全光網(wǎng)絡(luò)介紹 論文型

1、1 全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及發(fā)展 一、前言 21世紀(jì)的到來，人類社會(huì)進(jìn)入了信息化高速發(fā)展的時(shí)代，隨著Internet的迅速發(fā)展，信息網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用滲透到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。信息通訊量的急劇增加和全業(yè)務(wù)服務(wù)的需要，使得現(xiàn)有的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)難以適應(yīng)?，F(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)要完成光/電、電/光的轉(zhuǎn)換，而其中的電子器件在適應(yīng)高速、大容量的需求上，存在著帶寬限制、時(shí)鐘偏移、嚴(yán)重串話、高功耗等缺點(diǎn)，因此產(chǎn)生了通信網(wǎng)中的“信息瓶頸”現(xiàn)象。而光纖通信技術(shù)憑借其巨大潛在帶寬容量的特點(diǎn)，成為支撐通信業(yè)務(wù)中最重要的技術(shù)之一。為了充分發(fā)揮光纖通信的極寬頻帶、抗電磁干擾、保密性強(qiáng)、傳輸損耗低等優(yōu)點(diǎn)，人們提出了全光網(wǎng)的概念。二、全光網(wǎng)的概念

2、全光網(wǎng)的含義是指網(wǎng)絡(luò)中端到端用戶節(jié)點(diǎn)之間的信號通道保持著光的形式，信號傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程都在光域內(nèi)進(jìn)行，在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換則使用高可靠、大容量和高度靈活的光交叉連接設(shè)備。由于網(wǎng)絡(luò)中不用光電轉(zhuǎn)換器，允許存在各種不同的協(xié)議和編碼形式，信息傳輸具有透明性。為區(qū)別于現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡(luò)，上述性能的光通信網(wǎng)絡(luò)我們稱為全光網(wǎng)。三、全光網(wǎng)的主要技術(shù) 全光網(wǎng)的主要技術(shù)有光纖技術(shù)、SDH、光交換技術(shù)、OXC、光復(fù)用去復(fù)用技術(shù)、無源光網(wǎng)技術(shù)、光纖放大器技術(shù)等。3.1光纖技術(shù) 光纖作為傳輸光信息的載體，光纖技術(shù)的發(fā)展直接決定著光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)光纖的直徑減小到一個(gè)光波波長時(shí)，

3、光在其中無反射地沿直線傳播，這種光纖稱為單模光纖。單模光纖傳輸具有內(nèi)部損耗低、帶寬大、易于升級擴(kuò)容和成本低的優(yōu)點(diǎn)。下面介紹一下單模光纖傳輸?shù)奶匦约皩鬏斔俾实挠绊懀?、頻帶寬，通信容量大。目前可用的850nm波長區(qū)、1310nm波長區(qū)和1550nm波長區(qū)所對應(yīng)的固定帶寬就有約60THz。巨大的頻帶帶寬是光纖最突出的優(yōu)點(diǎn)，這對傳輸各種寬頻帶信息意義十分重要。2、損耗低，中繼距離長。單模光纖的衰減特性有隨波長遞增而減小的總趨勢，除了靠近1385nm附近由OH根造成的損耗峰外，在1310nm-1600nm間都趨于平坦?，F(xiàn)在一般都使用1310nm波長區(qū)和1550nm波長區(qū)，由于最低衰減常數(shù)（0.2dB

4、/km）位于1550nm附近，因此長距離光纖傳輸系統(tǒng)仍就都采用1550nm波長區(qū)。3、色散。色散是指光脈沖在光纖中傳播的過程中會(huì)散開的現(xiàn)象。隨著傳輸速率的提高，色散成為傳輸系統(tǒng)中不可忽視的因素。它會(huì)導(dǎo)致脈沖間的干擾，造成不可接受的誤碼率，其數(shù)量和波長有關(guān)。4、非線性效應(yīng)。系統(tǒng)中使用EDFA，使送進(jìn)光纖的光功率增強(qiáng)很多，進(jìn)入光纖的高光功率使光信號和光纖相互作用產(chǎn)生各種非線性效應(yīng)，從而影響信噪比。3.2SDH技術(shù) 同步數(shù)字系列（SDH）是一種光纖傳輸體制，其信號最基本、最重要的同步傳輸模塊是STM-1，其速率為155.520MbitS，更高等級的STMN信號是將基本模塊信號STM-1按同步復(fù)用，經(jīng)

