密集波分复用光网络关键技术摘 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