Tbit/s光網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)

隨著人類社會信息化時代的不斷發(fā)展，對通信網(wǎng)的帶寬和容量已提出了更高的要求。人們對通信業(yè)務(wù)的價值重視已經(jīng)從“有無、時間、距離”逐步轉(zhuǎn)向“個性、實時、網(wǎng)絡(luò)、交互”。其典型特征有二，其一為“速度”，使人與人的交流不存在時間、地理位置的差異;其二是“容量”，使人類的生活、經(jīng)濟、政治及社會活動所需的巨大業(yè)務(wù)容量，完全可以依賴于這一堅實可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。而先進的光纖通信技術(shù)以其高速、寬帶的明顯特征而為世人矚目。從1996年第一次達到1Tbit/s的容量到目前報道的7Tbit/s的系統(tǒng)，研究人員為此作出了不懈的努力。實際上，常規(guī)石英單模光纖本身在1550nm波段可提供約25THz的低損耗窗口，即便是目前的超大容量系統(tǒng)也僅僅使用了其中的一部分，因此未來光網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)朝著Tbit/s速率乃至更高的速率發(fā)展已成必然。

從光纖通信演進與發(fā)展的角度來看，其關(guān)鍵技術(shù)主要反映在光傳輸、光交換、光接入、光聯(lián)網(wǎng)等方面，如高速大容量光傳輸技術(shù)(光孤子、OTDM、SDH+WDM、先進性能的光纖等);光交換及關(guān)鍵網(wǎng)元技術(shù)(光交換機/光路由器、波長轉(zhuǎn)換器、光放大器、光分組交換—OPS/OBS/PSR技術(shù)等);寬帶光接入技術(shù)(WDM PON、Supper PON、WDM城域網(wǎng)/接入網(wǎng)等);新型組網(wǎng)技術(shù)(IP over WDM、OMPLS、MPLmS等);以及光通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計及相關(guān)標準、模塊化的光節(jié)點技術(shù)、光節(jié)點的智能化管理及與現(xiàn)有電信管理系統(tǒng)的兼容、智能化的中央網(wǎng)管與網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化配置等。

從系統(tǒng)角度來看，以上這些支撐Tbit/s光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)又基本上可分為光纖技術(shù)、光器件技術(shù)、光節(jié)點技術(shù)和光聯(lián)網(wǎng)技術(shù)四大類。在這幾方面，國際上都已進行了大量的研究。美國、西歐、日本等都在各主要實驗室之間建立了光網(wǎng)絡(luò)實驗床，研究其中的各種關(guān)鍵問題。本文將對這些支撐技術(shù)進行分析與介紹。

一、光纖技術(shù)

現(xiàn)階段的光纖通信主要采用石英光纖，實際使用以長波長單模光纖為主。光纖的主要性能有損耗、色散和非線性。目前商用化的單模光纖主要有常規(guī)單模光纖(G.652)，色散位移單模光纖(G.653)、非零色散位移單模光纖(G.655)等，以及一些特種光纖(如：色散補償光纖、摻鉺光纖、保偏光纖等)。

由于G.655光纖既解決了光纖色散受限問題，又解決了光纖的非線性問題，因此對于運行Tbit/s光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)比較適宜。另外由于G.655 光纖克服了G.652光纖的色散受限和G.653光纖無法進行波分復用的缺點，所以它不僅適合于WDM系統(tǒng)，也可以用于高速率、大容量的TDM系統(tǒng)。目前北美新敷設(shè)干線光纜已放棄G.652光纖和G.653光纖，全部轉(zhuǎn)向G.655光纖，而且第二代的G.655光纖—大有效面積光纖和小色散斜率光纖也已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。另外還有一種光纖稱之為全波光纖，它是通過進一步降低光纖中OH離子的濃度，消除吸收峰，將1400nm窗口的損耗降低，使可復用的波長數(shù)大大增加。使光纖中的傳送波長在長波長區(qū)全部打通。

1.光纖色散效應(yīng)。采用EDFA以后，光纖衰減限制的問題得以解決，傳輸距離可大大增加，但總色散也將隨之增加。原來的損耗限制系統(tǒng)變成了色散限制系統(tǒng)。因此光纖色散效應(yīng)的影響對于Tbit/s光網(wǎng)絡(luò)而言將是一個主要的限制因素，其中的色度色散可通過色散補償?shù)墓芾砑夹g(shù)予以解決，主要方法有：(1)用色散補償光纖(DCF)，它在1550nm波段有很大的負色散，可以補償常規(guī)光纖的色散; (2)采用啁啾光纖光柵，這種方法器件緊湊、插入損耗小，其色散斜率可以控制為與傳輸光纖相同; (3)色散管理，利用+/-色散系數(shù)的光纖交錯連接，保證總的凈色散為零，不過這種方法不適合已敷設(shè)的光纖系統(tǒng);(4)在發(fā)射機引入色散預(yù)補償，對單個信道的色散問題，必須考慮的因素有發(fā)射機、接收機的色散容許量、色散補償技術(shù)和補償元件的位置,還需精確測量已敷設(shè)光纖的色散。

