光网络技术与发展趋势
1 光网络的基本特点、结构与发展趋势
1.1 基本特点
现有网络由光传输系统和电子节点组成，光技术用于两个电子节点间的点对点传输，在每个电子节点中光信号都要转换成电信号由电子节点进行电处理，两个网络边缘节点之间的连接通常为多跳连接，这将会增大传输延迟，使电子节点的处理负担过重，限制网络节点的吞吐量。20世纪90年代以来，随着光纤通信技术的迅速发展，许多学者提出了“全光网络”的概念，其本意是信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生和交换/选路，中间不经过任何光电转换，以达到全光透明性，实现在任意时间、任意地点、传送任意格式信号的理想目标。
全光网络由光传输系统和在光域内进行交换/选路的光节点组成，光传输系统的容量和光节点的处理能力非常大，电子处理通常在边缘网络进行，边缘网络中的节点或节点系统可采用光通道通过光网络进行直接连接，如图1所示。光节点不进行按信元或按数据包的电子处理，因而具有很大的吞吐量，可大大地降低传输延迟。不同类型的信号可以直接接入光网络。光网络具有光通道的保护能力，以保证网络传输的可靠性。为了提高传输效率，也可以简化或去掉SDH和ATM等中有关网络保护的功能，避免各个层次的功能重复。
由于光器件技术的局限性，目前全光网络的覆盖范围还很小，要扩大网络覆盖范围，必须要通过光电转换来消除光信号在传输过程中积累的损伤（色散、衰减、非线性效应等），进行网络维护、控制和管理。因此，目前所说的“光网络”是由高性能的光电转换设备连接众多的全光透明子网的集合，是ITU－T有关“光传送网”概念的通俗说法。ITU－T在G.872建议中定义光传送网为一组可为客户层信号提供主要在光域上进行传送、复用、选路、监控和生存性处理的功能实体，它能够支持各种上层技术，是适应公用通信网络演进的理想基础传送网络。最近提出的自动交换光网络也属于光传送网的范畴。
1.2 光网络的结构
光网络的基本结构类型有星形、总线形（含环形）和树形等3种，可组合成各种复杂的网络结构。光网络可横向分割为核心网、城域/本地网和接入网。核心网倾向于采用网状结构，城域/本地网多采用环形结构，接入网将是环形和星形相结合的复合结构（如图2所示）。光网络可纵向分层为客户层、光通道层(OCH)、光复用段层(OMS)和光传送段层(OTS)等层。如图3所示，两个相邻层之间构成客户/服务层关系。
●客户层：由各种不同格式的客户信号（如SDH、PDH、ATM、IP等）组成;
●光通道层：为透明传送各种不同格式的客户层信号提供端到端的光通路联网功能，这一层也产生和插入有关光通道配置的开销，如波长标记、端口连接性、载荷标志（速率、格式、线路码）以及波长保护能力等，此层包含OXC和OADM相关功能;
●光复用段层：为多波长光信号提供联网功能，包括插入确保信号完整性的各种段层开销，并提供复用段层的生存性，波长复用器和高效交叉连接器属于此层;
●光传送段层: 为光信号在各种不同的光媒体（如G.652、G.653、G.655光纤）上提供传输功能，光放大器所提供的功能属于此层。
1.3 光网络的演变与发展
从光技术的应用程度来看，目前属于光网络发展的初始阶段，光技术主要用于两个电子节点间的大容量点对点传输，主要的功能是传送和复用。全光传输距离约为600km（具体由单信道速率决定），更长的距离需要加电再生中继器。交换/选路、监控和生存性处理等联网功能基本上由电子技术实现。随着光技术的不断发展，全光传输距离将越来越长，交换/选路、监控和生存性处理等功能将逐渐由光子技术实现，通过采用先进的光器件逐步取代光电转换设备，不断扩大光透明子网的覆盖范围，最终实现全光通信网络的理想目标。
从复用方式来看，目前DWDM方式正在大量使用，光传输系统的容量急剧提高，但这些固定式的电路复用方式不太适合数据业务，随着网络中数据业务的比重越来越大，光网络将向基于光分组的统计复用方式发展。
从交换/选路方式来看，目前大量应用的是基于DXC的电交叉连接方式，但基于波长选路的光交换技术正进入实用，这种交换方式的引入将极大地提高网络的交换速度和容量。由于波长级的光交换是一种带宽粒度很大的电路交换方式，不太适合数据业务的发展，未来光网络将向光分组交换的方向发展。
