波長變換——全光網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一

一 引言

21世紀(jì)是一個(gè)信息化的社會(huì)，大量的信息傳送需要大容量的系統(tǒng)波分復(fù)用(WDM)技術(shù)。WDM的實(shí)現(xiàn)使得光纖到戶已不再是遙不可及的夢想。WDM系統(tǒng)不僅僅能使系統(tǒng)的容量成倍增長，同時(shí)它可以利用波長完成路由和交換等功能。雖然WDM網(wǎng)絡(luò)的 帶寬可以滿足每個(gè)用戶的需求，即使傳來更令人興奮的消息：在試驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了4000個(gè)信道的WDM系統(tǒng)，但是系統(tǒng)的波長數(shù)目仍然大大少于實(shí)際的節(jié)點(diǎn)數(shù)目和 用戶數(shù)目。這就使得當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)波長信號向相同的節(jié)點(diǎn)連接時(shí)造成波長競爭，這時(shí)WDM網(wǎng)絡(luò)會(huì)有很高的阻塞率。解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)就是利用波長變換 (WC)。波長變換即為波長的再分配和再利用以解決交叉連接中的波長競爭、有效地進(jìn)行路由選擇、降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率。從而提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性，同時(shí) 也有利于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、管理和控制，以及通道的保護(hù)倒換。

實(shí)現(xiàn)波長變換有光電光(OEO)變換和全光變換兩大類。光電光型已經(jīng)實(shí)用，但是其變換效率低，對信號不透明。目前研究熱點(diǎn)集中在全光波長變換上，本文主要討論全光波長變換的應(yīng)用和其在全光網(wǎng)中的作用。

二 波長變換在WDM中的應(yīng)用

根據(jù)全光波長變換功能和控制信號的不同大致可分為兩種：光閥型和光頻混合型，在光閥型中沒有新的波長產(chǎn)生，而在光頻混合型中有新的波長產(chǎn)生。在WDM網(wǎng) 絡(luò)中以波長作為通道，每個(gè)通道通過其波長識別建立連接，不同的節(jié)點(diǎn)間的通道分配以不同的波長。信息從源到目的節(jié)點(diǎn)的過程中，波長一直保持不變，也就是“一 波到底”，在這種波長通道(WP)方案中，波長是在整個(gè)網(wǎng)內(nèi)分配的，通道波長具有全網(wǎng)意義。

波長通道具有固定性和連續(xù)性。當(dāng)建立新的連接時(shí)，只有分配的某一波長在連接通路的所有鏈路段上都未被占用時(shí)，連接才能建立。為避免出現(xiàn)阻塞，網(wǎng)絡(luò)必須有足夠的波長數(shù)來支持。在實(shí)際中由于濾波器與放大器的 帶寬有限，所以可用波長數(shù)有限，不足以支持大容量的需要，并且每波長通道的利用率很低。因此在設(shè)計(jì)中提出一種新的波長通道方案，在連接通路的不同鏈路上可 以采用不同波長，波長只在鏈路上有局部意義。如所示，這種通道稱為“虛”波長通道(VWP)，使用這種方案可提高波長重用率，減少全網(wǎng)所需波長，對避免波 長碰撞阻塞、故障排除和網(wǎng)絡(luò)升級擴(kuò)容有重大意義。在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置波長變換器，以避開正在使用的波長( 1)，使信號轉(zhuǎn)換到其它未被占用的波長( 2)上。

波長變換在WDM中的應(yīng)用非常靈活，下面介紹三種主要的應(yīng)用方案。

1. 光開關(guān)矩陣與波長變換組合在OXC結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

為避免OXC交叉連接時(shí)可能出現(xiàn)的波長通道競爭，減少可能出現(xiàn)的阻塞，在空間光開關(guān)矩陣后接入M個(gè)波長變換器，提高波長的再利用率，保持OXC無阻塞透明傳輸特性。這種OXC具有廣播發(fā)送和上下路插分復(fù)用功能。

