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全光网络技术的进展

2/14/2005来源:光纤通信人气:7625

屠 青
  摘要:全光网络的相关技术主要包括全光交换技术、光交叉连接技 术、以光放大器为基础的全光中继技术、光复用/去复用技术和光分插 技术。本文对这些技术的原理、研究进展和发展前景进行了描述和分 析。

  关键词:全光网络 光交换 光中继 光复用/去复用 OXC

1 全光网络概况

  全光网络(全光通信网络)是指光信息流在网络中的传输及交换时 始终以光的形式存在,而不需要经过光/电、电/光变换。也就是说,信 息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内。由于全光网络中的 信号传输全部在光域内进行。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。全光网络还应当具有扩展性,可重构 性和可操作性。

  全光网络有星形网、总线网和树形网3种基本类型。

2 全光网络相关技术

  全光网络的相关技术主要包括全光交换、光交叉连接、全光中继和 光复用/去复用等。

2.1 全光交换

  传统的光交换在交换过程中存在光变电、电变光,而且它们的交换 容量都要受到电子器件工作速度的限制,使得整个光通信系统的带宽受 到限制。直接光交换可省去光/电、电/光的交换过程,充分利用光通信 的宽带特性。因此,光交换被认为是未来宽带通信网最具潜力的新一代 交换技术。对光交换的探索始于70年代,80年代中期发展比较迅速。总 的来说,光交换技术还处于开发的初级阶段,2000年之前不大可能有任 何形式的广泛光交换应用。21世纪初光交换技术将达到实用化水平,商 用光交换机将进入市场。

  光交换技术有空分(SD)、时分(TD)和波分/频分(WD/FD)等类 型。其原理、结构特点和研究进展状况如下。

2.1.1 空分光交换

  空分光交换是由开关矩阵实现的,开关矩阵节点可由机械、电或光 进行控制,按要求建立物理通道,使输入端任一信道与输出端任一信道 相连,完成信息的交换。各种机械,电或光控制的相关器件均可构成空 分光交换。构成光矩阵的开关以铌酸锂定向耦合器最为引人注目。

2.1.2 时分光交换

  时分光交换系统能与光传输系统很好配合构成全光网,所以时分光 交换技术研究开发进展很快,其交换速率几乎每年提高一倍,目前已研 制出几种时分光交换系统。1985年日本NEC成功地实现了256Mb/s(4路 64Mb/s)彩色图像编码信号的光时分交换系统。它采用1×4铌酸锂定向 耦合器矩阵开关作选通器,双稳态激光二极管作存储器(开关速度 1Gb/s),组成单级交换模块。90年代初又推出了512Mb/s试验系统。

  实现光时分交换系统的关键是开发高速光逻辑器件,世界各国研究 机构正加紧对此进行研究。

2.1.3 波分/频分光交换

  波分交换即信号通过不同的波长,选择不同的网络通路来实现,由 波长开关进行交换。波分光交换网络由波长复用器/去复用器、波长选 择空间开关和波长互换器(波长开关)组成。

  目前已研制成波分复用数在10左右的波分光交换实验系统。最近开 发出一种太比级光波分交换系统,它采用的波分复用数为128,最大终 端数达2048,复用级相当于1.2Tb/s的交换吞吐量。

2.2 光交叉连接(OXC)

  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。输入接口、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、输入接口、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。目前比较成熟的技术是波分复 用和空分技术,时分技术还不成熟。如果将波分复用技术和空分技术相 结合,可大大提高交叉连接矩阵的容量和灵活性。

  日本NEC公司研制的8×8无极性LiNbO3光交叉矩阵由64个无极性定 向耦合开关单元组成,所有开关单元都以简单树形结构(STS)的形式 集成在LiN-bO3芯片上。英国BT实验室研制的OXC采用WDM技术与空分技 术相结合,已用于波分复用系统。在伦敦地区本地网络上进行了现场实 验,传输速率为622Mb/s。另外,西门子、NTT和爱立信等国外大公司所 属实验室对OXC的结构、应用技术也进行了类似研究和实验。