从组网方式来看，光网络将沿着“点到点链环多环网状网”的方向发展，如图4所示。应用大量的SDH系统来满足日益增长的带宽需求必将使已敷设的光纤很快耗尽，因此，大容量的DWDM点对点系统将被大量引入，并将逐步引入OADM构成链形和环形光网络，进一步的发展将是采用灵活的可编程OADM甚至OXC将多个单环连成多环光网络。随着网络带宽需求的不断增加，环形网络的配置将限制网络基础设施的进一步扩展，光网络将向能够进行灵活有效配置的全光网状网发展。光网络灵活性将按“静态半动态动态”的方向发展。
从应用领域来看，光网络将沿着“干线网本地网城域网接入网用户驻地网”的次序逐步渗透。
2 光传送技术
大容量光传送技术是最先应用于光网络中的技术，技术的发展主要围绕以下几点展开：
（1） 提高单波道速率，主要有ETDM和OTDM方式。ETDM应用最广泛，目前40Gb/s的ETDM系统即将进入实用，更高速率的系统也处在研发之中，其中的关键技术是色散补偿和偏振模色散补偿。此外，受“电子瓶颈”的限制，纯粹的ETDM方式发展潜力已不太大，今后的发展将是“ETDM＋OTDM”方式。
（2） 增加波道数量，主要采用WDM方式，通过增加可用带宽和减小波道间隔都可实现波道数量的增加。打通1310nm和1550nm窗口之间的氢氧根吸收峰以后，光纤在0.35dB以下的低损耗可用带宽可增加到50THz，非常丰富。由于一些主要光器件的损耗/增益与波长密切相关，因此，可用带宽的增加主要取决于光器件，尤其是光放大器。目前应用的光放大器主要是EDFA，增益带宽仅35nm左右。因此扩展光放大器的增益带宽是提高WDM信道数量和传输容量最有效的方法。扩展光放大器带宽的主要技术有以下几种：
① 基于新材料带增益均衡光滤波器的EDFA；
② 采用平行配置使用EDFA的两个增益波段；
③ 将局部增益平坦的EDFA与光纤拉曼放大器（FRA）结合使用； ④ 采用拉曼激光放大器；
⑤ 将掺稀土光纤放大器与FRA进行组合。
EDFA在1580nm和1550nm处有非常好的增益平坦度，①～③种技术都是针对这两个增益波段所采用的扩大EDFA增益带宽的方法。采用带增益均衡器（GEQ）的常规二氧化硅基EDFA并使用二级放大器配置，可以在1550和1580nm附近得到50nm的带宽；采用基于新材料的EDFA加GEQ则可在此基础上将带宽进一步扩展到近80nm;采用平行配置利用EDFA的两增益波段可得到85nm的带宽。混合放大器的带宽受常规EDFA带宽所限，只能达到80nm左右，今后的发展趋势将是使用拉曼光放大器，将掺稀土光纤放大器与拉曼光放大器结合，增益带宽将几乎覆盖光纤的全部低损耗窗口。
减小波道间隔主要取决于光纤的非线性效应，非线性效应主要有受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等。XPM、SBS和SRS的影响较小（在DSF中XPM的影响较大）；FWM与色散、波长划分密切相关。色散越小，波长划分越规则，FWM越大；SPM有较大的影响，它限制了输入功率;光纤中的功率密度越大，波道数越多，波道间隔越小，非线性影响越大。光纤的优化设计能够较好地克服非线性效应，今后干线网将主要用大有效面积、低色散斜率的G.655光纤，城域网主要用G.652C类光纤（全波光纤等），接入网将主要用普通的G.652光纤。
（3） 扩大全光传送距离。上述光放大器等光器件技术、色散和偏振模色散补偿技术以及克服非线性效应影响的技术对扩大全光传送距离具有很大的影响。此外，前向纠错技术、光孤子等也是非常重要的技术。如果全光中继器开发成功，则可彻底解决全光传送问题，这有待于光器件技术的突破。
3 光交换/选路节点技术
光交换/选路是光网络中关键光节点技术，主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路。光交换/选路的带宽粒度可以是光线路级、波长级、分组级甚至比特级。从功能上看，光交换机/选路器、OXC、OADM都属于光交换/选路节点，它们是顺序包容的。即OADM是OXC的特例，主要进行光路上下，OXC是光交换机/选路器的特例，主要在光路上进行交叉连接， OADM和OXC主要应用于目前正准备进入实用的WDM光网络，是光纤和波长级的粗粒度带宽处理光节点设备。下一步的应用将是光分组交换/选路节点，它主要应用于光分组交换网络，这种光节点在分组级进行光交换/选路，可更加灵活、有效地利用带宽。基于OTDM的比特级光交换节点对光器件的要求非常高，离实用尚远。
