全光通信技術(shù)發(fā)展與未來展望

全光通信技術(shù)發(fā)展與未來展望第一頁，共二十六頁。全光通信系統(tǒng)發(fā)展歷史第一代：20世紀(jì)90年代以前，光纖通信系統(tǒng)主要采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，傳輸體制最初采用準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)（主要是以模擬信號(hào)的傳輸）第二代：自90年代初就逐漸被同步數(shù)字體系(SDH)所取代，SDH是基于網(wǎng)絡(luò)的傳送體制。采用SDH體制的光纖通訊網(wǎng)又稱為同步光網(wǎng)絡(luò)(SONET）（以數(shù)字處理代替模擬處理），可以稱為光電混合網(wǎng)絡(luò)，其傳輸在光域?qū)崿F(xiàn)，但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處信息的交換、數(shù)據(jù)流的分出和插入都在電域完成。其性能必然要受到電子器件處理速率的制約，這就是所謂“電子瓶頸”問題。第二頁，共二十六頁。電子瓶頸的來源1）在點(diǎn)-點(diǎn)光纖傳輸中，線路中的光-電，電-光的轉(zhuǎn)換中電子轉(zhuǎn)換設(shè)備的障礙。2）通行網(wǎng)中信號(hào)的處理、儲(chǔ)存、交換，以及多路復(fù)用-分接、進(jìn)網(wǎng)-出網(wǎng)等功能的電子技術(shù)造成的瓶頸3），而其中的電子器件在適應(yīng)高速、大容量的需求上存在諸多缺點(diǎn)，如帶寬限制、時(shí)鐘偏移、嚴(yán)重串話、高功耗等，由此產(chǎn)生通信網(wǎng)中的“電子瓶頸”現(xiàn)象。第三頁，共二十六頁。第三代網(wǎng)絡(luò)必將是全光網(wǎng)絡(luò)。所謂全光網(wǎng)絡(luò)，是指信號(hào)只是在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)才進(jìn)行電／光和光／電的變換，而在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和交換的過程中始終以光的形式存在。第四頁，共二十六頁?，F(xiàn)代光纖系統(tǒng)通信圖第五頁，共二十六頁。第六頁，共二十六頁。全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信圖第七頁，共二十六頁。3．全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)要在全光網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的透明性、可重構(gòu)性傳輸，必須研究全光傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。涉及的技術(shù)有：全光交換、光交叉連接(oxc)、全光中繼、光復(fù)用/去復(fù)用技術(shù)等技術(shù)。第八頁，共二十六頁。3.1全光交換技術(shù)現(xiàn)代通信網(wǎng)中，密集波分復(fù)用（DWDM）光傳送網(wǎng)絡(luò)充分利用光纖的巨大帶寬資源來滿足各種通信業(yè)務(wù)爆炸式增長(zhǎng)的需要。然而，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸與交換仍然采用如IPoverATM、IPoverSDH等多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案，不僅開銷巨大，而且必須在中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，無法充分利用底層DWDM帶寬資源和強(qiáng)大的波長(zhǎng)路由能力。為了克服光網(wǎng)絡(luò)中的電子瓶頸，具有高度生存性的全光網(wǎng)絡(luò)成為寬帶通信網(wǎng)未來發(fā)展目標(biāo)。而光交換技術(shù)作為全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個(gè)重要支撐技術(shù)，它的全光通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，可以這樣說光交換技術(shù)的發(fā)展在某種程度上也決定了全光通信的發(fā)展。第九頁，共二十六頁。光交換系統(tǒng)第十頁，共二十六頁。全光交換技術(shù)的分類光交換技術(shù)可分成光的電路交換（OCS）和光分組交換（OPS）兩種主要類型。光的電路交換類似于現(xiàn)存的電路交換技術(shù)，采用OXC、OADM等光器件設(shè)置光通路，中間節(jié)點(diǎn)不需要使用光緩存，目前對(duì)OCS的研究已經(jīng)較為成熟。根據(jù)交換對(duì)象的不同OCS又可以分為：光時(shí)分交換技術(shù)、光波分交換技術(shù)、光空分交換技術(shù)、光碼分交換技術(shù)。第十一頁，共二十六頁。