密集波分复用光网络关键技术

2019-11-03 18:10:16

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供稿：网友

徐荣龚倩纪越峰叶培大　　摘要基于ip的数据业务的爆炸式发展带来了对带宽的无限需求，而密集波分复用（DWDM）系统在满足不断增长的带宽需求的同时还具有不可比拟的联网优势。本文对其关键技术进行了探讨。

　　关键词密集波分复用（DWDM） WDM光网络全光联网关健技术

　　WDM光网络在不断进步的同时仍有大量问题需要解决，如设备价格昂贵，标准化问题，如何在不同用户间分配波长，如何对用户鉴权以及保留性问题，串扰问题，一体化网络管理机制和互操作问题等。光联网的实现主要取决于关键网元设备的成熟与否。研究或发明可用于WDM的新技术和新器件具有极其重要的意义，一种新技术或新器件可使整个系统的性能大大改善，有时会推翻整个旧系统。因此现在有许多大大小小新的老的公司，都投入了较大力量开发WDM新技术和新的光器件。

　　1 关键器件

　　以光网络构建未来高速、大容量的信息网络系统需要重点解决高速光传输、复用与解复用技术。基于光的分插复用（OADM）技术，网络间的光交叉互连（OXC）技术，集成化的窄带、高速、波长可调的低噪声探测器技术，以及可用于光纤网络干线传输的、速率可达4OGbit／s的、波长可调谐的、高稳定的增益耦合DFB激光器／光调制器的集成光源。

　　1）光纤传输通常认为单模光纤SMF色散很大，对减少四波混频（FWM）引起的干扰有好处，但需要很多的补偿光纤。实际的实验表明SMF（G.652）和DSF（G.653）用于WDM系统时，其SPM，XPM的危害较小，不像想象的那么严重。过去理论和实验表明DSF光纤的FWM干扰严重，不宜作WDM系统。然而采用喇曼放大后，其放大作用是沿光纤分布而不是集中的，因而发送的光功率可减小，从而FWM干扰可降低，因此WDM在DSF光纤中传输仍能取得较好的效果。偏阵模色做（PMD）、色散补偿是长距离大容量WDM系统必然遇到的问题，如果想得到一个又宽又平的波段。那么对色散补偿器件的色散和色散斜率同时有一定要求。

　　2）DWDM光源 WDM光网络对光源的要求是高速（大容量）、低啁啾（以提高传输距离）、工作波长稳定，为此要研究开发高速、低啁啾、工作波长可调且高度稳定的光源。从世界范围的发展趋势上看集成光源是首选方案，激光器与调制器的集成兼有了激光器波长稳定、可调与调制器的高速、低啁啾等功能。有多种集成光源：其一是DFB半导体激光器与电吸收调制器的单片集成。其二是DFB半导体激光器与M-Z型调制器的单片集成：也有分布布拉格反射器（DBR）激光器与调制器的单片集成以及有半导体与光纤栅构成的混合集成DBR激光器。

　　3）DWDM探测器波长可调谐的窄带光探测器是WDM光网络中一种高效率、高信噪比的下载话路的光接收技术。为了使系统的尺寸大大降低，可考虑将前置放大电路和探测器集成在一起。该类器件的每个探测器必须对应不同的信道，所以探测器必须是窄带的，同时响应的峰值波长必须对准信道的中心波长，所以响应带宽必须在一定范围内可调谐。此外要求探测器间的串扰要小。共振腔增强型（RCE）光探测器集窄带可调谐滤波器与探测器于一体，是这类探测器的首选方案。

　　4）波长转换全光波长转换模块在接入端应用是对从路由器或其它设备来的光信号进行转换，将非匹配波长上的光信号转换到符合ITU规定的标准波长上然后插入到光耦合器中；而当它用于波长交换节点时，它对光通路进行交换和执行波长重用功能，因此它在波长路由全光网中有着非常巨大的作用。宽带透明性和快速响应是波长转换器的基本要求。在全光波长交换的多种（包括交叉增益调制、交叉相位调制、四波混频、非线性光学环镜）技术中，最有前途的全光转发器是在半导体光放大器（SOAs）中基于交叉相位调制原理集成进Mach-Zehnder干涉仪（MZI）或Michelson干涉仪（MI）而构成的带波长转换器，它被公认为是实现高速、大容量光网络中波长转换的理想方案。

