光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵－DWDM

一、光網(wǎng)絡(luò)的基本特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與發(fā)展趨勢簡介

基本特點(diǎn)

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)由光傳輸系統(tǒng)和電子節(jié)點(diǎn)組成，光技術(shù)用于兩個(gè)電子節(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，在每個(gè)電子節(jié)點(diǎn)中光信號(hào)都要轉(zhuǎn)換成電信號(hào)由電子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電處理，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)之間的連接通常為多跳連接，這將會(huì)增大傳輸延遲，使電子節(jié)點(diǎn)的處理負(fù)擔(dān)過重，限制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的吞吐量。90年代以來，隨著光纖通信技術(shù)的迅速發(fā)展，許多學(xué)者提出了"全光網(wǎng)絡(luò)"的概念，其本意是信號(hào)以光的形式穿過整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，直接在光域內(nèi)進(jìn)行信號(hào)的傳輸、再生和交換／選路，中間不經(jīng)過任何光電轉(zhuǎn)換，以達(dá)到全光透明性，實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、傳送任意格式信號(hào)的理想目標(biāo)。但是由于光器件技術(shù)的局限性，目前全光網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍還很小，要擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，必須要通過光電轉(zhuǎn)換來消除光信號(hào)在傳輸過程中積累的損傷（色散、衰減、非線性效應(yīng)等），進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、控制和管理。因此，目前所說的“光網(wǎng)絡(luò)”是由高性能的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備連接眾多的全光透明子網(wǎng)的集合，是ITU-T有關(guān)“光傳送網(wǎng)”概念的通俗說法。

光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

光網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)類型有星形、總線形（含環(huán)形）和樹形等3種，可組合成各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。光網(wǎng)絡(luò)可橫向分割為核心網(wǎng)、城域／本地網(wǎng)和接入網(wǎng)。核心網(wǎng)傾向于采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，城域／本地網(wǎng)多采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，接入網(wǎng)將是環(huán)形和星形相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)。光網(wǎng)絡(luò)可縱向分層為客戶層、光通道層（OCH）、光復(fù)用段層（OMS）和光傳送段層（OTS）等層。兩個(gè)相鄰層之間構(gòu)成客戶／服務(wù)層關(guān)系。

●客戶層：由各種不同格式的客戶信號(hào)（如SDH、PDH、ATM、IP等）組成；

●光通道層：為透明傳送各種不同格式的客戶層信號(hào)提供端到端的光通路聯(lián)網(wǎng)功能，這一層也產(chǎn)生和插入有關(guān)光通道配置的開銷，如波長標(biāo)記、端口連接性、載荷標(biāo)志（速率、格式、線路碼）以及波長保護(hù)能力等，此層包含OXC和OADM相關(guān)功能；

●光復(fù)用段層：為多波長光信號(hào)提供聯(lián)網(wǎng)功能，包括插入確保信號(hào)完整性的各種段層開銷，并提供復(fù)用段層的生存性，波長復(fù)用器和高效交叉連接器屬于此層；

●光傳送段層：為光信號(hào)在各種不同的光媒體（如G．652、G.653、G.655光纖）上提供傳輸功能，光放大器所提供的功能屬于此層。

光網(wǎng)絡(luò)的演變與發(fā)展

從光技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展程度來看，目前屬于光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的初始階段，光技術(shù)主要用于兩個(gè)電子節(jié)點(diǎn)間的大容量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，主要的功能是傳送和復(fù)用。全光傳輸距離約為600km（具體由單信道速率決定），更長的距離需要加電再生中繼器。交換／選路、監(jiān)控和生存性處理等聯(lián)網(wǎng)功能基本上由電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)。隨著光技術(shù)的不斷發(fā)展，全光傳輸距離將越來越長，交換／選路、監(jiān)控和生存性處理等功能將逐漸由光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過采用先進(jìn)的光器件逐步取代光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，不斷擴(kuò)大光透明子網(wǎng)的覆蓋范圍，最終實(shí)現(xiàn)全光通信網(wǎng)絡(luò)的理想目標(biāo)。

從復(fù)用方式來看，目前DWDM方式正在大量使用，光傳輸系統(tǒng)的容量急劇提高，但這些固定式的電路復(fù)用方式不太適臺(tái)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，隨著網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的比重越來越大，光網(wǎng)絡(luò)將向基于光分組的統(tǒng)計(jì)復(fù)用方式發(fā)展。