1）光時(shí)分交換技術(shù)，時(shí)分復(fù)用是通信網(wǎng)中普遍采用的一種復(fù)用方式，時(shí)分光交換就是在時(shí)間軸上將復(fù)用的光信號(hào)的時(shí)間位置t1轉(zhuǎn)換成另一個(gè)時(shí)間位置t22）光波分交換技術(shù)，是指光信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中不經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換，直接將所攜帶的信息從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)波長(zhǎng)上。3）光空分交換技術(shù)，即根據(jù)需要在兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)之間建立物理通道，這個(gè)通道可以是光波導(dǎo)也可以是自由空間的波束，信息交換通過改變傳輸路徑來完成4）光碼分交換技術(shù)，光碼分復(fù)用（OCDMA）是一種擴(kuò)頻通信技術(shù)，不同戶的信號(hào)用互成正交的不同碼序列填充，接受時(shí)只要用與發(fā)送方相同的法序列進(jìn)行相關(guān)接受，即可恢復(fù)原用戶信息。光碼分交換的原理就是將某個(gè)正交碼上的光信號(hào)交換到另一個(gè)正交碼上，實(shí)現(xiàn)不同碼子之間的交換。第十二頁，共二十六頁。光分組交換未來的光網(wǎng)絡(luò)要求支持多粒度的業(yè)務(wù)，其中小粒度的業(yè)務(wù)是運(yùn)營(yíng)商的主要業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)的多樣性使得用戶對(duì)帶寬有不同的需求，OCS在光子層面的最小交換單元是整條波長(zhǎng)通道上數(shù)Gb/s的流量，很難按照用戶的需求靈活地進(jìn)行帶寬的動(dòng)態(tài)分配和資源的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，所以光分組交換應(yīng)運(yùn)而生。光分組交換系統(tǒng)根據(jù)對(duì)控制包頭處理及交換粒度的不同，又可分為：光分組交換（OPS）技術(shù)、光突發(fā)交換（OBS）技術(shù)、光標(biāo)記分組交換（OMPLS）技術(shù)。第十三頁，共二十六頁。3．3光交叉連接(oxc)光交叉連接設(shè)備相當(dāng)于一個(gè)模塊，它具有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光纖接口，它可以把輸入端的任一光纖信號(hào)(或其各波長(zhǎng)信號(hào))可控地連接到輸出端的任一光纖(或其各波長(zhǎng))中去，并且這一過程是完全在光域中進(jìn)行的。通過使用光交叉連接設(shè)備，可以有效地解決現(xiàn)有的數(shù)字交叉連接(DXC)設(shè)備的電子瓶頸問題。第十四頁，共二十六頁。OXC的結(jié)構(gòu)及其工作原理OXC主要由輸入部分(放大器EDFA，解復(fù)用DMUX)，光交叉連接部分(關(guān)交叉連接矩陣)，輸出部分(波長(zhǎng)變換器OYU，均功器，復(fù)用器)，控制和管理部分及其分插復(fù)用這五大部分組成。假設(shè)圖1中輸入輸出OXC設(shè)備的光纖數(shù)為M，每條光纖復(fù)用N個(gè)波長(zhǎng)。這些波分復(fù)用光信號(hào)首先進(jìn)入放大器EDFA放大，然后經(jīng)解復(fù)用器DMUX把每一條光纖中的復(fù)用光信號(hào)分解為單波長(zhǎng)信號(hào)(λ1-λN),M條光纖就分解為M*N個(gè)單波長(zhǎng)光信號(hào)。所以信號(hào)通過(M*N)*(M*N)的光交叉連接矩陣再控制和管理單元的操作下進(jìn)行波長(zhǎng)配置，交叉連接。由于每條光纖不能同時(shí)傳輸兩個(gè)相同波長(zhǎng)的信號(hào)(即波長(zhǎng)爭(zhēng)用)，所以為了防止出現(xiàn)這種情況，實(shí)現(xiàn)無阻塞交叉連接，在連接矩陣的輸出端每波長(zhǎng)通道光信號(hào)還需要經(jīng)過波長(zhǎng)變換器OTU進(jìn)行波長(zhǎng)變換。然后再進(jìn)入均功器把各波長(zhǎng)通道的光信號(hào)功率控制在可允許的范圍內(nèi)，防止非均衡增益經(jīng)EDFA放大導(dǎo)致比較嚴(yán)重的非線性效應(yīng)。最后光信號(hào)經(jīng)復(fù)用器MUX把相應(yīng)的波長(zhǎng)復(fù)用到同一光纖中，經(jīng)EDFA放大到線路所需的功率完成信號(hào)的匯接。第十五頁，共二十六頁。第十六頁，共二十六頁。第十七頁，共二十六頁。3．4全光中繼任何光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離都受到損耗和色散的限制，損耗導(dǎo)致光信號(hào)能量的降低，而色散則使光脈沖發(fā)生展寬。在長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)光纖傳輸一段距離后，必須利用中繼器對(duì)已衰減和失真的光信號(hào)進(jìn)行處理和放大。傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)采用的是光電中繼的方式，但在多信道復(fù)用系統(tǒng)中變得十分復(fù)雜而昂貴。