　　在大规模使用WDM组网时，特别是通道调度时，可能需要把某一波长变换为另一波长，或者需要整个波段的变换。Lucent研制的光波段变换器是利用LiNbO3的二阶非线性系数x（2）：x（2）对光波长进行变换的。光波导是周期极状LiNbO3光波导（Periodically poled waveguide）。

　　5）光放大器为了克服光纤中的衰减就需要放大器。现在掺铒光纤放大器EDFA已被广泛应用于长距离通信系统中，它能在1550nm窗口提供30nm左右的平坦增益带宽。

　　对于宽带EDFA放大器特别需要在整个WDM带宽上的增益平坦特性。日前己有基于掺铒光纤的双带光纤放大器DBFA（Dual-band fiber amplifier），其带宽可覆盖1528～1610nm范围。它由常规的EDFA和扩展带光纤放大器EBFA（Extended band fiber amplifer）共同组成。相类似的产品有Bell Lab的超宽带光放大器UWOA（Ultra-Wideband Optical Amplifier），它有80nm的可用带宽可对单根光纤中多达100路波长信道进行放大。它覆盖了C波段（1530～1656nm）和L波段（1565～1620nm）。

　　英国帝国学院（UK Imperial College）研制了宽带的喇曼放大器。受激拉曼放大（Stimulated Raman Amplify）是在常规光纤中直接加入光泵功率，利用光纤的非线性使光信号放大的。单光泵的喇曼放大的增益带宽较窄，采用波长为1420nm和1450nm两个光泵的喇曼放大器可得到很宽的带宽（1480～1620nm）。喇曼放大的增益可达30dB，噪声系数小于6dB。光泵功率为860mW。

　　6）光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）光分插复用器OADMs（Optical Add Drop Muxs）实现在WDM光纤中有选择地上／下（drop or add）特定的任何速率、格式和协议类型的所需光波长信道。它是高速大容量WDM光纤网络与用户接口的界面。OADM一般是复用器、解复用器、光开关阵列的单片集成或混合集成。可调波长工作的OADM器件正在开发之中，并且已取得突破性进展。另外WDM光网络间的交叉互连也将逐步过渡到完全采用光的形式进行。国际上已经有单片集成OXC的实验室工作报道，但是更多的工作是集中在其中的关键器件上，主要有为了解决网络阻塞和合理利用网络资源的波长转换器件。AWG（Array Waveguide Grating）是最适于DWDM复用与解复用以及作为核心器件构成OADM和OXC的新型关键器件。因为AWG可与石英光纤高效耦合使插入损耗很低、能够实现低成本集成。此外，AWG减轻了对光源面阵的集成度的要求，采用多个单波长激光器与其耦合就可以实现DWDM目标。该研究的技术关键在于掌握厚层波导的制备技术，设法避免因应力引入偏振色散，甚至导致器件破裂。

　　7）光开关光波导开关集成面阵也是构成OXC和OADM的关键部件，目前实用的光开关阵列，大都是用LiNbO3光波导开关实现的。这种光开关矩阵实现大规模单片集成难度较大，尤其难以与操作电路实现OEIC集成，也有采用SiO2／Si的热光开关，但响应速度较慢，约为毫秒量级，只适用于信道切换，对信元／包的交换，其响应速度不能满足要求，要实现信元／包交换至少响应时间要达到微秒量级。而准实时交换（如在计算机网络中的交换）则要达到纳秒量级。网络中信息资源的利用率决定于OXC的集成规模和运行的灵活程度，所以最终的OXC应当是单片集成的。技术关键是发展高速响应Si基彼导光开关，而利用电注入折变效应构成的SOI型SiO2／Si波导光开关，可以实现小于微秒的光开关运作，有望实现大规模单片集成。

　　赫茨实验室研制了速度极高的光开关，它可在160Gbit／s的光数据流中取样。其工作原理是：利用波长分别为1302nm、1312nm的两个光脉冲在半导体光放大器中产生的四波混频可对照检查155O nm的光信号脉冲取样。这种高速开关适用于未来从光IP信号中直接提取路由地址，以便实现光IP（IP over Optical）。

