全光通信

随着社会经济的发展，人们对信息的需求急剧增加，信息量呈指数增长，仅Internet用户需要传送的信息比特速率每年就增加8倍。通信业务需求的迅速增长对通信容量提出越来越高的要求。

光纤近30THz的巨大潜在带宽容量，使光纤通信成为支撑通信业务量增长最重要的技术。现阶段采用时分复用单波长的光纤传输系统容量已达10Gbit/s，再提高系统速率就会产生技术和经济上的问题。人们普遍认为波分复用是充分利用光纤低损耗区30THz带宽的一种可行技术，可以打破单个波长系统带宽的限制，是提高光纤容量的一种有效途径。

但是光纤传输系统速率的提高也带来了一个新的问题。在这种高速传输的网络中，如果网络节点处仍以电信号处理信息的速度进行交换，就会受到所谓“电子瓶颈”（10Gbps）的限制，节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/电和电/光转换费用所抵消。为了解决这一问题，人们提出了全光网AON（All Optical Network）的概念。

全光通信网，又称宽带高速光联网，它以波长路由光交换技术和波分复用传输技术为基础，在光域上实现信息的高速传输和交换，数据信号从源节点到目的节点的整个传输过程中始终使用光信号，在各节点处无光/电、电/光转换。全光网，从原理上讲就是网中直到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。这样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。

全光通信网技术是光纤通讯领域的前沿技术，是21世纪真正的高速公路。许多国家都把全光网作为建设“信息高速公路”的基础，将其提升到战略地位的高度。

全光通信网与现有光纤网的区别之一在于其波长路由，通过波长选择性器件实现路由选择。其二是信号传输无电中继，具有信号透明性，即数据速率透明和信号格式透明。另外全光网还具有可扩展性、可重构性和可操作性。具备以往通信网和现行光通信系统所不具备的优点：

1．简单可靠。全光网结构简单，端到端采用透明光通路连接，沿途没有光电转换与存储，网中许多光器件都是无源的，便于维护、可靠性高。

2．可扩展性好。加入新的网络节点时，不影响原有的网络结构和设备，降低成本，具有网络可扩展性。

3．透明传输。全光网以波长选择路由，对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可提供多种协议业务，可不受限制地提供端到端业务。

4．灵活重组。可根据通信业务量的需求，动态地改变网络结构，充分利用网络资源，具有网络可重组性。

5．快速恢复。实现快速网络恢复，恢复时间可达100ms，对绝大多数业务无损伤。

6．提供多种业务。全光网提供多种宽带信息业务，包括数据、音频和视频通信，可以把全光网支持的业务及应用分为3类：

传统数字信号业务，其数据速率范围从低速Kbps至高速Gpbs，如异步传送模式（ATM）、局域网的互连、多路数字电话、以太网等。

模拟信号业务，如有线电视（CATV）节目的多路传送。

用户需要光接口业务，高速数据和多媒体业务，包括视频工作站、大规模数据库和多路高清晰度电视等，这将是全光网业务的主流。

全光通信是用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则采用全光网络交换技术。全光通信与传统的通信网络与现有的光纤通信系统相比，具有其独具的特点：

（1）全光通信是历史发展的必然。电子交换机代替了模拟传输，在数字传输之后，引入了数字交换。采用光传输技术是历史的螺旋上升，光网络是下一步必然的发展对象。

（2）降低成本。在采用电子交换及光传输的体系中，光/电及电/光转换的接口是必要的，如果整个采用光技术可以避免这些昂贵的光电转换器材。而且，在全光通信中，大多采用无源光学器件，从而降低了成本和功耗。

（3）解决了“电子瓶颈”问题。在光纤系统中，影响系统容量提高的关键因素是电子器件速率的限制，如电子交换速率大概为每秒几百兆位，而只在大规模图像传输研究领域达Tbit/s的速率。CMOS技术及ECL技术的交换机系统可以达到Gbii/s范围，不久的将来，采用砷化铸技术可使速率达到几十个Gbit/s以上，但是电子交换的速率也似乎达到了极限。为此，网络需要更高的速度则应采用光交换与光传输相结合的全光通信。

总之，“全光通信”是一种无须进行任何光电变化的全新光波通信。在全光通信系统中，图像和话音信息直接变换为光信号，并在传输媒体中传输。在摄像光学系统、光纤系统和接收放大系统组成的全光通信系统中，由于不要求光电变换，所以没有任何电子元件，信号失真小，能够在100°C以上的高温环境中连续工作，是理想的通信方式。