5、字間分插后的結(jié)果。STM-1的幀結(jié)構(gòu)可以分為段開銷、管理單元指針、通道開銷和凈負(fù)荷四個(gè)裝有不同用途信息比特的區(qū)域，除凈負(fù)荷區(qū)用作裝載PDH數(shù)字系列或其他數(shù)字信息外，其他區(qū)域用來支持系統(tǒng)的管理和維護(hù)功能。SDH傳輸網(wǎng)大致分為三層，由上至下依次為電路層網(wǎng)絡(luò)、通道層網(wǎng)絡(luò)和傳輸媒質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，其中傳輸層主要涉及通道層和傳輸媒質(zhì)層。網(wǎng)絡(luò)中每一層能夠有獨(dú)自的維護(hù)管理能力，某一層網(wǎng)絡(luò)改變不會(huì)影響其它層，便于每一層獨(dú)立引進(jìn)新技術(shù)和拓?fù)?。因此SDH傳輸網(wǎng)具有智能化的路由配置能力、上下電路方便、維護(hù)監(jiān)控管理能力強(qiáng)、光接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)。3.3光交換技術(shù) 傳統(tǒng)的光交換在交換過程中存在光變電、電變光的過程，使得整個(gè)光通信系

6、統(tǒng)的帶寬受到限制。直接光交換則可省去光/電、電/光的交換過程，充分利用光通信的寬帶特性。因此，光交換技術(shù)被認(rèn)為是未來寬帶通信網(wǎng)最具潛力的新一代交換技術(shù)。光交換技術(shù)有空分、時(shí)分和波分/頻分等類型。1、空分光交換(SD) 空分光交換技術(shù)的基本原理是將光交換元件組成門陣列開關(guān)，并適當(dāng)控制門陣列開關(guān)，即可在任一路輸入光纖和任一輸出光纖之間構(gòu)成通路。因其交換元件的不同可分為機(jī)械型、光電轉(zhuǎn)換型、復(fù)合波導(dǎo)型、全反射型和激光二極管門開關(guān)等，如耦合波導(dǎo)型交換元件鈮酸鉀，它是一種電光材料，具有折射率隨外界電場的變化而發(fā)生變化的光學(xué)特性。以鈮酸鉀為基片，在基片上進(jìn)行鈦擴(kuò)散，以形成折射率逐漸增加的光波導(dǎo)，再焊上電極后

7、即可將它作為光交換元件使用。當(dāng)將兩條很接近的波導(dǎo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)合，通過這兩條波導(dǎo)的光束將發(fā)生能量交換。能量交換的強(qiáng)弱隨復(fù)合系數(shù)、平行波導(dǎo)的長度和兩波導(dǎo)之間的相位差變化，只要所選取的參數(shù)適當(dāng)，光束就在波導(dǎo)上完全交錯(cuò)，如果在電極上施加一定的電壓，可改變折射率及相位差。由此可見，通過控制電極上的電壓，可以得到平行和交叉兩種交換狀態(tài)。 2、時(shí)分光交換(TD) 時(shí)分光交換技術(shù)的原理與現(xiàn)行的電子程控交換中的時(shí)分交換系統(tǒng)完全相同，因此它能與采用全光時(shí)分多路復(fù)用方法的光傳輸系統(tǒng)匹配。在這種技術(shù)下，可以時(shí)分復(fù)用各個(gè)光器件，能夠減少硬件設(shè)備，構(gòu)成大容量的光交換機(jī)。該技術(shù)組成的通信技術(shù)網(wǎng)由時(shí)分型交換模塊和空分型交換模