3.1 全光交换方式
全光交换方式主要有以下几种：
●空分光交换: 由光开关矩阵来实现的交换，光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，使输入端任一波道与输出端任一波道相连，完成信息的交换。各种机械、电或光控制的相关器件均可构成空分光交换。构成光矩阵的开关有铌酸锂定向耦合器、微电子机械系统（MEMS）。
●时分光交换: 时分光交换系统采用光器件或光电器件作为时隙交换器，通过光读写门对光存储器的受控有序读写操作完成交换动作。关键技术是高速光逻辑器件，即光的读写器件和存储器件。
●波分/频分光交换: 信号通过不同的波长，选择不同的网络通路来实现，由波长开关进行交换。波分光交换由波长复用器/去复用器、可调波长滤波器、波长转换器和波长选择开关等组成。
●光分组交换: 类似电领域的分组交换的基本原理，采用波分复用、电或光缓冲技术，由分组波长进行选路。依照分组的波长，分组被选路到输出端口的光缓冲存储器中，然后将选路到同一输出端口的分组存储于公用的光缓冲存储器内，完成交换。
●复合型光交换：综合采用以上两种或两种以上的方式。
3.2 WDM光网络节点
目前及今后较长一段时期应用的主要是基于WDM的光网络，其主要的网络节点为OADM和OXC，通常由WDM复用/解复用器、光交换矩阵（由光开关和控制部分组成）、波长转换器和节点管理系统组成。主要完成光路上下、光层的带宽管理、光网络的保护、恢复和动态重构等功能。
OADM的主要功能是从多波长波道中分出或插入一个或多个波长，有固定型和可重构型两种类型。固定型只能上下一个或多个固定的波长，节点的路由是确定的，缺乏灵活性，但性能可靠，延时小; 可重构型能动态交换OADM节点上下通道的波长，可实现光网络的动态重构, 使网络的波长资源得到合理的分配,但结构复杂。
OXC的主要功能是在光纤和波长两个层次上提供带宽管理，如动态重构光网络，提供光信道的交叉连接以及本地上下话路功能，动态调整各个光纤中的流量分布，提高光纤的利用率。此外，OXC还在光层提供网络保护和恢复等生存性功能，如出现光纤断裂情况可通过光开关将光信号倒换至备用光纤上，实现光复用段1+1保护。通过重新选择波长路由实现更复杂的网络恢复，处理包括节点故障在内的更广泛的网络故障。
OXC有光纤交叉连接、波长交叉连接和波长变换交叉连接等三种实现方式:
●光纤交叉连接: 以一根光纤上所有波长的总容量为基础进行的交叉连接，容量大但灵活性差。
●波长交叉连接: 可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用相同波长的任何光纤上，它比光纤交叉连接具有更大的灵活性，但由于不进行波长变换，这种方式的灵活性还是受到了一定的限制。
●波长变换交叉连接: 可将任何输入光纤上的任何波长交叉连接到任何输出光纤上，由于采用了波长变换技术，这种方式可以实现波长之间的任意交叉连接，具有最高的灵活性。关键技术是波长变换。
OXC的核心技术是光开关矩阵，今后的发展方向是微电子机械系统（MEMS），这种技术可以在极小的晶片上排列大规模机械光开关矩阵，其响应速率和可靠性很高。另外，一些厂家开发了将光纤和波长两级光交叉连接,甚至电路交叉连接和电子分组交换/选路（IP、ATM）等各种功能集于一体的综合光网络节点设备，以适应网络的发展演进。
3.3 光分组交换节点
光分组交换能够在非常小的粒度上实现光交换/选路，极大地提高光网络的灵活性和带宽利用率，非常适合数据业务的发展，是未来光网络的发展方向。光分组交换节点的结构如图5所示，它主要由输入/输出接口、交换矩阵、同步控制和交换控制等部分组成。其关键技术主要包括光分组产生、同步、缓存、再生、光分组头重写及分组之间的光功率均衡等。这些技术对光器件的要求非常高，因此，光分组交换节点离实用