因而在損耗限制系統(tǒng)中，采用光放大器直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，可以節(jié)省成本，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)全光通信打下了基礎(chǔ)。第十八頁，共二十六頁。目前，已實(shí)現(xiàn)的光放大器包括半導(dǎo)體激光放大器、非線性光纖放大器和摻餌光纖放大器（EDFA），其中應(yīng)用最廣泛的是摻鉺光纖放大器。摻餌光纖放大器（EDFA）在光纖通信中采用WDM技術(shù)能實(shí)現(xiàn)超大容量、超高速的光傳輸。而EDFA的商用可以使全光中繼成為現(xiàn)實(shí)。EDFA是1980年代末發(fā)展起第十九頁，共二十六頁。來的一種新型光放大器件，它具有高增益、低噪聲、寬頻帶，以及對(duì)數(shù)據(jù)速率與格式透明等特點(diǎn)。它可以對(duì)波長(zhǎng)在1530～1575mm的光信號(hào)同時(shí)放大。在1550mm波段，EDFA的放大增益可達(dá)30-40dB。EDFA不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與光纖耦合方便，而且連接損耗小。EDFA可用于100個(gè)信道以上的密集波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)、接入網(wǎng)中的光圖像信號(hào)分配系統(tǒng)、空間光通信，以及用于研究非線性現(xiàn)象等。EDFA是目前光放大技術(shù)的主流，它能簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低傳輸成本，增加中繼距離，提高光信號(hào)傳輸?shù)耐该餍?，是?shí)現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵器件。第二十頁，共二十六頁。3.5全光信息再生技術(shù)。在光纖通信中，光纖的損耗和色散嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，損耗導(dǎo)致光信號(hào)的幅度隨傳輸距離按指數(shù)規(guī)律衰減，這可以通過全光放大器來提高光信號(hào)功率。色散會(huì)導(dǎo)致光脈沖發(fā)生展寬，發(fā)生碼間干擾，使系統(tǒng)的誤碼率增大，嚴(yán)重影響了通信質(zhì)量。因此，必須采取措施對(duì)光信號(hào)進(jìn)行再生。目前，對(duì)光信號(hào)的再生都是利用光電中繼器，即光信號(hào)首先由光電二極管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)電路整形放大后，再重新驅(qū)動(dòng)第二十一頁，共二十六頁。一個(gè)光源，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的再生。這種光電中繼器具有裝置復(fù)雜、體積大、耗能多的缺點(diǎn)。而最近，出現(xiàn)了全光信息再生技術(shù)，即在光纖鏈路上每隔幾個(gè)放大器的距離接人一個(gè)光調(diào)制器和濾波器，從鏈路傳輸?shù)墓庑盘?hào)中提取同步時(shí)鐘信號(hào)輸入到光調(diào)制器中，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行周期性同步調(diào)制，使光脈沖變窄、頻譜展寬、頻率漂移和系統(tǒng)噪聲降低，光脈沖位置得到校準(zhǔn)和重新定時(shí)。全光信息再生技術(shù)不僅能從根本上消除色散等不利因素的影響，而且克服了光電中繼器的缺點(diǎn)，成為全光信息處理的基礎(chǔ)技術(shù)之一。第二十二頁，共二十六頁。3．5光復(fù)用/去復(fù)用技術(shù)。

為了進(jìn)一步提高光通信的傳輸效率可以采用光復(fù)用技術(shù)。所謂光復(fù)用，是在光域上進(jìn)行時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用和波分復(fù)用復(fù)用技術(shù)被認(rèn)為是擴(kuò)展現(xiàn)存光纖網(wǎng)絡(luò)工程容量的主要手段。復(fù)用技術(shù)主要包括時(shí)分復(fù)用TDM（TimeDivisionMultiplexing）技術(shù)、空分復(fù)用SDM（SpaceDivisionMultiplexing）技術(shù)、波分復(fù)用WDM（WaveLengthDivisionMultiplexing）技術(shù)和頻分復(fù)用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）技術(shù)。但是，因?yàn)镕DM和WDM一般認(rèn)為并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，所以可以認(rèn)為波分復(fù)用是“粗分”，而頻分復(fù)用是“細(xì)分”，從而把兩者歸入一類。下面主要討論空分復(fù)用（SDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）、波分復(fù)用（WDM）、稀疏波分復(fù)用(CWDM)、光分插復(fù)用（OADM）復(fù)用方式。

第二十三頁，共二十六頁。4.