　　基于微电子机械系统MEMS（Micro-elecromechan-ical systems）技术的微镜阵列光开关技术也是目前发展的一个热点。在光网络中使用MEMS技术相对于传统的电子设备具有低成本、快速、体积小、通信容量大，而且具有体积小、灵活可变、对比特率和协议透明、跨越电子限制提高网络速度等优点。但目前的开关速度还达不到要求。微机械技术还可做可变光衰减器，其工作原理是利用静电引力改变微机械中的遮蔽片的位置，以遮蔽光纤的导光面积，从而改变光衰减。该器件可由光信号控制，可用以制作：光衰减器、光功率稳定器、光功率均衡器和光波段开关。

　　另一种光开关是高分子数字交换器件。近来采用Polymer高分子材料制作的光波导器件正趋于成熟。高分子材料易于加工，成本低，在电极上施加电压就可控制光信号通过或不通过光波导。目前存在问题是易于从衬底硅片上脱落、易吸水和老化问题。

　　2 网络结构分类

　　光网络可按照物理连接分为环网、网状网、星型网和总线结构。环型拓朴与网状拓扑相比有很多优点，例如：链路分摊的成本低，链路可共享，而且当出现大的突发数据流时可同时使用工作光纤和保护光纤降低路由器的负荷，从而避免了在路由器端的缓存需要。

　　多波长网络又可分为单跳网和多跳网。在单路网中从源端到目的地的数据流就像一个光流一样穿过网络，在中间任何节点无需电的转换。从光网络选路方式上划分有两种典型的单跳网络：广播与选择网（Broadcast and select network）以及波长选路网（Wavelength routed network）。

　　广播与选择网是通过无源星型耦合器件将多个节点按照星型拓朴结构连接起来的。基本原理是以广播形式发送，接收端有选择地滤波接收。这种网络主要用于高速局域网或广域网。有两种工作方式：固定波长光发送而使用可调谐的光接收或者接收波长固定而发送波长可调。广播与选择网有两个不足之处：其一是浪费了光功率。发射的光功享送到所有的接受器，不管这个接收器是否是通信对象。这样，对实现通信节点来说，增加了光分流引起的损耗。其二是可扩展性差。N个节点至少需要用N个波长，增加一个节点要增加一个波长，每一个接收器的可调谐范围也要相应增加一个波长，而且不能执行波长重用。

　　与之相反，波长选路网关键元素是波长途择交换器，它也分为两种：波长远路交换方式和波长转换交换方式。前者是通过改变WDM路由动态地在通信间交换数据信号。后者通过波长转换将数据倒换到另一个波长通道上。

　　若在节点中采用光开关、波长转换器、可调谐滤波器、阵列波导路由器等光子器件，就可构成灵活的、可扩展的、可重构的光网络结构。

　　3 波长路由

　　光网络是由光通路将波长路由器和端节点相互连接而构成的。显然每个链路可支持好多信号格式，但它们都被限定在波长粒度上。波长交换机（或波长路由器）构成形式有以下几类：

　　· 非重构交换机：每个输入端口和输出端口对应关系是固定的而且波长一致，一旦建成就无法改变。

　　· 与波长元关型可重构交换机：输入端口和输出端口的对应关系可以动态重构，但这种关系与波长无关。即每一个输入信号都有一些固定的输出端口。

　　· 波长选择型可重构交换机：它同时兼有端口的动态重构和依据输入波长的选路功能。

　　给定一个网络的物理拓扑和一套需要在网络上建立的端到端光信道，而为每一个带宽请求决定路由和分配波长就是波长途路由问题。光网络中波长路由问题主要有3类：

　　一是在不使用全光波长变换模块时，实现自适应网络波长和路由的动态分配（RWA）问题，解决途径是确定优化判据、波长和路由的分配算法。也包括在所需系统代价最小的情况下故障恢复路由的动态自愈恢复算法。

　　二是在有全光波长变换模块时，利用波长变换模块如何降低波长堵塞的算法研究，包括使用波长变换模块后系统性能增加和波长路由光网络拓扑结构、网络尺寸的关系。

　　另外要实现真正的自适应路由和波长分配，还必须考虑业务流量制约下的选路问题。最理想的情况是DWDM光网络节点监测光信道上的业务流量，根据使用情况按照相应算法增加／减少光信道数量和提高／降低光信道数据速率。

