全光网络的关键技术及其发展
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作者: 耿晶晶
【摘要】 全光网络是光纤通信系统的最新发展。首先对全光网络的概念及特点进行介绍,然后阐述了全光网络中的一些关键技术,最后对全光网络的发展前景进行了预测。
【关键词】 全光网络;关键技术;发展展望
光纤通信已经促进了通信系统的快速发展,但目前的光纤通信技术存在很多的弊端,急需对其进行改进。全光网络正是在这样的背景下产生,全光网络有其独特的优势,对促进通信系统的新发展有重要作用。
一、全光网络及其特点
全光网络(AON)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。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,在全光通信中,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)提供多样化协议。全光网由于无需电信号的处理,采用波分复用技术, 以波长选择路由,在传输码率、数据格式以及调制方式等方面均具有透明性,可方便灵活地提供多种协议的业务。(3)组网灵活。全光网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,全光网可以提供临时连接,达到充分利用网络资源的目的。(4)提高了传输的可靠性。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。由于全光网络具有这些特点,全光网络已成为下一代高速宽带网络的首选,也是历史发展的必然。
二、全光网络的关键技术
全光网络要实现上述的特点,成为未来通信领域发展的目标,就需要具备一些关键技术,这些关键技术包括光交换技术、光信息再生技术、光分插复用技术、光交叉连接技术等。
1.光交换技术。光交换是全光网络中的关键光节点技术,其主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路,光网络的许多优点如节约接口成本、透明传送、带宽优势等都是通过光交换技术来实现的。其中,波长变换是光交换中的最关键工作,光交换实质上也是对光的波长进行处理,光交换也可称为波长交换。光交换技术可以分为分组交换技术和光路交换技术。其中,光路交换又可分为空分光交换(SD)、时分光交换(TD)和波分/频分(WD/FD)光交换,以及由这三种交换形式组合而成的复合型光交换。空分光交换是使光信号的传输通路在空间上发生改变,其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。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。在分组交换技术中,异步传送模式是近年来广泛研究的一种方式。
2.光信息再生技术。在光纤通信中,光纤的色散和损耗会严重影响通信的质量。色散会使光脉冲发生展宽,出现码间干扰,这就会增大系统的误码率;损耗则是随着传输距离的增加按指数规律使得光信号的幅度产生衰减,要提高通信的质量,就需要采取措施对光信号进行再生。目前一般采用光电中继器对光信号进行再生,这个方法的原理是首先由光电二极管把光信号转变为电信号,然后经过电路把电信号整形放大后,再重新驱动成一个光源,由此实现光信号的再生。这种方法中所使用的光电中继器一般体积会很大,装置也很复杂,耗能又多。为了避免这些缺点,又可以从根本上消除色散等不利因素的影响,光信息再生技术便出现了,这种技术就是首先要在光纤链路中每隔一定距离(一般是几个放大器的距离)就接入一个光调制器和滤波器,然后把从链路传输的光信号中提取的同步时钟信号输入到光调制器中,利用光调制器对光信号进行周期性同步调制,以促使光脉冲变窄、频谱展宽、频率漂移以及系统噪声降低,最终使得光脉冲位置得到校准和重新定时。目前光信息再生技术已经成为光信息处理的基础技术之一。从上面的介绍中可以发现,光信息再生技术的核心特点是用一个全光传输型中继器代替目前的再生中继器,直接在光路上就可以对信号进行放大传输。光纤放大器是建立全光通信网的核心技术之一,现有的光放大技术主要是采用EDFA。
3.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。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。运用光分插复用技术需要在分出口与插入口之间以及输入口与输出口之间有很高的隔离度(>25dB),以利于最大限度地减少同波长干涉效应,否则将会严重影响传输性能。光分插复用技术节点的核心器件是光滤波器件, 由滤波器件选择要上/下路的波长, 以实现波长路由。光分插复用技术既可以处理任何格式和速率的信号,具有透明性,又可以降低节点的成本,提高网络的可靠性以及网络的运行效率,它是组建全光网络的关键性设备。
4.光交叉连接技术。光交叉连接(OXC)是位于光纤网络节点的设备,是全光网络中的核心器件,其与光纤共同组成了一个全光网络。光交叉连接技术是通过对光信号进行交叉连接,以有效地利用波长资源,实现波长重用,并可以有效灵活地管理光纤传输网络。它具有高速光信号的路由选择、网络恢复等功能,是保证网络保护/恢复的可靠以及自动配线和监控的重要手段。光交叉连接(OXC)主要包括OXC矩阵、输入接口、输出接口和管理控制单元等模块。其中的每个模块都具有主用和备用的冗余结构,光交叉连接技术会自动进行主用和备用的倒换,以增加OXC的可靠性。OXC矩阵是OXC的核心,它具有宽带、无阻塞、低延迟和高可靠性,并且具有单向、双向和广播形式的功能。输入接口和输出接口直接连接光纤,分别用于适配、放大输入输出信号。管理控制单元通过编程对其他模块进行监测和控制。OXC也分为空分、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。
三、全光网络的未来发展
90年代以来,随着各国普遍对光电子和光子技术方面研究的加强,光电子的最新研究技术越来越多地应用于验证和配置新的全光网络结构,有效解决了网络不透明传输的问题,满足了信息高速传送的要求,同时在全光网络中也存在很多网络光层安全隐患,由于其传输速率很高,全光网络出现安全问题时,造成的损失将无法估量,因此在改善网络性能的同时,需要兼顾光层的安全管理。此外,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,全光网络的研究与试验也明显地以波分复用技术为核心,主要研究与试验集中于波分复用传输、交换和联网技术,以构成波分复用全光试验网络。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。
参考文献
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