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摘要:光通信就是以光波为载波的通信,是将光信号先转换成为电信号,经传输后再还原成光信号。随着近年来全光网络及光开关技术的应用,光通信网络技术得到飞速发展。
关键词:光交换 全光网络 光分插复用 光交叉连接
1 什么是全光网络技术
全光通信网络是指从源节点到终端用户节点之间的数据传输与交换的整个过程均在光域内进行,即端到端的完全的光路,中间没有电信号的介入。所以不需要经过光/电、电/光变换。因此,全光网络具有对信号的透明性。它通过波长选择器件实现路由选择。除此之外,全光网络还具有扩展性、兼容性、可重构性和可操作性。
2 全光网络的优点
全光网络具备如下以往通信网和现行光通信系统所不具备的优点:
2.1 省掉了大量电子器件。全光网络中光信号的流动不再有光电转换的障碍,克服了途中由于电子器件处理信号速率难以提高的困难,省掉了大量电子器件,大大提高了传输速率。
2.2 提供多种协议的业务。全光网络采用波分复用技术,以波长选择路由,可方便地提供多种协议的业务。
2.3 组网灵活性高。全光网络组网极具灵活性,在任何节点可以抽出或加入某个波长。
2.4 可靠性高。由于沿途没有变换和存储,全光网络中许多光器件都是无源的,因而可靠性高。
3 全光网络中的关键技术
3.1 光交换技术 光交换技术是指不经过任何光/电转换,在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。
光交换技术是全光网络系统中的一个重要支撑技术,它的发展在某种程度上也决定了全光通信的发展。
光交换技术又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。
光交换系统主要由输入接口、光交换矩阵、输出接口和控制单元四部分组成。
由于目前光逻辑器件的功能还较简单,不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能,因此国际上现有的光交换控制单元还要由电信号来完成,即所谓的电控光交换。在控制单元的输入端进行光电转换,而在输出端需完成电光转换。随着光器件技术的发展,光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。
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。
3.2 光交叉连接(OXC)技术 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。
3.3 光分插复用技术 在波分复用(WDM)光网络领域,人们的兴趣越来越集中到光分插复用器上。这些设备在光波长领域内具有传统SDH分插复用器(SDH ADM)在时域内的功能。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。
3.4 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0.8～1.6nm,这很容易造成相邻信道间的串话。
4 全光网络面临的挑战及发展前景
4.1 面临的挑战
4.1.1 网络管理。除了基本的功能外,核心光网络的网络管理应包括光层波长路由管理、端到端性能监控、保护与恢复、疏导和资源分配策略管理。
4.1.2 互连和互操作。ITU和光互连网论坛(OIF)正致力于互操作和互连的研究,已取得了一些进展。ITU的研究集中在开发光层内实现互操作的标准。OIF则更多的关注光层和网络其他层之间的互操作,集中进行客户层和光层之间接口定义的开发。
4.1.3 光性能监视和测试。目前光层的性能监视和性能管理大部分还没有标准定义,但正在开发之中。
4.2 发展前景 市场和用户是决定光网络去向何方的重要因素。全光网络是通信网发展的目标,分两个阶段完成。第一个阶段为全光传送网,即在点对点光纤传输系统中,全程不需要任何光电转换。长距离传输完全靠光波沿光纤传播,称为发端与收端间点对点全光传输。第二个阶段为完整的全光网络。在完成上述用户间全程光传送网后,有不少的信号处理、储存、交换以及多路复用/分用、进网/出网等功能都要由光子技术完成。完成端到瑞的光传输、交换和处理等功能,这是全光网络发展的第二阶段,即完整的全光网络。
5 结束语
从上述全光网络技术的分析及发展趋势来看,光通信发展涉及的范围、技术和影响面已远远超越其本身,势必对整个电信网和信息产业产生深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定着电信网和信息业的未来格局,同时也将对社会经济发展产生巨大的影响。
参考文献:
[1]W.Lin,M.Kao and S. Chi,“The Modified Star Ring Architecture for High-Capacity Subcarrier Multiplexed Passive Optical Networks”,IEEE J.Lightwave Technol.,Vol.19,No.1,2001,pp.32-39.
[2]R.Ramaswami,et al.,“Optical networks:a Practical Perspective”,Academic Press,U.K.,1998,Chapter-3.7.[5]H.T.Mouftah,Photonic Switching Technology,IEEE Press,1999,Chapter 5,9 [6]F.Callegati,et al.,“Exploitation of DWDM for Optical Packet Switching With Quality of Service Guarantees”,IEEE J.Select.Areas Commun.,Vol.20,No.1,2002,pp.190-201.
[3]王丽丽,任建华,徐大雄,吴炜,郭永新.全光网中的波长变换技术[J].光通信技术.2005年02期.