全光通信网络的结构分为服务层（Service layer）和传送层（Transport layer），网络传送层分为SDH层、ATM层和光传送层。光传送层由光分插复用器（OADM）和光交叉连接（OXC）组成。在光传送层，通过迂回路由波长（Rerouting wavelength），在网络中形成大带宽的重新分配。在光缆断开时，光传送层起网络恢复（Restoration）的作用。在远端，光纤环中的光分插复用器OADM插入/分离所确定的波长通道至ATM复用器，而OXC则连接两个光WDM环路到ATM交换机。

利用波分复用技术的全光网将采用三级体系结构。0级（最低一级）是众多单位各自拥有的局域网（LAN），它们各自连接若干用户的光终端（OT）。每个0级网的内部使用一套波长，但各个0级网多数也可重复使用同一套波长，1级可看作许多城域网（MAN），它们各自设置波长路由器连接若干个0级网。2级可以看作全国或国际的骨干网，它们利用波长转换器或交换机连接所有的1级网。

为了实现准确、有效、可靠的全光通信，应采用以下关键技术：

光多址技术是光纤通信系统的关键技术之一。选用哪一种光多址方式直接影响到系统的频谱利用率、系统容量、设备的复杂度及成本等。光多址方式主要有3种：光波分多址、光时分多址、副载波多址。

（1）光波分多址(WDMA)是将多个不同波长且互不交叠的光载波分配给不同的光网络单元（ONU），用以实现上行信号的传输，即各ONU根据所分配的光载波对发送的信息脉冲进行调制，从而产生多路不同波长的光脉冲，然后利用波分复用方法经过合波器形成一路光脉冲信号来共享传输光纤并送入到光交换局。在WDMA系统中为了实现任何允许节点共享信道的多波长接入，必须建立一个防止或处理碰撞的协议。该协议包括固定分配协议、随机接入协议（包括预留机制、交换和碰撞预留技术）及仲裁规程和改装发送许可等。

WDMA的研究比较广泛，已提出了两种WDMA网络：单转发网络和多转发网络。前者有：

①IBM BAINBOW的单转发副载波控制的WDMA网络，即在每一个节点上只需一个激光器，并在控制信道上采用副载波多址接入（SCMA）来解决控制信道竞争问题；

②具有低功耗，树型或多星型结构的无源光波分多址网络等；后者包括：具有多种可能配置的Gemnet网络，具有KAVTE拓扑结构的多转发网络、基于超图理论的超图网络及由斯坦福大学光通信实验室开发的Starnet网络。

（2）副载波多址（SCMA）多用于光交换局到不同ONU的控制信号的传送。其基本原理是将多路基带控制信号调制到不同频率的射频（超短波到微波频率）波上，然后将多路射频信号复用后再去调制一个光载波。在ONU端进行二次解调，首先利用光探测器从光信号中得到多路射频信号，并多中选出该单元需要接收的控制信号，再用电子学的方法从射频波中恢复出基带控制信号。在控制信道上使用SGMA接入，不仅可降低网络成本，还可解决控制信道的竞争。

（3）光时分多址（OTDM）是在同一光载波波长上，把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使每个ONU在每帧内只按指定的时隙发送信号，然后利用全光时分复用方法在光功率分配器中合成一路光时分脉冲信号，再经全光放大器放大后送入光纤中传输。在交换局，利用全光时分分解复用。为了实现准确，可靠的光时分多址通信，避免各ONU向上游发送的码流在光功率分配器合路时可能发生碰撞，光交换局必须测定它与各ONU的距离，并在下行信号中规定ONU的严格发送定时。

除以上多址技术以外，随着光纤通信技术的发展，还会出现其他的多址方式，如利用不同的代码序列来区分各ONU的光码分多址，利用不同的光纤或将光纤中的光速沿空间分割给不同的ONU来实现通信的空分多址方式等。当然，其中也包括上述多址方式的混合多址方式，如将光时分多址与光波分多址相结合，可进一步提高系统容量。

