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光系统的演变:无处不在的光<2>

2/14/2005来源:光纤通信人气:6764

光系统的演变:无处不在的光<2> 下一个逻辑步骤就是引进以波长信道为基础在节点间提供带宽并保护网络的WDM环路, 或进一步将简单的WDM环路交互连接以形成一个环路网。构建灵活的基于波长信道的光传输 网络所需的网元包括波长增/减复用器和基于波长的光交叉连接。从功能上看,两种网元 非常相似,均在网络控制下提供了将输入光纤中任意波长(光信道)传送到任意输出光纤 或丢弃信道的能力,主要区别仅在于处理的输入光纤数量的不同。相关网元还实现功率水 平设定、波长控制以及连接认证等。此外,网络还可作为光信道的人口,在网络控制下, 可以将增加的光信道交换到任何一个输出瑞口。 要创建多点光网络所需的网元,首先需要高度功能化的光设备,如波长控制器、动态 增益平衡器、光交换设备以及波长转换器等光器件。幸运的是,由于较早地认识到光网络 将依赖于高度功能化的光器件,导致集成光的概念得以较早地形成。当低损耗光纤首次预 示着光通信的可行性时,已经存在大量的光功能器件(如波长过滤器等)。事实上,远在 光纤通信的技术和经济可行性被验证以及商用化趋势变得明显之前的60年代末期,贝尔实 验室的研究人员就提出了集成光的概念。其想法是在单一光学基片上借助有源和无源波导 功能器件构建光波导电路,器件之间采用波导互连,最终形成一个单芯片光子系统。 人们还发展了若干集成光学材料系统,在电光有源铌酸锂基片上容纳有源设备、光InP (与激光和检波器中采用的技术相同)以及钛色散波导等的电路已成为基本的技术。这些 材料系统提供了建立小型集成交换阵列的早期技术平台。例如,铌酸锂交换阵列被用于演 示一个初步的多步骤光交叉连接。后来,人们开发出了硅上二氧化硅技术,这一技术被广 泛用于制造包括波长去复用设备在内的无源设备。 值得注意的是,在人们尚未验证光放大器的技术可行性之前,贝尔实验室的研究人员 就在80年代中期提出创建基于WDM的局域网的可能性。尽管这一工作未能实现商用,但却对 光网络的发展起到相当大的作用。因为它不仅为滤波器、可调光源和WDM复用器等主要WDM 光器件的研究提供了动力和检验基础,而且还直接导致了全光网络财团的建立。在贝尔实 验室、MIT林肯实验室以及DEC公司(现属康柏公司)共同努力下建立的全光网络财团曾经 演示了基于无源波长选路创建局域或城域WDM网络的技术可行性。 继全光网络财团之后,美国国防高等研究计划署(DARPA)协同AT&T、朗讯科技及几 家贝尔电话公司等组成了多波长光网络(MONET)财团,其目的是验证以长距离WDM传输以 及波长交叉连接和增/减技术为基础建立全国范围的端到端波长路由网络的可行性。一期 工程在新泽西州建立了三个试验床,分别用于局域交换WDM环路、光交叉连接以及长距离 WDM传输。二期工程在首都华盛顿建立了通过一对光交叉连接设备互连的双WDM环路网络。 在网络建造过程中,多波长光网络使用了光波增/减及交叉连接网元,相应的原型产品将 在现场全面运行。多波长光网络于1999年秋季竣工,并用于承载政府机构间的业务。 三、光接入网络 光网络发展的一个趋势就是将光从网络核心应用推近顾客。其动力来自两个方面:一 是技术的发展和生产能力的提高,使光链路的价格不断下降;二是视频点播等互联网应用 的普及,使用户对带宽的需求日益扩大。 大中型商业用户通常可以通过中低速同步光纤网(SONET)/同步数字系列(SDH) TDM复用器连接核心网,并按环路形式部署以保护投资。人们已经开发出一大批高性价比 的TDM复用器,其支流速率可以低至T1(1.5Mbit/s),干线速率则在OC-3(155Mbit/s) 和OC-48(2.5Gbit/s)之间。最近油于价格的下降和需求的增加,人们还为网络接入推 出了若干经济型 WDM系统。借助WDM的协议独立性,在单—光纤上可同时传输包括OC-12 (622Mbit/s)和千兆以太网(1Gbit/s)在内的多种信号。 光纤链路还越来越多地被用于交互连接局域网和校园网环境中的企业数据路由器和交 换机。随着校园主干从10M转向100M或千兆以太网速率,人们开发出一大批价格低廉的光 纤接口。这些光纤链路通常是通过两个分开的光纤双向运行的单波长链路,可以在铜双绞 线的传输极限(约100m)以外传输宽带信号。对于基于光纤的千兆以太网来说,目前流行 的标准采用850nm垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)以及传输距离约为250m的多模光纤。 另一个流行标准基于1310nm边缘发射激光器,在单模光纤上大约传输5km。业界有望于20 02年推出用于10G以太网的标准,并在2001年左右推出早期产品。 在企业网的另一端,铜双绞线在连接桌面的最后一段中仍占支配地位。我们甚至可以 实现千兆以太网到桌面,因为双绞链路的价格比目前最便宜的光纤链路还要低。现在需要 观察的是,光纤与铜线相比是否具备某些独特的优势(如较低的电磁干扰),或实际的带 宽需求是否会超出目前千兆以太网的能力,以及这些因素能否最终导致光纤到桌面的广泛 实施。 