從組網(wǎng)方式來看，光網(wǎng)絡(luò)將沿著"點(diǎn)到點(diǎn)→鏈→環(huán)→多環(huán)→網(wǎng)狀網(wǎng)"的方向發(fā)展。應(yīng)用大量的SDH系統(tǒng)來滿足日益增長的帶寬需求必將使已敷設(shè)的光纖很快耗盡，因此，大容量的DWDM點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)將被大量引入，并將逐步引入OADM構(gòu)成鏈形和環(huán)形光網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步的發(fā)展將是采用靈活的可編程OADM甚至OXC將多個(gè)單環(huán)連成多環(huán)光網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的不斷增加，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的配置將限制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步擴(kuò)展，光網(wǎng)絡(luò)將向能夠進(jìn)行靈活有效配置的全光網(wǎng)狀網(wǎng)發(fā)展。光網(wǎng)絡(luò)靈活性將按"靜態(tài)→半動(dòng)態(tài)→動(dòng)態(tài)"的方向發(fā)展。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，光網(wǎng)絡(luò)將沿著"干線網(wǎng)→本地網(wǎng)→城域網(wǎng)→接入網(wǎng)→用戶駐地網(wǎng)"的次序逐步滲透。

因此，無論是從光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展來看，還是從復(fù)用方式和組網(wǎng)方式來看，DWDM技術(shù)在光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中有著極其重要的位置。

二、DWDM簡介

要了解DWDM以前，我們先由認(rèn)識(shí)WDM是什么開始。WDM（Wavelength-Division Multi- plexing，多工分波器）是個(gè)能將一個(gè)（組）波長分成許多個(gè)波長的分波器，而所謂的分波器就如同大家所熟知的三棱鏡一樣，它可以把射入棱鏡的白光（一組波長）分成七色光（七種波長）。在最早的光通迅中，一條光纖僅設(shè)計(jì)給一個(gè)特定波長的光傳遞，由于WDM技術(shù)的開發(fā)，使一條光纖可以由傳遞一個(gè)訊號(hào)變成傳遞多個(gè)訊號(hào)，在相同的鋪設(shè)成本下，將光纖的使用率提高數(shù)倍，故WDM的觀念在光纖用于通迅后不久便被提出。但是經(jīng)WDM分波之后，每個(gè)波段分到的能量都太小，完全無法用于光纖訊號(hào)傳送。直到1994年，可適用于WDM的放大器摻鉺放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）成功商用化之后，WDM的使用才被業(yè)界注意。由于WDM實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的提升，一個(gè)WDM可將一個(gè)光源分出越來越多的波長（或稱信道，channels），所以為了區(qū)別起見，能分出較少波長者稱作CWDM（Coarse WDM），分出波長密度較高者稱作DWDM（Dense WDM）。

DWDM元件

DWDM就如同字面上的意思一樣，是一個(gè)分出波長密度相對(duì)WDM較高的多工分波器，當(dāng)前在光通迅界常用的DWDM大多是在1530～1565nm的波段中，分出32個(gè)或更多的波長。在當(dāng)前市售的DWDM中，阿爾卡特（Alcatel）已推出能分出256信道的DWDM，朗訊（Lucent）所屬的貝爾實(shí)驗(yàn)室也已經(jīng)研發(fā)出1022信道的DWDM。

能將光以數(shù)個(gè)波長分出的元件就是DWDM元件，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)DWDM的方式有三種，分別是：薄膜濾光片（Thin Film Filter，TFF）、光纖波導(dǎo)（Array WaveGuide，AWG）、以及光纖光柵（Fiber Bragg Gratting，F(xiàn)BG）。根據(jù)富士總研2000年的調(diào)查，目前DWDM濾波元件市場中，三種技術(shù)的元件銷售數(shù)量比重分別為：TFF 96％、FBG 3％和AWG 1％。但若以DWDM濾波模塊市場來說，三種技術(shù)銷售數(shù)量比重分別為：TFF 86％、FBG 6％和AWG 8％。雖然從銷售比重上可看出采TFF實(shí)現(xiàn)方式的DWDM是當(dāng)前市場的主流產(chǎn)品，不過由于TFF在規(guī)格進(jìn)一步提升上有一定的困難，所以AWG及FBG實(shí)現(xiàn)方式也越來越受市場重視。

TFF的原理是采鍍膜的方式，以氣相沉積的原理，將所需膜層一層層鍍?cè)诒∑桨宀ＡВㄈ鏞hara WMS-02）上，當(dāng)光線通過不同種的濾波片后，不同的波長便被分別濾出，達(dá)到分波的效果。以此種實(shí)現(xiàn)方式生產(chǎn)的DWDM對(duì)環(huán)境的要求較小，因此易于投入商用化；不過在信道數(shù)目的提升上，TTF則因膜層數(shù)的等比增加而不易實(shí)現(xiàn)，所以TFF常用于16信道以下的DWDM實(shí)現(xiàn)。