8、塊構(gòu)成。它所采用的空分交換模塊與上述的空分光交換功能塊完全相同，而在時(shí)分型光交換模塊中則需要有光存儲(chǔ)器、光選通器以進(jìn)行相應(yīng)的交換。 3、波分/頻分光交換(WD/FD) 波分交換即信號通過不同的波長，選擇不同的網(wǎng)絡(luò)通路來實(shí)現(xiàn)，由波長開關(guān)進(jìn)行交換。波分光交換網(wǎng)絡(luò)由波長復(fù)用器/去復(fù)用器、波長選擇空間開關(guān)和波長互換器組成。3.4光交叉連接(OXC) 光交叉連接是用于光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備，通過對光信號進(jìn)行交叉連接，能夠靈活有效地管理光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)/恢復(fù)以及自動(dòng)配線和監(jiān)控的重要手段。OXC主要由光交叉連接矩陣、輸入輸出接口、管理控制單元等模塊組成。為增加OXC的可靠性，每個(gè)模塊都具有主用

9、和備用的冗余結(jié)構(gòu)，OXC自動(dòng)進(jìn)行主備倒換。輸入輸出接口直接與光纖鏈路相連，分別對輸入輸出信號進(jìn)行適配、放大。管理控制單元通過編程對光交叉連接矩陣、輸入接口、輸出接口模塊進(jìn)行監(jiān)測和控制。光交叉連接矩陣是OXC的核心，它要求無阻塞、低延遲、寬帶和高可靠，并且要具有單向、雙向和廣播形式的功能。 OXC也有空分、時(shí)分和波分三種類型。3.5光復(fù)用/去復(fù)用技術(shù)1、光時(shí)分復(fù)用（OTDM） 光時(shí)分復(fù)用（OTDM）是用多個(gè)電信道信號調(diào)制具有同一個(gè)光頻的不同光信道，經(jīng)復(fù)用后在同一根光纖傳輸?shù)臄U(kuò)容技術(shù)。光時(shí)分復(fù)用技術(shù)主要包括：超窄光脈沖的產(chǎn)生與調(diào)制技術(shù)、全光復(fù)用/去復(fù)用技術(shù)、光定時(shí)提取技術(shù)。（1）超窄光脈沖的產(chǎn)生

10、光時(shí)分復(fù)用要求光源提供的占空比相當(dāng)小的超窄光脈沖輸出，實(shí)現(xiàn)的方法有增益開關(guān)法、LD的模式鎖定法、電吸收連續(xù)光選通調(diào)制法及光纖光柵法、SC光脈沖。（2）全光復(fù)用/去復(fù)用技術(shù) 全光時(shí)分復(fù)用可由光延遲線和3dB光方向耦合器構(gòu)成。在超高速系統(tǒng)中，最好將光延遲線及3dB光方向耦合器集成在一個(gè)平面硅襯底上所形成的平面光波導(dǎo)回路作為光復(fù)用器。全光去復(fù)用器在光接收端對OTDM信號進(jìn)行去復(fù)用。去復(fù)用器件要求其工作性能可靠穩(wěn)定，控制用光信號功率低，與偏振無關(guān)。（3）光定時(shí)提取技術(shù)光定時(shí)提取要求超高速運(yùn)轉(zhuǎn)、低相位噪聲、高靈敏度以及與偏振無關(guān)。2、波分復(fù)用（WDM） 光波分復(fù)用在本質(zhì)上講是在光纖上實(shí)行的FDM，即光域

11、上的FDM技術(shù)。是為了充分利用單模光纖低損耗區(qū)巨大的帶寬資源，根據(jù)每一個(gè)信道光波頻率（或波長）的不同而將光纖的低損耗窗口劃分成若干個(gè)信道的技術(shù)。WDM技術(shù)是把光波作為信號的載波，在發(fā)端采用合波器將不同規(guī)格波長的信號光載波合并起來送入一根光纖進(jìn)行傳輸；在接收端再由一分波器將這些不同波長承載不同信號的光載波分開的復(fù)用方式。由于不同波長的光載波信號可以看作是相互獨(dú)立的，從而在一根光纖內(nèi)可實(shí)現(xiàn)多路光信號的復(fù)用傳輸。3、光分插復(fù)用（OADM） 光分插復(fù)用器設(shè)備在光波長領(lǐng)域內(nèi)具有傳統(tǒng)SDH分插復(fù)用器在時(shí)域內(nèi)的功能。特別是分出功能可以使OADM從一個(gè)WDM光束中分出一個(gè)信道，并且一般是以相同波長往光載波上插