鉴于成本及带宽需求等方面的原因,将光纤拉近家庭和小型商业用户将面临比拉近企 业大得多的挑战,然而,这是一个非常重要的挑战。首先,从运营商和制造商的角度看, 在这一市场广泛部署宽带技术可以带来巨大的收入;其次,拨号调制解调器可怜的终端用 户性能严重限制了互联网的不断增长,显然,在全球范围内,对于面向家庭和小型企业永 远在线的宽带数据连接存在着相当多被禁钢的需求,人们面临的挑战是如何以较高的性能 价格比提供这种连接。将光纤拉近用户是解决这一问题的一个基本部分。 目前,通过数字环路承载(DLC)系统,光纤已被广泛部署在家庭电话环路设施。这些 系统利用光纤将中心局(CO)连接到远程终端,后者将光信号转换为电子信号,并将其传 输到双绞线为成千上万的用户提供服务。原本针对语音服务设计的数字环路承载系统实际 上可以提供更高的容量,升级的途径包括在连接用户的双绞线上部署某种形式的数字用户 线(DSL)技术,或借助光纤提供的较大带宽将数字环路承载单元连接到中心局等。 为实现更高的带宽,人们还可以通过无源光网络(PON)以更经济的方式将光纤拉近用 户。 在无源光网络中,人们采用单一光纤将中心局连接到无源光分解器,后者将信号分配 给大约16个光网络单元(ONU),以实现光到电子的转换并为用户提供服务。如果光网络单 元位于家庭,这就是所谓的光纤到户(FTTH)系统;如果光网络单元由若干(大约4到32个) 用户分享,这就是所谓的光纤到路边(FTTC)系统。由于中心局光电子设备以及到无源分 解器之间光纤的成本由多个用户分担,与将光纤连接到所有光网络单元相比,无源光网络 具有更高的性能价格比。 然而,多用户共享光纤将带来光纤带宽如何分配的问题。最简单的处理方式就是所有 用户都使用相同的波长频带并共享带宽。在从中心局到光网络单元的所谓下行方向是TDM方 式,而在上行方向,则被称作时分多址(TDMA)方式。这种情况与用户之间距离很近的局 域网环境不同,TDMA无源光网络很难探测到随机发送用户导致的冲突。因此,人们通常使 用某种绝对优先权的协议,以确保上行传送器可以在特定时间发送信号。 如果无源光网络依据波长分离用户业务流,那么无需引进复杂的协议即可实现更高的 数据吞吐量。例如在WDM无源光网络中,人们可以用基于波长的路由器取代原来的光分解器, 并允许所有光网络单元以原有波长与中心局通信,从而避免带宽共享。然而,昂贵的WDM器 件(特别是光网络单元不能共享的激光器)使这一处理根本不可行。为此,人们提出了一个 利用光调制器取代光网络单元激光器的迂回解决方案。在这一“环路回送”系统中,人们使 用中心局的单频率激光器向光网络单元调制器表明允许其发送上行数据。 一些运营商已经联手建立了所谓的全业务接入网络(FSAN)财团,旨在通过指定可供众 多运营商购买的通用接入平台,促进无源光网络系统价格的下降。全业务接入网络是一个粗 糙WDM(CWDM)无源光网络。上/下行传输使用1.3/1.5μM频段以及155Mbit/s基带信号; TDMA协议用于上行传输;语音和数据服务则以ATM协议打包。全业务接入网络引发了一系列 的试验,并在FTTC和FTTH系统中得到小规模部署。 与上述努力同步进行的是在有线电视(CATV)领域部署光纤。在此之前,典型的有线电 视网络使用极长的同轴电缆以及上百个顺序排列的射频放大器,从而严重限制了服务带宽 (系统只能承载20-30个电视频道)、可靠性和图像质量。将有线电视信号以光的形式传输 到光纤节点,并在这些节点为500-2000个使用单位提供光到电子的转换,可以将放大器数 量减至3-5个,同时提供高得多的容量、可靠性和图像质量。与话音信道的基带数字信号相 比,有线电视模拟信号相当脆弱,因此在实际中必须施以特殊的光学工程。尽管如此,人们 在宽带视频应用中已经广泛地部署了这些混合光纤同轴(HFC)网络。 为了通过电缆调制解调器提供数据服务,有线电视公司必须将只支持下行广播的单行网 络变为双向网络。其实现方法是通过FTTC或FTTH将光纤拉近用户。这一方案的优势是可以有 效防止噪音,并透过单一的、易维护的、具有良好升级性能的网络提供包括模拟有线电视、 视频点播、经电缆调制解调器的高速互联网接入、电话等全套服务。 对于接入应用而言,价格是关键,这意味着要有非常廉价的光器件。对于企业网来说, 关键是廉价的850nm VCSEL;对于电话网来说,关键是廉价的激光器。模拟有线电视系统已 经从使用1.5μm分布式反馈激光发展到非常廉价的具有高功率掺饵光纤放大器的1.5μm外部 调制系统。为使DWDM系统进一步介入接入领域,其器件的价格必须大幅下降。此外,人们需 要确保DWDM器件(激光源、滤波器、路由器)可以在接入应用所要求的较大温度范围内稳定 地运行。最后,要使DWDM无源光网络真正推广应用,就应该为光网络单元提供非常廉价的单 频激光器,这种激光器应当在系统支持的整个波长范围内可调。 我们已经看到,在过去的20年中,存在许多通过将光纤拉近最终用户提高网络威力的实 例。尽管实现光纤到桌面或光纤到户的最终目标尚需时日,但随着用户需求的增长及光纤价 格的下降,光纤将不断渗透到我们社会的各个角落。 摘自《现代电信科技》