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全光网的主要技术及发展前景

2/14/2005来源:光纤通信人气:9024

全光网的主要技术及发展前景(孙志行、宋玉炎) 从1990年以来,随着光通信技术的普遍运用和WDM技术的迅猛发展,许多学者提出 了全光网的概念。 一、全光网络的含义和基本组成 全光网络是光通信网络技术发展的最高阶段,它是一个应用灵活、可靠、性能稳定 的网络,分为核心传输网、区域网和接入网3部分。其基本结构相似,都是由光传输系 统、光放大器(OA)、光插分复用器(OADM)和光交叉连接设备(OXC)组成。光传输 系统由光源、传输介质(光纤)、光检测器组成。它具有对信号的透明性,通过波长 选择器件,实现路由选择。还具有可扩展性、可重构性和可操作性。 网络的上述性能要求信息流在网络中的传输始终以光的形式存在,而不需要经过光 /电、电/光转换,也就是说信息从源结点到目的结点的传输过程始终在光域进行。而 现阶段的光通信网络只不过是数据网和光传输网的结合。为了和现在应用中的光通信网 络相区别,我们把具有上述性能的光通信网络称为全光网。 二、全光网的主要技术 全光网的主要技术有光纤技术、SDH、WDM、光交换技术、 OXC无源光网技术、光纤 放大器技术等。 1.光纤技术 光纤是光网络的传输媒质,光纤技术的发展,直接决定着光网络技术的发展。简单 分,有单模光纤和多模光纤。当光纤的直径减小到一个光波波长的时候,光纤就如同一 个波导,光在其中无反射地沿直线传播,这就是单模光纤,否则就是多模光纤。与多模 光纤相比,单模光纤有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点。早期由于 技术原因,多使用多模光纤,现在以单模光纤为主。下面介绍一下单模光纤的特性和对 传输速率的影响。 (1)固有带宽。光纤最突出的优点是其巨大的固有带宽。仅目前可用的850nm波长 区、1310nm波长区和1550nm波长区对应的固定带宽就有约60THz,若每Hz传送1bit,则 有约60Tbit/s的容量。目前商用的10Gbit/S仅用到不足1%,潜力很大。 (2)衰减。常规单模光纤(G.652光纤,又称作色散未移位光纤或普通光纤)。 衰减随波长递增而减小的总趋势(瑞利散射效应),靠近1385urn有损耗高峰(氢氧 离子吸收损耗),1600nm以后衰减随波长增大的趋势(由弯曲和硅材料吸收引起的损耗)。 所以,一般都使用1310nm波长区和1550nm波长区。但由于最低衰减常数(0.21dB/km) 位于1550nm附近,工作在这个波长区的有源光器件发展很快,以致今天的长距离光纤传 输系统都采用 1550nm波长区。 (3)色散。色散是指光脉冲在光纤中传播的过程中会散开的现象。它会导致脉冲间 的干扰,造成不可接受的误码率,其数量和波长有关。防止这些光脉冲互相重叠的方法 之一,是增加它们之间的距离,但这要降低信号传输速率。幸运的是,人们发现如果把 光脉冲做成与余弦信号倒数相关的特殊形式,所有的色散效果都没有了,可发射上千公 里且不会产生严重畸变,这种脉冲为光凝子或光孤子。 (4)非线性效应。在DWDM系统中,由于使用了EDFA,加上工作波长数目的增加,送 进光纤的光功率增强很多,光介质在高功率的光场作用下产生非线性极化,这种极化将 作为新的波源产生辐射,即进入光纤的高光功率使光信号和光纤相互作用产生各种非线 性效应。对于DWDM系统,最大的非线性恶化是四波混合,有时也称为四光子混合,是2个 或3个光波混合产生一个以上新光波的效应,信号从原波转移到新波,从而影响信噪比。 2.SDH技术 SDH是一种光纤传输体制,它以同步传送模块(STM-1,55Mbit/S)为基本概念, 其模块由信息净负荷(payload)、段开销(SOH)、管理单元指针(AU)构成,其突出 特点是利用虚容器方式兼容各种PDH体系。SDH传输网具有智能化的路由配置能力、上下 电路方便、维护监控管理能力强、光接口标准统一等优点。 3.WDM技术 WDM在本质上讲是在光纤上实行的 FDM,即光域上的FDM技术。是为了充分利用单模 光纤低损耗区巨大的带宽资源,根据每一个信道光波频率(或波长)的不同而将光纤的 低损耗窗口划分成若干个信道的技术。 WDM技术是把光波作为信号的载波,在发端采用波分复用器(合波器)将不同规格波 长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输;在接收端再由一波分复用器(分波器) 将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可 以看作是相互独立的(不考虑光纤的非线性效应),从而在一根光纤内可实现多路光信 号的复用传输。 4.光交换技术 光交换可省去光电转换过程,充分利用光通信的宽带特性。有空分(SD)、时分 (TD)、波分(WD)3种类型。