在光纤通信中，光纤的损耗和色散严重影响通信质量。损耗导致光信号的幅度随传输距离按指数规律衰减，这可以通过全光放大器来提高光信号功率。色散会导致光脉冲发生展宽，发生码间干扰，使系统的误码率增大，严重影响了通信质量。因此，必须采取措施对光信号进行再生。对光信号的再生都是利用光电中继器，即光信号首先由光电二极管转变为电信号，经电路整形放大后，再重新驱动一个光源，从而实现光信号的再生。这种光电中继器具有装置复杂、体积大、耗能多的缺点。出现了全光信息再生技术后，即在光纤链路上每隔几个放大器的距离接入一个光调制器和滤波器，从链路传输的光信号中提取同步时钟信号输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制，使光脉冲变窄、频谱展宽、频率漂移和系统噪声降低，光脉冲位置得到校准和重新定时。全光信息再生技术不仅能从根本上消除色散等不利因素的影响，而且克服了光电中继器的缺点，成为全光信息处理的基础技术之一。

为了充分发挥光通信的优势，必须研究开发行之有效的网络管理控制系统。网络的配置管理、信道的分配管理、管理控制协议、网络的性能测试等都是网络管理方面需要解决的技术。由于全光网络采用了先进的多址技术，因此如何根据当前的业务负载及信道的使用情况来动态地分配信道资源，对于全光网络尤为重要。只有高效地分配信道，才可使系统达到最大容量和最佳通信质量。

光交换是指光纤传送的信息直接进行交换。与电子数字程控交换相比，光交换无需在光纤传输线路和交换机这间设置光端机进行光/电、电/光变换，并且在交换过程中还能充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应的优点。光交换技术作为全新的交换技术，与光纤传输技术相融合可形成全光通信网络，从而将通信网和广播网综合在一个网中，成为通信的未来发展方向。它主要有5种交换方式：空分光交换、时分光交换、波分光交换、复合型光交换及自由空间光交换。

（1）空分光交换是指空间划分的交换。其基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一输出光纤之间构成通路。因其交换元件的不同可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反射型和激光二极管门开关等。如耦合波导型交换元件铌酸锂，它是一种电光材料，具有折射率随外界电场的变化而发生变化的光学特性。以铌酸锂为基片，在基片上进行钛扩散，以形成折射率逐渐增加的光波导，即光通路，再焊上电极后即可将它作为光交换元件使用。当将两条很接近的波导进行适当的复合，通过这两条波导的光速将发生能量交换。能量交换的强弱随复全系数、平行波导的长度和两波导之间的相位差变化，只要所选取的参数适当，光速就在波导上完全交错。如果在电极上施加一定的电压，可改变折射率及相位差。由此可见，通过控制电极上的电压，可以得到平行和交叉两种交换状态。

时分光交换方式的原理与现行的电子程控交换中的时分交换系统完全相同，因此它能与采用全光时分多路复用方法的光传输系统匹配。在这种方式下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设备，构成大容量的光交换机。

（2）时分光交换网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。它所采用的空分交换模块与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分型光交换模块中则需要有光存储器（如光纤延迟存储器、双稳态激光二极管存储器）、光选通器（如定向复合阵列开关）以进行相应的交换。

（3）波分光交换方式能充分利用光跌的宽带特性，可以获得以电子线路所不能实现的波分型交换网。可调波长滤波器和波长变换器是实现波分交换的基本元件，前者的作用是从输入的多路波分光信号中选出所需波长的光信号，后者则将可变波长滤波器选出的光信号变换成适当的波长后输出。这可以通过DFB（分布反馈型）和DBR（分布DBR反射）型的半导体激光器来实现。

（4）复合型光交换是指在一个交换网络中同时应用两种以上的光交换方式。例如，在波分技术的基础上设计大规模交换网络的一种方法是进行多极链路连接，链路连接在各级内均采用波分交换技术。因这种方法需要把多路信号分路接入链路，故抵消了波分复用的优点。解决这个问题的措施是在链路上利用波分复用方法，实现多路化链路的连接，空分-波分复全型光交换系统就是复合型光交换技术的一个应用。除此之外，还可将波分和时分技术结合起来得到另一种极有前途的复合型光交换，其复用度是时分多路复用度与波分多路复用度的和乘积。如它们的复用度分别为16，则可实现256路的时分----波分复合型交换。

（5）自由空间光交换可以看作是一种空分交换，然而这种交换方式在空分复用方面具有显著的特点，尤其是它在1mm范围内具有高达10um量级的分辩率，因此自由空间光交换方式被认为是一种新型交换技术。

除以上必须采取的关键技术外，为了进一步提高全光通信的系统容量及获得最大的传输距离，还可采用非线性（光孤子）传输技术、变换极限超短光脉冲的产生等技术。