12、入新的信息的插入功能。對于OADM，在分出口和插入口之間以及輸入口和輸出口之間必須有很高的隔離度，以最大限度地減少同波長干涉效應(yīng)。53.6光纖放大器技術(shù) 光纖放大器技術(shù)就是在光纖的纖芯中摻入能產(chǎn)生激光的稀土元素，通過激光器提供的直流光激勵(lì)，使通過的光信號得到放大。傳統(tǒng)的光纖傳輸系統(tǒng)是采用光電光再生中繼器，這種中繼設(shè)備影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為去掉上述轉(zhuǎn)換過程，直接在光路上對信號進(jìn)行放大傳輸，就要用一個(gè)全光傳輸型中繼器來代替這種再生中繼器。適用的設(shè)備有摻鉺光纖放大器（EDFA）、摻鐠光纖放大器（PDFA）、摻鈮光纖放大器（NDFA）。目前光放大技術(shù)主要是采用EDFA。EDFA主要由接鉺光纖（E

13、DF）、泵浦光源、耦合器和隔離器組成。EDFA利用摻餌光纖的非線性效應(yīng)，把泵浦光輸入到摻餌光纖中，使光纖中的餌原子的電子能級升高。當(dāng)高能級電子向低能級躍遷時(shí)，向外輻射出光子。當(dāng)有光信號輸人時(shí)，輻射光的相位和波長會(huì)自發(fā)與信號光保持一致。這樣在輸出端就可以得到功率較強(qiáng)的光信號，實(shí)現(xiàn)光信號放大。EDFA具備高增益、高輸出、寬頻帶、低噪聲、增益特性與偏振無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。利用光放大器構(gòu)成的全光網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是：工作波長恰好是在光纖損耗最低的1.55m波長，與線路的耦合損耗很小，噪聲低、頻帶寬，很適合用于WDM傳輸。但是在WDM傳輸中，由于各個(gè)信道的波長不同，有增益偏差，經(jīng)過多級放大后，增益偏差累積，低電平信

14、道信號SNR惡化，高電平信道信號也因光纖非線性效應(yīng)而使信號特性惡化。為了使EDFA的增益平坦，主要采用“增益均衡技術(shù)”和“光纖技術(shù)”。增益均衡技術(shù)利用損耗特性與放大器的增益波長特性相反的原理均衡抵消增益不均勻性?！肮饫w技術(shù)”是通過改變光纖材料或者利用不同光纖的組合來改變EDF特性，從而改善EDFA的特性。3.7無源光網(wǎng)技術(shù)（PON） 無源光網(wǎng)可看作是由無源光器件組成的光分配網(wǎng)，多用于接入網(wǎng)部分。它以點(diǎn)對多點(diǎn)方式為光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）之間提供光傳輸媒質(zhì)，而這又必須使用多址接入技術(shù)。目前使用中的有時(shí)分多址接入（TDMA）、波分復(fù)用（WDM）、副載波多址接入（SCMA）3種方式

15、。PON中使用的無源光器件有光纖光纜、光纖接頭、光連接器、光分路器、波分復(fù)用器和光衰減器。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用總線形、星形、樹形等多種結(jié)構(gòu)。四、全光網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn) 全光網(wǎng)具備更強(qiáng)的可管理性、靈活性、透明性和更大的通信容量，有如下以往傳統(tǒng)通信網(wǎng)和現(xiàn)行的光通信系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點(diǎn)。1、由于全光網(wǎng)比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)多了一個(gè)光網(wǎng)絡(luò)層，端到端采用透明光通路連接，沿途沒有6光電轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)，網(wǎng)中許多光器件都是無源的，因而可靠性高，便于維護(hù)。2、全光網(wǎng)通過波長選擇器來實(shí)現(xiàn)路由選擇，即以波長來選擇路由，對傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式以及調(diào)制方式具有透明性的優(yōu)點(diǎn)?？商峁┒喾N協(xié)議業(yè)務(wù)，不受限制地提供端到瑞業(yè)務(wù)。由于全光網(wǎng)中信號的傳輸全在光域中進(jìn)行，信號速率、格式等僅受限于接收端和發(fā)射端，因此全光網(wǎng)對信號是透明的。3、全光網(wǎng)加入新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，不影響原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備，不僅可以與現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)兼容，還可以支持未來的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)的升級，具有網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。4、全光網(wǎng)還具備可