[4]安亚青,李文田.全光波长转换技术的原理及应用[J].光电子技术与信息.2004年06期.
关键词:光交换 全光网络 光分插复用 光交叉连接
1 什么是全光网络技术
全光通信网络是指从源节点到终端用户节点之间的数据传输与交换的整个过程均在光域内进行,即端到端的完全的光路,中间没有电信号的介入。所以不需要经过光/电、电/光变换。因此,全光网络具有对信号的透明性。它通过波长选择器件实现路由选择。除此之外,全光网络还具有扩展性、兼容性、可重构性和可操作性。
2 全光网络的优点
全光网络具备如下以往通信网和现行光通信系统所不具备的优点:
2.1 省掉了大量电子器件。全光网络中光信号的流动不再有光电转换的障碍,克服了途中由于电子器件处理信号速率难以提高的困难,省掉了大量电子器件,大大提高了传输速率。
2.2 提供多种协议的业务。全光网络采用波分复用技术,以波长选择路由,可方便地提供多种协议的业务。
2.3 组网灵活性高。全光网络组网极具灵活性,在任何节点可以抽出或加入某个波长。
2.4 可靠性高。由于沿途没有变换和存储,全光网络中许多光器件都是无源的,因而可靠性高。
3 全光网络中的关键技术
3.1 光交换技术 光交换技术是指不经过任何光/电转换,在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。
光交换技术是全光网络系统中的一个重要支撑技术,它的发展在某种程度上也决定了全光通信的发展。
光交换技术又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。
光交换系统主要由输入接口、光交换矩阵、输出接口和控制单元四部分组成。
由于目前光逻辑器件的功能还较简单,不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能,因此国际上现有的光交换控制单元还要由电信号来完成,即所谓的电控光交换。在控制单元的输入端进行光电转换,而在输出端需完成电光转换。随着光器件技术的发展,光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。
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。
3.2 光交叉连接(OXC)技术 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。
3.3 光分插复用技术 在波分复用(WDM)光网络领域,人们的兴趣越来越集中到光分插复用器上。这些设备在光波长领域内具有传统SDH分插复用器(SDH ADM)在时域内的功能。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。
3.4 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0.8～1.6nm,这很容易造成相邻信道间的串话。
4 全光网络面临的挑战及发展前景
4.1 面临的挑战
4.1.1 网络管理。除了基本的功能外,核心光网络的网络管理应包括光层波长路由管理、端到端性能监控、保护与恢复、疏导和资源分配策略管理。
4.1.2 互连和互操作。ITU和光互连网论坛(OIF)正致力于互操作和互连的研究,已取得了一些进展。ITU的研究集中在开发光层内实现互操作的标准。OIF则更多的关注光层和网络其他层之间的互操作,集中进行客户层和光层之间接口定义的开发。
4.1.3 光性能监视和测试。目前光层的性能监视和性能管理大部分还没有标准定义,但正在开发之中。
4.2 发展前景 市场和用户是决定光网络去向何方的重要因素。全光网络是通信网发展的目标,分两个阶段完成。第一个阶段为全光传送网,即在点对点光纤传输系统中,全程不需要任何光电转换。长距离传输完全靠光波沿光纤传播,称为发端与收端间点对点全光传输。第二个阶段为完整的全光网络。在完成上述用户间全程光传送网后,有不少的信号处理、储存、交换以及多路复用/分用、进网/出网等功能都要由光子技术完成。完成端到瑞的光传输、交换和处理等功能,这是全光网络发展的第二阶段,即完整的全光网络。
5 结束语
从上述全光网络技术的分析及发展趋势来看,光通信发展涉及的范围、技术和影响面已远远超越其本身,势必对整个电信网和信息产业产生深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定着电信网和信息业的未来格局,同时也将对社会经济发展产生巨大的影响。
参考文献:
[1]W.Lin,M.Kao and S. Chi,“The Modified Star Ring Architecture for High-Capacity Subcarrier Multiplexed Passive Optical Networks”,IEEE J.Lightwave Technol.,Vol.19,No.1,2001,pp.32-39.
[2]R.Ramaswami,et al.,“Optical networks:a Practical Perspective”,Academic Press,U.K.,1998,Chapter-3.7.[5]H.T.Mouftah,Photonic Switching Technology,IEEE Press,1999,Chapter 5,9 [6]F.Callegati,et al.,“Exploitation of DWDM for Optical Packet Switching With Quality of Service Guarantees”,IEEE J.Select.Areas Commun.,Vol.20,No.1,2002,pp.190-201.
[3]王丽丽,任建华,徐大雄,吴炜,郭永新.全光网中的波长变换技术[J].光通信技术.2005年02期.
[4]安亚青,李文田.全光波长转换技术的原理及应用[J].光电子技术与信息.2004年06期.