　　光网络独一无二的属性是可以实现波长路由，通过网络中的信号路径由波长、源信号、网络交换的状态信息以及选路中的波长改变信息等来共同决定。图2表示了一种基于波导光栅路由器（WGR）的波长选路网中光路的建立过程。WGR节点通过波长路由算法分配波长，波长转换器的应用可增加网络的灵活性。

　　波长分插复用（WADM）可与路由器直接连接，使得在两者之间建立光路径成为可能。由于Internet数据在发达和接收信道上具有很高的不对称性，因此依据对称的话音业务设计的现有通信系统不能适应这种非对称业务。而直接将路由器与分立波长相连的一个优势是光学系统能够直接根据Internet数据的流量情况在以波长为基础的光域上执行相应的流量疏导功能。

　　4 网络同步和安全性

——由于DWDM系统提供的相互不存在时间关系的不同波长的复用，因此不需类似于SONET中的时钟系统。然而要保证传输质量，也许在WDM系统中仍需要同步技术。

　　光纤可非常容易地实现安全性连接。量子密码（Quantunm cryptography）技术使用最基本的量子互补（quantum complementarity：基于粒子与波在行为上互斥的同时又是完全描述一种现象的密不可分的两个要素）原理就是其中之一，它允许相距较远的两个用户使用共享的随机比特序列作为密码通信的密匙。十分复杂的传统加密措施是通过复杂和强度很大的数学运算来实现的，与其相比分布量子密码QKD（Quantum Key Distribution）技术，正像它的名字所表示的那样提供了一种新型的基于基本的物理原理来保护和加密有用信息的有效方法。

　　5 功率均衡技术

　　与点到点WDM系统相比，WDM光网络的一个重要特点是网络中同一参考点各信道的功率不同。在端到端WDM系统中，信号发送端处各波长的功率是相等的。而在光网络中，从本地节点上路的光信号与其它传输了不同距离、从而有不同光功率的一些信号复用在一起传输。即使是复用在一起传输的光信号，传输一段距离后，由于EDFA、光滤波器和光开关等器件对各波长的响应略有不同，它们的功率也可能不同。不同功率的波长信号经过级联EDFA系统后，某些波长的功率将可能进一步降低，使该信道性能恶化。此外由于光网络的上下话路、重新配置或网络恢复等原因。使进入节点的各个波长通道的光功率也存在差异，由于光信号要经历多个节点和链路，各个波长通道之间的光功率差异产生累积，导致各个光信道的信噪比下一致，使得系统服务质量受到影响，甚至使某些信道劣化到不可接受的水平。因此在光网络中有必要在节点对每个波长的光功率进行均衡，以保证通信质量。

　　光网络中通道的不均衡性可严重恶化网络性能，因此通道的均衡性是光网络性能好坏的重要依据，目前已经提出了许多均衡方案，如AOTF滤波器、MZ滤波器、F-P滤波器调谐方案，以及衰减器调谐方案等，这些方案都是利用光元源器件如可调衰减器以及有源器件如SOA的基于通道级均衡。一种方法是在终端机上的OMUX盘对输入的多路光信号进行中断检测，这一消息被监控系统处理后，将通过监控信道通知到全线各站点，控制各站的光放大器的输出动率。另一种方法是在各种光放大器盘上均设计有输入、输出光信号监视点，通过监控子架，实现对线路信号中各波长通道的集中监视和分析，即从光放大器盘的光监视点引入光信号，进行在线分析，可获知任一波长通道的工作状态，如光功率大小、光波长值、光通路的信噪比等重要参数。当功率监测点位于0XC／OADM中功放EDFA之前，监测并调整各个信道中的信号功牢或信号与噪声的总功率时，这种方案对于各个通道的不均匀性具有很好的均衡效果。但是，如果整个复用段的光功率发生波动，会导致所有受影响的通过都进行相应的调整，这不仅增加了调整时间，还使调节过程复杂化。链路支持的波长数目增多时情况尤为突出。此外，在特定情况下（若通过均衡能力已经达到极限），仅靠通道级均衡无法实现功率均衡。因此为适应网络配置、网络重构对各个光通道的影响，WDM光网络中光功率均衡是WDM光网络一个重要研究内容。

　　6 开销处理

　　光网络节点要支持光联网，必然要有对光通路的OAM（操作、管理与维护）信息，因此就必须具有开销处理能力。目前对开销的载送方式有随路和共路两种，各有优缺点。而提供开销的方法有3种：副载波调制（SCM），例如利用引示音（Pilot Tones）；光监视通道（OSC）；数字“包封器”（Digital“Wrapper”）。

