全光網(wǎng)絡(luò)介紹論文設(shè)計(jì)型

1、1全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及發(fā)展、八 、亠一、前言21 世紀(jì)的到來(lái)，人類(lèi)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(huà)、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、性強(qiáng)、傳輸損耗低等優(yōu)點(diǎn)，人們提出了全光網(wǎng)

2、的概念。二、全光網(wǎng)的概念全光網(wǎng)的含義是指網(wǎng)絡(luò)中端到端用戶(hù)節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)通道保持 著光的形式， 信號(hào)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(guò)程都在光域進(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(chēng)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(wú)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)

3、的發(fā)展。 當(dāng)光纖的直徑減小到一個(gè)光波波長(zhǎng)時(shí)， 光在其中無(wú)反射 地沿直線(xiàn)傳播，這種光纖稱(chēng)為單模光纖。 單模光纖傳輸具有部損耗低、 帶寬大、易于升級(jí)擴(kuò)容和成本低的優(yōu)點(diǎn)。 下面介紹一下單模光纖傳輸 的特性及對(duì)傳輸速率的影響：1、頻帶寬，通信容量大 。目前可用的 850nm 波長(zhǎng)區(qū)、 1310nm 波長(zhǎng) 區(qū)和1550nm波長(zhǎng)區(qū)所對(duì)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(duì)傳輸各種寬頻帶信息意義十分重要。2、損耗低，中繼距離長(zhǎng)。 單模光纖的衰減特性有隨波長(zhǎng)遞增而減小 的總趨勢(shì)，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

4、坦?，F(xiàn)在一般都使用 1310nm 波長(zhǎng)區(qū)和 1550nm波長(zhǎng)區(qū)，由于最低衰減常數(shù)（0.2dB/km）位于1550nm附近, 因此長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)仍就都采用 1550nm 波長(zhǎng)區(qū)。3、色散。 色散是指光脈沖在光纖中傳播的過(guò)程中會(huì)散開(kāi)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(zhǎng)有關(guān)。4、非線(xiàn)性效應(yīng)。 系統(tǒng)中使用 E DFA ，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(hào)和光纖相互作用產(chǎn)生各種非線(xiàn)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(hào)最基本、最 重要的同

5、步傳輸模塊是STM-1，其速率為155.520Mbit/S,更高等級(jí) 的 STMN 信號(hào)是將基本模塊信號(hào) STM-1 按同步復(fù)用，經(jīng)字間分插 后的結(jié)果。STM-1的幀結(jié)構(gòu)可以分為段開(kāi)銷(xiāo)、管理單元指針、通道開(kāi) 銷(xiāo)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(lái)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?SDH 傳輸網(wǎng) 具

6、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(guò)程中存在光變電、 電變光的過(guò)程， 使得整 個(gè)光通信系統(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(guò)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(lái)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(lèi)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(mén)陣列開(kāi)關(guān)， 并 適當(dāng)控制門(mén)陣列開(kāi)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

7、光二極管門(mén)開(kāi)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(chǎng)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(guò)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(zhǎng)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(jiàn)，通過(guò) 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

8、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(hào)通過(guò)不同的波長(zhǎng)，選擇不同的網(wǎng)絡(luò)通路來(lái)實(shí)現(xiàn)， 由波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行交換。波分光交換網(wǎng)絡(luò)由波長(zhǎng)復(fù)用器 /去復(fù)用器、波 長(zhǎng)選擇空間開(kāi)關(guān)和波長(zhǎng)互換器組成。3.4 光交叉連接 (OXC)光交叉連

9、接是用于光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備， 通過(guò)對(duì)光信號(hào)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(xiàn)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(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行適 配、放大。管理控制單元通過(guò)編程對(duì)光交叉連接矩陣、輸入接口、輸 出接口模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。光交叉連接矩陣是 OXC 的核心，它要 求無(wú)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

10、和波分三種類(lèi)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(hào)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)及 3dB 光方向耦合

11、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(duì) OTDM 信號(hào)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(hào)功率低，與偏振無(wú)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(wú)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(zhǎng)） 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(hào)的載波，在發(fā)端 采用合波器將不同規(guī)格波長(zhǎng)的信號(hào)光載波合并起來(lái)送入

12、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(zhǎng)承載不同信號(hào)的光載 波分開(kāi)的復(fù)用方式。 由于不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)可以看作是相互獨(dú)立 的，從而在一根光纖可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)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(zhǎng)領(lǐng)域具有傳統(tǒng) SDH 分插復(fù)用器在時(shí) 域的功能。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(zhǎng)往光載波上插入新的信息的插入功 能。對(duì)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(zhǎng)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

13、的稀土元 素，通過(guò)激光器提供的直流光激勵(lì)，使通過(guò)的光信號(hào)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(guò)程， 直接在光路上對(duì)信號(hào)進(jìn) 行放大傳輸，就要用一個(gè)全光傳輸型中繼器來(lái)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（EDF）、泵浦光源、耦合器和隔離器組成。 EDFA 利用摻餌光纖的非線(xiàn)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(jí)升高。 當(dāng)高能級(jí)電子向低能級(jí)躍遷時(shí)， 向 外輻射出

14、光子。 當(dāng)有光信號(hào)輸人時(shí)， 輻射光的相位和波長(zhǎng)會(huì)自發(fā)與信 號(hào)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(hào)， 實(shí)現(xiàn)光 信號(hào)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(wú)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(zhǎng)恰好是在光纖損耗最低的1.55卩m波長(zhǎng)，與線(xiàn)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(zhǎng)不同，有增益偏差，經(jīng)過(guò)多級(jí)放大后，增益偏差 累積，低電平信道信號(hào) SNR 惡化，高電平信道信號(hào)也因光纖非線(xiàn)性 效應(yīng)而使信號(hào)特性惡化。 為了使 EDFA 的增益平坦，主要采用 “增益 均衡

15、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(zhǎng)特性相反的原理均衡抵消增益不均勻性。 “光纖技術(shù)”是通 過(guò)改變光纖材料或者利用不同光纖的組合來(lái)改變 EDF 特性，從而改 善 EDFA 的特性。3.7 無(wú)源光網(wǎng)技術(shù)（ PON ）無(wú)源光網(wǎng)可看作是由無(wú)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(duì)多點(diǎn)方式為光線(xiàn)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。PON中使用的無(wú)源光器件有光纖光纜、光纖接 頭、光連接器、光分路器、波

16、分復(fù)用器和光衰減器。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用 總線(xiàn)形、星形、樹(shù)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(méi)有 6 光電轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)，網(wǎng)中許多光器件都是無(wú)源的，因而可靠性高，便于 維護(hù)。2、全光網(wǎng)通過(guò)波長(zhǎng)選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)路由選擇，即以波長(zhǎng)來(lái)選擇路由， 對(duì)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)。 可提供多種 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)號(hào)的傳輸全在光 域中進(jìn)行，信號(hào)速率、格式等僅受限于接收端和發(fā)射端，因此全光網(wǎng) 對(duì)信號(hào)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(lái)的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字 網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，具有網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。4