2.3 全光中继

  传统的光纤传输系统是采用光—电—光再生中继器,这种方式的中 继设备十分复杂,影响系统的稳定性和可靠性。多年来,人们一直在探 索去掉上述光—电—光转换过程,直接在光路上对信号进行放大传输, 即用一个全光传输型中继器代替目前这种再生中继器。科技人员已经开 发出半导体光放器(SOA)和光纤放大器(掺铒光纤放大器——EDFA、 掺镨光纤放大器—PDFA、掺铌光纤放大器—NDFA)

  EDFA具备高增益、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关 等一系列优点,这将可以促进超大容量、超高速、全光传输等一批新型 传输技术的发展。利用光放大器构成的全光通信系统的主要特点是:工 作波长恰好是在光纤损耗最低的1.55μm波长,与线路的耦合损耗很 小,噪声低(4~8dB)、频带宽(30~40nm),很适合用于WDM传。但是 在WDM传输中,由于各个信道的波长不同,有增益偏差,经过多级放大 后,增益偏差累积,低电平信道信号SNR恶化,高电平信道信号也因光 纤非线性效应而使信号特性恶化。为了使EDFA的增益平坦,主要采用 “增益均衡技术”和“光纤技术”。增益均衡技术利用损耗特性与放大 器的增益波长特性相反的原理均衡抵消增益不均匀性。目前主要使用光 纤光栅、介质多层薄膜滤波器、平面光波导作为均衡器。“光纤技术” 是通过改变光纤材料或者利用不同光纤的组合来改变EDF特性,从而改 善EDFA的特性。其技术包括以下几个方面:(1)研制掺铒碲化物玻璃 光纤。用这种光纤制作的EDFA,可使增益特性平坦,频带扩宽。而且频 带向长波长一侧移动。据NTT公司在OFC’97上报道,其最高带宽达80nm 。在1535~1561nm之间,实现了增益基本平坦,最大偏差不超过1.5dB。(2)多芯EDFA。多芯EDFA使用的EDF最多纤芯的。激励光能大致均匀地 分配到第一纤芯中,各个纤芯内的光信号均以小信号进行放大,从而在 很宽的波长范围内获得接近平坦的增益。(3)研制掺铒氟化物光纤放 大器,在秀宽的频带内可获得平坦的增益。(4)通过在掺铒光纤中掺 铝,改变铒的放大能级分布,加宽可放大的频带。(5)用不同掺杂材 料和掺杂量的光纤进行组合,制作混合型EDFA。主要有(A1-EDF)和 (P-A1-EDF)组合;A1-EDF和P-Yb-EDF组合;掺铒石英光纤和掺铒氟化 物光纤组合。这样可以使增益平坦性、噪声特性和放大效率达到最佳。

  EDFA最高输出功率已达到27dBm,这种光纤放大器可应用于100个信 道以上的密集波分复用传输系统、接入网中光图像信号分配系统、空间 光通信等。

  目前光放大技术主要是采用EDFA。SOA虽然研制得比较早,但受噪 声、偏振相关性等影响,一直没有达到实用化。但应变量子阱材料的 SOA研制成功,引起了人们的广泛兴趣,且SOA具有结构简单、成本低、 可批量生产等优点,人们渴望能研制出覆盖EDFA、PDFA应用窗口的 1310nm和1550nm的SOA。

  用于1310nm窗口的PDFA,因受氟化物光纤制作困难和氟化物光纤特 性的限制,研究进展比较缓慢,尚未实用。

2.4 光复用/去复用技术

2.4.1 光时分复用(OTDM)

  光时分复用(OTDM)是用多个电信道信号调制具有同一个光频的不 同光信道,经复用后在同一根光纤传输的扩容技术。光时分复用技术主 要包括:超窄光脉冲的产生与调制技术、全光复用/去复用技术、光定 时提取技术。

  (1)超窄光脉冲的产生

  光时分复用要求光源提供5~20GHz的占空比相当小的超窄光脉冲输 出,实现的方法有增益开关法、LD的模式锁定法、电吸收连续光选通调 制法及光纤光栅法、SC(Supercontinum)光脉冲。增益开关法可以产生 脉宽5~7ps、脉冲重复频率在10GHz左右可任意调整的光脉冲,其优点是 很容易与其它信号同步。增益开关法已用于各种高速光传输实验中的脉 冲源产生和光测量中。SC光脉冲宽度可<1ps,最窄达0.17ps。