2. 分送耦合交換與波長變換組合在OXC結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

利用分送耦合交換(DCS)機(jī)制，可以設(shè)計(jì)不同的OXC結(jié)構(gòu)。波長變換在這種結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是分送耦合交換的基本單元是星形耦合器(SC)和光開關(guān)。每個(gè) 光開關(guān)有1個(gè)輸入、2個(gè)輸出，能形成4種狀態(tài)：輸入信號不發(fā)送；輸入信號發(fā)送到第一個(gè)輸出口；輸入信號發(fā)送到第二個(gè)輸出口；輸入信號發(fā)送到兩個(gè)輸出口。在 分送耦合交換結(jié)構(gòu)中波長變換置于分送耦合開關(guān)之前，由于它具有波長選擇功能，因而可同時(shí)起到調(diào)光濾波器的作用，簡化了結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)除了需要個(gè)交叉點(diǎn)，還 需要個(gè)波長變換器，所以結(jié)構(gòu)還是相當(dāng)復(fù)雜。其阻塞特性為嚴(yán)格無阻塞、路由策略為虛波長通道、模塊為性波長或鏈路、傳輸性能中。

3. 基于波長變換為交換單元的OXC結(jié)構(gòu)

基于波長交換的OXC結(jié)構(gòu)方案中，交換直接在波長域進(jìn)行。在結(jié)構(gòu)的輸入端，首先對每根輸入光纖上的M個(gè)光信號波長用波長變換器變到光譜的相鄰區(qū)域，然后 分送到星型耦合器、可調(diào)光濾波器和波長變換器，從中選擇各自的信道，并將其變換到合適的光波長，再由星型耦合器合路后送至輸出段口。這種OXC結(jié)構(gòu)，當(dāng)星 型耦合器設(shè)計(jì)有足夠冗余時(shí)，還具有波長和鏈路的模塊性，便于網(wǎng)絡(luò)升級擴(kuò)容。這種結(jié)構(gòu)中沒有空間開光，也沒有交叉點(diǎn)，但要用較多的光濾波器TF和波長變換器 WC，所以傳輸特性會(huì)有所不足。阻塞特性為嚴(yán)格無阻塞、路由策略為虛波長通道、模塊性為波長或鏈路、傳輸性能較差。

在以上3種方案中加入波長變換器后，相對無波長變換的光網(wǎng)絡(luò)會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性有所下降。這就需要我們來研究高性能的波長變換器，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求。

三 波長變換在WDM的作用

波長變換對WDM網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生什么影響，也是我們需要討論的一大熱點(diǎn)話題。概括地說：波長變換器對于頻帶資源基本耗盡(波長數(shù)量固定且業(yè)務(wù)量接近飽和)的網(wǎng)絡(luò)作用不大。對于集中管理交換和環(huán)形網(wǎng)的影響也不明顯，而對于大容量的網(wǎng)格網(wǎng)， 由于波長變換器的加入會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)阻塞率大大降低。有研究資料顯示，在2.5Gb/s的全光網(wǎng)中不加波長變換器會(huì)比加波長變換器的網(wǎng)絡(luò)大概損失2~3倍的容 量。如果在21%的節(jié)點(diǎn)上加波長變換可以減少一半的損失；如果在35%的節(jié)點(diǎn)上加波長變換可以減少75%的容量損失。事實(shí)上，波長變換器的作用大小與 WDM光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、波長數(shù)、波長從源到目的地所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)數(shù)以及業(yè)務(wù)量都有密切關(guān)系。

波長變換除了降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率 外，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間的互聯(lián)及分布式網(wǎng)管系統(tǒng)方面的作用也是顯而易見的。譬如對內(nèi)部所有波長可以進(jìn)行調(diào)度和分配的子網(wǎng)，在子網(wǎng)和上層網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，可以通過波長變 換把信號變換到空閑波長上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分布式管理。此外，波長變換還具有適配功能，把非標(biāo)網(wǎng)絡(luò)種波長轉(zhuǎn)換到網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)波長上來。

理想的波長變換器應(yīng)用到WDM網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)具有諸如對各種調(diào)制方式的信號透明、具有高速的變換速率、消光比無劣化等等特性的要求。但是就目前實(shí)際研究，所有波長變換的方法只能滿足其中的幾個(gè)要求，這就是說對于特定的網(wǎng)絡(luò)需要選擇特定的波長變換器。

四 總結(jié)

本文介紹、分析了全光波長變換在WDM中的幾種主要應(yīng)用方案和其在WDM中發(fā)揮的作用。在迅速發(fā)展的全光網(wǎng)中，波長變換器有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。因此全光波長變換技術(shù)一直是近幾年的研究熱點(diǎn)之一，進(jìn)一步研究高性能的波長變換器是我們追求的目標(biāo)。