：1133-1135.

[3]黄巨一，周楠.传输质量可控的全光网络关键技术研究[J].信息通信，2017（7）：257-258.

Research on key technologies and development of all-optical network

Hu Chengxu

（Shenzhen Telecom Engineering Co.， Ltd.， Shenzhen 518020， China）

Abstract：All-optical network belongs to the highest development stage of optical fiber communication technology and is one of the main directions of network development. This is because all-optical network can effectively save communication system cost and improve communication system performance. Based on this， this paper will briefly introduce the key technologies of all-optical networks， and deeply explore the development trend of all-optical networks. It is hoped that the research content will bring some inspiration to relevant industry insiders.

Key words：all-optical network; optical switching technology; optical cross-connect technology