AWG是在矽晶圓上沉積二氧化矽膜層，續(xù)以微影制程及反應(yīng)式離子蝕刻法定義出數(shù)組波導(dǎo)，最后加上保護(hù)層即可制成；AWG原理是利用波導(dǎo)的物理特性將不同波長的波分出，這種技術(shù)能一次分出較多信道，不過波導(dǎo)易受溫度等環(huán)境的影響，在大量商業(yè)化前需較好的絕熱封裝，這也是光纖波導(dǎo)最困難的技術(shù)障礙。

FBG是以紫外線照射光纖，使光纖絲中的部分材質(zhì)變化成近似布拉格繞射光柵，利用光學(xué)繞射的特性將不同波長的波分出；FBG雖為以上三種制成方法中技術(shù)中成本最低、光學(xué)色散損失最小、也是大部分業(yè)者在技術(shù)上有機(jī)會(huì)切入的制程，但因?qū)崿F(xiàn)方式的技術(shù)專利權(quán)屬于加拿大UTC與CRC兩家公司所有，廠商須花費(fèi)60萬美金取得授權(quán)，且量產(chǎn)后每個(gè)元件還需給付售價(jià)2.5％的權(quán)利金，因此目前廠商對(duì)開發(fā)光纖光柵技術(shù)并不積極。

三種DWDM關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)一覽表：（略）

DWDM系統(tǒng)

DWDM系統(tǒng)一般包含兩類：一類是DWDM分波前后所須的元件，如EDFA、Mux／DeMux（Multiplexer／DeMultiplexer，合波／分波多工器）便屬此類；一類是DWDM的應(yīng)用，如OADM（Optical Add／Drop Multiplexer，光塞取多工器）、OXC（Optical Cross Connects，光交換鏈接器）。

EDFA是DWDM系統(tǒng)中最重要的元件之一。以32信道的DWDM為例，光源經(jīng)此DWDM后每信道的光能大約是原光源能量的1％，所以不需經(jīng)光電轉(zhuǎn)換便可放大光能量的EDFA對(duì)DWDM來說，是一個(gè)絕對(duì)必要的元件。在EDFA的制造上是以常規(guī)石英系光纖為母材摻進(jìn)鉺離子，由于鉺離子的摻入，提供了一個(gè)1550nm的能帶，使得原本的訊號(hào)和高功率泵激激光（pumping laser，波長980nm或1480nm，功率10～1500mW）得以提高光訊號(hào)的強(qiáng)度，而不需將光訊號(hào)轉(zhuǎn)成電訊號(hào)后才得以放大。

Mux／DeMux是DWDM系統(tǒng)使用中不可或缺的兩種元件。DWDM使光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)能同時(shí)傳送數(shù)個(gè)波長的訊號(hào)，而Mux則是負(fù)責(zé)將數(shù)個(gè)波長匯集至一起的元件；DeMux則是負(fù)責(zé)將匯集至一起的波長分開的元件。當(dāng)前Mux／DeMux的開發(fā)較不受重視，且一般能生產(chǎn)DWDM元件的廠商也多具備生產(chǎn)能力。但未來Mux／DeMux將朝向多信道數(shù)及高速開發(fā)以外，推測也會(huì)陸續(xù)朝包含衰減器、加／解密等增加追加價(jià)值的方向開發(fā)。

OADM是DWDM系統(tǒng)中一個(gè)重要的應(yīng)用元件，其作用是在一個(gè)光導(dǎo)纖維傳送網(wǎng)絡(luò)中塞入／取出（Add-Drop）多個(gè)波長信道；置OADM于網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)處，以控制不同波長信道的光訊號(hào)傳至適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｈ�入／取出波道固定的OADM已進(jìn)入量產(chǎn)，不過可藉由外部命令控制塞入／取出波道的OADM仍在開發(fā)中。

OXC是下一代光通迅的路由交換機(jī)，用在因DWDM而生成的多波道數(shù)據(jù)路由及線路調(diào)度，其功能包含網(wǎng)絡(luò)的路由器及電信的交換機(jī)。OXC設(shè)置于網(wǎng)絡(luò)上重要的匯接點(diǎn)，匯集各方不同波長的輸入，再將各訊號(hào)以適當(dāng)?shù)牟ㄩL輸送至合適的光導(dǎo)纖維中。它可提供光導(dǎo)纖維切換（Fiber switching，連接不同光導(dǎo)纖維，波長不轉(zhuǎn)換）、波長切換 （Wavelength switching，連接不同光導(dǎo)纖維，波長經(jīng)轉(zhuǎn)換）、及波長轉(zhuǎn)換（Wavelength conversion，輸出至同一光導(dǎo)纖維，波長經(jīng)轉(zhuǎn)換）三種切換功能。OXC并提供路由恢復(fù)、波長管理、及話務(wù)彈性調(diào)度，準(zhǔn)備在下一代IP Over DWDM的電信／網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，直接以光訊號(hào)傳送替換現(xiàn)有的電訊號(hào)交換／路由的地位。