2.偏振模色散。偏振模色散(PMD)是由于光纖不是理想的圓柱形，引起線偏振光的兩個偏振態(tài)分量的傳輸速度不一致。它與光纖制造工藝、受外界影響的自身應(yīng)力狀態(tài)、雙折射效應(yīng)等因素有關(guān)，并且具有隨機性，其值隨光纖所處的環(huán)境變化而發(fā)生波動。如何減少PMD是目前國際上的研究熱點之一，現(xiàn)已提出了一些補償方法，如光域補償方法，電域補償方法等。

3.光纖的非線性效應(yīng)。對于常規(guī)光纖通信系統(tǒng)來說，光功率不大，光纖呈線性傳輸特性，采用EDFA后，光功率增大，光纖在一定條件下將呈現(xiàn)出非線性特性，極大地限制了EDFA的放大性能和長距離無中繼傳輸?shù)膶崿F(xiàn)。光纖的非線性效應(yīng)主要有散射效應(yīng)(包括受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射SRS)和折射率效應(yīng)(包括自相位調(diào)制SPM、交叉相位調(diào)制XPM和四波混頻FWM)，這些效應(yīng)的產(chǎn)生大部分都與注入到光纖的光功率有關(guān)。

從技術(shù)和光器件的發(fā)展情況來看，目前的WDM系統(tǒng)已找到了一些有效的解決方法以克服這些效應(yīng)對傳輸?shù)挠绊�，特別是光信道數(shù)較少(16)的WDM系統(tǒng)，注入光纖的總光功率一般+17dBm，比產(chǎn)生SRS效應(yīng)的閾值小得多，因此不會有SRS的影響;而使用激光器的外調(diào)制技術(shù)及輔以低頻擾動技術(shù)也可克服SBS的窄帶效應(yīng)影響;四波混頻(FWM)的效率與光纖的色散有很大的關(guān)系，G.655光纖是專門為WDM傳輸系統(tǒng)設(shè)計的光纖，既可克服FWM，又減小了光纖的色散，是使用高速WDM系統(tǒng)的最佳選擇;交叉相位調(diào)制(XPM)一般對大于32信道的WDM系統(tǒng)影響突出，可通過增大光纖有效面積的辦法來解決;而在G.652光纖上，自相位調(diào)制(SPM)會壓縮傳輸光脈沖的寬度，與色散展寬脈沖寬度的效應(yīng)相反，在一定程度上，可以利用SPM補償色散展寬脈沖的效應(yīng)。當然對于超大容量光網(wǎng)絡(luò)而言，如何綜合考慮非線性特性尚待進一步研究。

二、光器件技術(shù)

光器件技術(shù)是光網(wǎng)絡(luò)乃至整個光通信的基礎(chǔ)，光器件及其子系統(tǒng)的性能，將直接影響Tbit/s光網(wǎng)絡(luò)的性能。尤其是一種新器件的誕生，有可能改善系統(tǒng)性能甚至直接推翻了舊系統(tǒng)。Tbit/s光網(wǎng)絡(luò)所涉及的光器件很多，如光源、波分復用/解復用器、可調(diào)諧光器件、光開關(guān)、光放大器、光纖光柵器件等。

1.光開關(guān)技術(shù)。按照光束在開關(guān)中傳輸?shù)拿劫|(zhì)來分類，光開關(guān)可分為自由空間型和波導型光開關(guān)。自由空間型光開關(guān)主要是利用各種透射鏡、反射鏡和折射鏡的移動或旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)開關(guān)動作;波導型光開關(guān)主要是利用波導的熱光、電光、或磁光效應(yīng)來改變波導性質(zhì)，從而實現(xiàn)開關(guān)動作。按照開關(guān)實現(xiàn)技術(shù)的物理機理來分，可以分為機械式開關(guān)、熱光式開關(guān)和電光式開關(guān)。機械開關(guān)在插損、隔離度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能，但它的開關(guān)尺寸比較大，開關(guān)動作時間比較長，不易集成。對波導開關(guān)而言，它的開關(guān)速度快，體積小，而且易于集成，但其插損、隔離度、消光比、偏振敏感性等指標都較差。因此如何在未來光網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合機械開關(guān)和波導開關(guān)兩者的優(yōu)點，以適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的要求，一直是研究的熱點之一。Lucent公司的微機械光開關(guān)(MEMS)和Agilent公司的泡沫光開關(guān)的誕生即是目前最具代表性的二例，已成為未來大規(guī)模光網(wǎng)絡(luò)中光開關(guān)器件的代表性器件。