全光通信發(fā)展中的限制（1）目前在線的光放大主要是EDFA，已經(jīng)有了商用產(chǎn)品，但是其帶寬是有限的，一般在1530和1560nm之間，大約30nm左右，這就使得可用的波長(zhǎng)資源受到了限制，而且EDFA本身還存在著因增益不平坦和交叉飽和帶來的級(jí)聯(lián)受限問題，將限制可容納的波長(zhǎng)數(shù)。（2）WDM的交換節(jié)點(diǎn)（OXC、OADM)將使串?dāng)_變得更加嚴(yán)重。在全光網(wǎng)的交換節(jié)點(diǎn)中，因?yàn)榇嬖谥罅康墓忾_關(guān)、濾波器，每個(gè)都會(huì)導(dǎo)致不同程度的串?dāng)_，串?dāng)_會(huì)迅速地累積起來。這些串?dāng)_可以分為兩類：不同波長(zhǎng)串?dāng)_，如果串?dāng)_與信號(hào)的波長(zhǎng)差別足夠大，遠(yuǎn)大于接收機(jī)的帶寬，則接收機(jī)的輸出只是信號(hào)功率與串?dāng)_的線性和（線性串?dāng)_）；同波長(zhǎng)串?dāng)_，如果接收機(jī)帶寬足夠大，包括了信號(hào)和部分串?dāng)_，就會(huì)導(dǎo)致相干串?dāng)_，相干串?dāng)_的影響遠(yuǎn)比線性串?dāng)_嚴(yán)重。（3）全光通信中光濾波器的級(jí)聯(lián)也會(huì)導(dǎo)致傳輸限制。級(jí)聯(lián)濾波器系統(tǒng)的總傳輸函數(shù)是所有光濾波器的傳輸函數(shù)之積，因此總的有效帶寬將減小。而且濾波器之間，以及濾波器通帶與信號(hào)波長(zhǎng)之間，還有可能沒有對(duì)準(zhǔn)，這也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、管理和控制目前沒有成熟的方案，這可能是未來全光通信發(fā)展中的最大的障礙。第二十四頁，共二十六頁。4.

全光通信發(fā)展未來全光通信因具有處理高速率的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離、超大容量的無中繼通信，提高網(wǎng)絡(luò)效率等多種優(yōu)點(diǎn)正受到世界各國(guó)的重視，隨著通信業(yè)務(wù)需求的飛速增加，各種新技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，它必將成為未來通信發(fā)展的最終趨勢(shì)。盡管還在一些方面存在著限制，但還是會(huì)向?qū)嵱没姆较蜻~進(jìn)。科學(xué)家認(rèn)為，在21世紀(jì)初中期，全光通信將逐步走向?qū)嵱没?。第二十五頁，共二十六頁。?nèi)容總結(jié)全光通信技術(shù)發(fā)展與未來展望。涉及的技術(shù)有：全光交換、光交叉連接(oxc)、全光中繼、光復(fù)用