　　WDM系统如何与IP网结合以传送IP信息（通称IP 0ver WDM），是一个极其重要的问题，因为不久的将来IP数据业务会占主要地位。当不使用SONET／SDH设备而要实现直接的IP 0ver WDM，则需要考虑在原来的SONET／SDH中执行的某些功能（如各种开销字节的处理）如何在新型系统中来实现。目前一种方案是：光的通过开销有两部分，一部分在光容器帧结构内，它对应SONET／SDH的段开销，另一部分不在帧内，而是用调制的导频（pilot tone）另外传送，光层只具有WDM的复用功能。

　　光联网技术提供在光层上的传送组网技术，例如在光通路（OCh）层上作OCh的快速路由和交换；为了以光通路组网，就需要具有管理频（率）隙（slot）的能力（正像在现有网中管理时隙一样），这里一个频隙就是一个光通路。

　　7 同频串扰

　　在传统的点到点波分复用（WDM）系统中，由于波长选择器件（如波分复用器／解复用器和可调谐光滤波器）性能的不完善，相邻波长信道之间会产生串扰，这种串扰被称为异频串扰。它是一种加性串扰，表现为在信号上叠加了一定功率的噪声，恶化了信号的消光比。构成光网络时这种串扰的影响下去积累，且在接收机前加光滤波器可以将其滤掉，因此对系统的影响较小。

　　而在以波分复用传输和波长交叉连接（OXC）为基础的WDM光网络中，当不同输入链路中同一波长（频率）的信号被送入同一光开关，根据需要完成光交叉连接后，再送入相应的波分复用器中。由于器件性能的不完善，一个信道的信号经过交叉器件后会包含其它信道的串扰。当多个信道重新耦合到一起时异频串扰就会转化为同频串扰，即与信号光频率相同的串扰。它可以是不同链路中相同波长间的串扰或同一信号与自身的串扰。当光通道经过多个OXC时，由于每个OXC中波长选择器件的作用，异频串扰不会随着节点数的增加而积累。而同频串扰和信号在同一个波长信道内，不受波长选择器件的影响，将随着节点数的增加而下断积累。因此同频串扰需要着重研究。

　　OXC引入的同频串扰可以分为相于串扰（串扰光的相位与主信号相关）和非相干串扰（串扰光的相位与主信号不相关）。当主信号的一部分能量经过OXC变成串扰时，串扰光信号与主信号可能相干。这主要由串扰光信号和主信号的传输时延差与激光器的相干时间决定。当传输时延差小于激光器相干时间时，这种同频串扰就成了相干串扰。为了减小串扰对系统的影响，在设计OXC时应该使不同光路的时延差大于激光器的相干时间。

　　总之，WDM大容量系统的试用阶段即将过去，大规模或全面采用WDM光网络系统的时候已经到来。发达国家和大公司正在规划怎样组建WDM网，WDM网如何管理，需要什么协议和标准，因特网或IP网又如何与WDM结合等。同时，我们也对已经取得相当成绩的中国光通信事业的发展充满信心。

　　8 结束语

　　高速、大容量信息网络是国家信息基础设施的核心，而WDM光纤网络由于波长可复用空间很大，多种业务透明性很好，响应速度很快，能够满足宽带多业务的综合需求，同时光网络具有抗电磁干扰和雷电影响的能力具有高度的信息安全性。因DWM与DWDM是实现Tb／s量级乃至更高容量的信息传输和构建新型网络的最佳手段，光纤技术的最新进展已经使得石英光纤在1．3～1．5μm的二个低损耗窗口打通并连成一个区域，未来的WDM将在1．3～1．6μm的全波窗口中进行。这样一来，WDM光纤为我们提供的信息传输容量是巨大的，为光纤网络的发展提供了几乎取之下尽的资源。

　　值得注意的一点是，目前的波分复用系统还是卖方市场，这就妨碍了不同系统间的互操作性。未来的若干年基于IP 0ver WDM的不同网络解决方案将呈现蓬勃发展的态势，而WDM技术将作为真正光网络时代的基石，通过充分挖掘光纤的带宽潜力提供了迈向太比特光网络的阳光大道。

摘自《中国通信标准研究组》

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