2.波分復用/解復用器技術(shù)。在目前光網(wǎng)絡(luò)中用的波長解復用器件一般是固定波長式的，主要包括有多層介質(zhì)薄膜干涉濾波型、反射型衍射光柵型、光纖光柵型、刻蝕光柵和陣列波導光柵型等幾種形式。其中多層介質(zhì)膜式解復用器性能良好且穩(wěn)定，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。陣列波導光柵性能良好，能解開多個波長，并且適合大規(guī)模集成，是未來解復用器的代表性器件，目前美、日等國均在這方面進行了深入研究，在他們的Tbit/s的WDM系統(tǒng)大量使用。

3.光纖放大器技術(shù)。普通摻鉺光纖放大器(EDFA)的放大帶寬約為35nm(1530～1565nm), 只覆蓋了石英單模光纖低損耗窗口的一部分。因此，要進一步提高傳輸容量, 有必要增大光放大器的帶寬。目前提出的方法有:摻鉺氟化物光纖放大器(EDFFA)、碲化物EDFA、增益平移摻鉺光纖放大器(GS EDFA)。尤其是最近提出的光纖拉曼放大器，它可以在1292～1660nm范圍內(nèi)提供增益,可以制成分布式的放大器且噪聲低。另一種光放大技術(shù)是采用半導體光放大器(SOA)，它雖然研制得比較早，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點，但受噪聲、功率、偏振相關(guān)性等影響，一直沒有達到實用化。目前應(yīng)變量子阱材料的 SOA研制成功，已引起了人們的廣泛興趣。

4.可調(diào)諧光源與探測器技術(shù)。光源是光纖通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵光子器件，如高速激光器、增益開關(guān)半導體激光器、量子阱雙穩(wěn)態(tài)激光器、摻鉺光纖激光器、主動鎖模光纖環(huán)形孤子激光器、被動鎖模光纖環(huán)形激光器、光纖光柵激光器、光收發(fā)模塊等，近年來研制成功的多波長激光器陣列和“平面光路”組件已為人矚目。在光網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用中，現(xiàn)已有多種光源可用，如多波長光源、絕對波長光源、波長可變半導體激光器等。與光源有關(guān)的調(diào)制技術(shù)是解決如何將高碼率的電數(shù)字比特流調(diào)制到光上去，對于高速系統(tǒng)要求外調(diào)制技術(shù),主要包括電吸收(EA)調(diào)制器和LiNbO3調(diào)制器。

可調(diào)波長濾波器是實現(xiàn)波分光交換的基本元件，其原理是將合路后的波分復用信號送入可調(diào)波長濾波器，即可得到所要輸出波長的光，完成波長交換的功能。可調(diào)波長濾波器有聲光調(diào)制式、相移控制分布反饋激光放大器式可調(diào)諧濾波器。這類開關(guān)主要用于波分光路光交換及波分分組光交換網(wǎng)絡(luò)。

5.全光波長變換技術(shù)。迄今為止，已報導了多種結(jié)構(gòu)和機制的全光波長轉(zhuǎn)換器。大體上可以分為以下幾類：其一是以半導體光放大器為基礎(chǔ)的包括(1)采用交叉增益調(diào)制(XGM—SOA)光波長轉(zhuǎn)換器;(2)采用交叉相位調(diào)制干涉型(FWM—SOA)的波長轉(zhuǎn)換器;(3)利用四波混頻效應(yīng)(FWM—SOA)光波長轉(zhuǎn)換器等。其二是以半導體激光器為基礎(chǔ)的包括(1)利用DBRLD (分布布拉格反射激光器)或 Y型LD中光吸收增益飽和機制的波長轉(zhuǎn)換器;(2)利用邊(側(cè)面)注人的光雙穩(wěn)型波長轉(zhuǎn)換器;(3)基于半導體激光器或光纖中的四波混頻(FWM)效應(yīng)或不同頻率產(chǎn)生(DFG)的全光波長變換器以及非線性光纖環(huán)鏡(NLOM)型波長變換器。