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,使输人端任一信道与输出瑞任一信道相连,完 成信息的交换;时分光交换的关键是开发高速光逻辑器件;波分光交换则是信号通过不 同的波长选择不同的分路来实现由波长开关进行交换。波分光交换由波长复用器、波长 选择空间开关和波长互换器组成。 5.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,能够有效灵活地管理 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、输人/输出接口、管理控制单元等模块组成。光交叉连接矩阵是OXC 的核心,它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠性。OXC也有空分、时分、波分3种类型。 若将空分与波分相结合,可大大提高光交换矩阵的灵活性。 6.无源光网技术(PON) 无源光网可看作是由无源光器件组成的光分配网,多用于接入网部分。它以点对多 点方式为光线路终端(OLT)和光网络单元(ONU)之间提供光传输媒质,而这又必须使用 多址接入技术。目前使用中的有时分多址接入(TDMA)、波分复用(WDM)、副载波多址 接入(SCMA)3种方式。PON中使用的无源光器件有光纤光缆、光纤接头、光连接器、光分 路器、波分复用器和光衰减器。拓扑结构可采用总线形、星形、树形等多种结构。 7光纤放大器技术 光纤放大器技术就是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土元素(如何、钛、港等), 通过激光器提供的直流光激励,使通过的光信号得到放大。光纤放大器有掺铒光纤放大 器(EDFA)和掺话光纤放大器(PDFA)两种。下面以EDFA为例说明光放大技术的原理。 EDFA主要由接饵光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器和隔离器组成。EDFA利用掺饵光纤 的非线性效应,把泵浦光输入到掺饵光纤中,使光纤中的饵原子的电子能级升高。当高 能级电子向低能级跃迁时,向外辐射出光子。当有光信号输人时,辐射光的相位和波长 会自发与信号光保持一致。这样在输出端就可以得到功率较强的光信号,实现光信号放 大。信号光在接约光纤的输出过程中可不断被放大。 三、各种技术的发展动向和应用前景 光纤技术上,现在一方面开发出了色散补偿光纤(DCF)来补偿常规单模光纤高的色 散值;另一方面,又出现了一种新型光纤——G.655光纤(即非零色散光纤人可以通过设 计光纤折射率剖面,使零色散点移到1550nm窗口,从而与光纤的最小衰减窗口获得匹配, 得到了1550nm窗口的最小色散值和最小衰减,避开了零色散区,避免了四波混频现象, 比较方便地开通了多波长DWDM系统。即使单波长传输10Gbit/s TDM系统,色散受限距离 仍可达300km左右。而光孤子必须考虑非线性效应与色激效应的精确平衡,因此系统的实 际维护和运行还有困难,短期内不会成为发展主流。 据悉,朗讯公司光纤制造部门已经消除了1385nm附近的氢氧离子吸收损耗高峰,生 产出了全波长光纤。并且,由于掺铒纤放大器(EDFA)的开发和商用,实际上,衰减对 光纤传输速率和距离的限制已不存在。 到目前为止,几乎世界上所有的数据传输网络部采用SDH技术,应用中的DWDM系统也 是基于SDH的,即N×2.5Gbit/s的SDH系统,主要用于解决扩容问题。从理论上讲,WDM 技术可以利用的单模光纤带宽可达到200nm,即25THz,按照波长间隔为0.8nm(1OOGHz) 计算,可开通200多个波长的WDM系统。而目前应用中的WDM系统彼长复用数通常为32左右, 所以光纤的带宽远远没有利用,WDM技术的出现正是为了充分利用这一带宽,而光纤本身 的宽带低损耗特性也为WDM技术的应用和发展提供了条件。 空分光交换技术中,构成光矩阵的开关以铌酸锂定向耦合器最为引人注目;时分光 交换系统能与光传输系统很好配合构成全光网,其技术研究进展很快;最近开发出一种 太比级光波分交换系统,波分复用数达到128,最大终端数为2048,复用级相当于1.2Tbit/s 的交换吞吐量。目前波分与空分OXC技术较成熟,时分技术尚待发展,若将波分与空分技 术结合,可大大提高交叉连接矩阵的容量和灵活性。 无源光网技术(PON)在现阶段主要应用于接入网中,基于ATM的PON即APON被认为是 实现B-ISDN最经济、有效的途径。在APON中使用WDM技术能很容易的引进新业务,代表 了接入网发展的一个重要方向。EDFA的重要技术课题之一是要求在全部带宽内提供平坦 的增益特性,保证每路波长的增益相同,防止路际串扰。 EDFA的商用标志着光纤通信技 术的又一场革命,它将广泛应用于长距离、大容量、高速率的通信系统和接入网,以实 现多路服务的传输,它将以其独特的性能为信息传输开辟出一个崭新的信息世界。 摘自《现代通信》