  另外利用调整线性调制光纤光栅的色散值对电吸收调制器输出的光 脉冲形状进行修正,也可以产生脉宽为5.8ps、占空比为6.3%的10GHz的 光脉冲。

  (2)全光复用/去复用技术

  全光时分复用可由光延迟线和3dB光方向耦合器构成。在超高速系 统中,最好将光延线及3dB光方向耦合器集成在一个平面硅衬底上所形 成的平面光波导回路(PLC)作为光复用器。全光去复用器在光接收端 对OTDM信号进行去复用。目前已研制出4种形式的器件作为去复用器, 它们是光克尔开关矩阵光去复用器、交叉相位调制频移光去复用器、四 波混频开关光去复用器和非线性光纤环路镜式(NOLM)光去复用器。无 论采用何种器件,都要求其工作性能可靠稳定,控制用光信号功率低, 与偏振无关。

  (3)光定时提取技术

  光定时提取要求超高速运转、低相位噪声、高灵敏度以及与偏振无 关。目前已研制出一种采用高速微波混频器作为相位探测器构成的锁相 环路(PLL),另外使用法布里一珀罗干涉光路构成的光振荡回路(FPT )也可以完成时钟恢复功能。

2.4.2 波分复用(WDM)

  光波分复用是多个信源的电信号调制各自的光载波,经复用后在一 根光纤上传输,在接收端可用外差检测的相干通信方式或调谐无源滤波 器直接检测的常规通信方式实现信道的选择。采用WDM技术不仅可以扩 大通信容量,而且可以为通信带来巨大的经济效益。因而,近几年对这 方面的研究方兴未艾,特别是密集波分复用可望很快获得应用。1995年 NTT进行了10个信道、每个信道的传输速率高达10Gb/s,中继间距为 100km,传输距离为600km的全光传输实验,系统容量高达60(Tb/s) -km。1996年NEC、AT&T、富士通3个公司进行了总容量超过1Tb/s的WDM 实验(NEC:20Gb/s×132ch-120km;富士通:20Gb/s×55ch-150km; AT&T:40Gb/s×25ch-55km)。1997年初,总容量为40Gb/s(2.5Gb/s× 16信道)的WDM系统已经商用。目前,大部分公司的DWDM系统都是以 2.5Gb/s为基本速率的,仅加拿大北电网络等少数公司是以10Gb/s为基 本速率。北电(Nortel)的8×10Gb/s波分复用系统开通实际业务的运营商。MCI公司70%的网络中已采用了WDM系统。泛欧运营商HER公司 (Herms EurOperailtel)将采用Cienc公司的40×2.5Gb/s系统。 Williams公司将为Frontier在休士顿、亚特兰大等地的网络提供16× 10Gb/s的DWDM系统。目前,国内开发DWDM系统的单位有原邮电部五所、 北京大学、华为公司和武汉邮电科学研究院等。武汉邮电研究院的8× 2.5Gb/s波分复用系统已用于济南-青岛工程。

2.4.3 光分插复用(OADM)

  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(>25dB),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 DEMUX 和MUX的组合;光循环器间或在Mach-Zehnder结构中的光纤光栅;用集 成光学技术实现的串联Mach-Zehndr结构中和干涉滤波器。前两种方式 使隔离度达到最高,但它们需要昂贵的设备如WDM MUX/DE MUX或光循环 器。Mach-Zehnder结构(用光纤光栅或光集成技术)还在开发这中,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。

  意大利电信中心研究实验室研制了一种新结构——使用干涉滤波器 的OADM,与传统的单根光纤设计相比,它提供了插入口和分出口之间的 高隔离度,对输出口的分出信号双倍的抑制功能以及波长可调性,这种 方法的可行性已通过样机进行了试验。测得的输入和分出口之间隔离度 >55dB,对分出信道的抑制>16dB,调节范围>8nm。

  从目前来看,全光网络首先是应用于局域网(LAN)、城域网(MAN )等内部的光路由选择,所采用的技术主要是基于WDM和宽带的EDFA。 从长远来说,全光网的发展趋势必然向着波分、时分与空分3种方式结 合的方向发展。其应用将扩展到广域网。网络范围可以覆盖整个国家或 几个国家,最终实现一个高速大容量能满足未来通信业务需求的全光网 络。

摘自《国通网》