全光网络技术发展趋势研究_毕业论文(编辑修改稿)

全光网络技术发展趋势研究_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

多层薄膜滤波器、平面光波导作为均衡器。 “光纤技术”是通过改变光纤材料或者利用不同光纤的组合来改变EDF特性，从而改 善 EDFA的特性。 其技术包括以下几个方面：（ 1）研制掺铒碲化物玻璃 光纤。 用这种光纤制作的 EDFA，可使增益特性平坦，频带扩宽。 而且频带向长波长一侧移动。 据 NTT公司在 OFC’ 97上报道，其最高带宽达 80nm。 在 1535～ 1561nm之间，实现了增益基本平坦，最大偏差不超过。 （ 2）多芯 EDFA。 多芯 EDFA使用的 EDF最多纤芯的。 激励光能大 致均匀地 分配到第一纤芯中，各个纤芯内的光信号均以小信号进行放大，从而在很宽的波长范围内获得接近平坦的增益。 （ 3）研制掺铒氟化物光纤放 大器， 在带宽 的频带内可获得平坦的增益。 （ 4）通过在掺铒光纤中掺铝，改变铒的放大能级分布，加宽可放大的频带。 （ 5）用不同掺杂材料和掺杂量的光纤进行组合，制作混合型 EDFA。 主要有 （ A1EDF）和 PA1EDF）组合； A1EDF和 PYbEDF组合；掺铒石英光纤和掺铒氟化物光纤组合。 这样可以使增益平坦性、噪声特性和放大效率达到最佳。 EDFA最高输出功率已达到 27dBm，这种光纤放大器可应用于 100个信道以上的密集波分复用传输系统、接入网中光图像信号分配系统、空间光通信等。 目前光放大技术主要是采用 EDFA。 SOA虽然研制得比较早，但受噪 声、偏振相关性等影响，一直没有达到实用化。 但应变量子阱材料的 SOA研制成功，引起了人们的广泛兴趣，且 SOA具有结构简单、成本低、可批量生产等优点，人们渴望能研制出覆盖 EDFA、 PDFA应用窗口的 毕业论文 9 1310nm和 1550nm的 SOA。 用于 1310nm窗口的 PDFA，因受氟化物光纤制作困难和氟化物光纤特性的限制，研究进展比较缓慢，尚未实用。 目前来看，虽然在全光通信方面的技术方面有了很大的进展，很多关键的技术得到了很好的改进，能够基本适应全光通信的基本需要，但是也还存在很多关键技术不足的地方， 如下面将要介绍到的全光网络的核心 —— 光交换方面的技术就不是很成熟， 但是全光网络具有很大的优点和潜力可挖，它必将是下一代网络的首选方案，是未来通信网络的发展方向。 毕业论文 10 3 全光网络的核心 —— 光交换技术 通信网的两大主要组成部分 — 传输和交换，随着通信容量和带宽要求的迅速增加都在不断发展和革新。 由于光波分复用 技术的成熟，传输容量的迅速增长带来的对交换系统发展的压力和动力，通信网中交换系统的规模越来越大，运行速率越来越高。 但目前的电子交换和信息处理网络的发展已接近电子速率的极限，其固有的 RC 参数、 钟歪 、漂移、串话和响应速度等缺点限制了交换速率的提高，为了解决电子瓶颈的限制问题。 在交换系统中引入光子技术实现光交换，光交叉连接（ OXC）和光分叉复用（ OADM）实现全光通信。 全光通信网的优点是：光信号在通过光交换单元时，不需要经过光电、电光转换。 因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特率和调制方式透明 ，可以大大提高交换单元的信息吞吐量。 由于信息的传输技术的不断完善，光交换技术成为全光通信网的关键。 光交换元件 半导体光开关 通常半导体光放大器是用来对输入光信号进行放大，并且通过控制放大器的偏置电流来控制其放大倍数。 当偏置电流为零时，输入的光信号将被器件完全吸收，使得器件不输出光信号。 器件的这个作用相当于一个开关把光信号给“关断”了；当偏置电流信号为某一个不为零的值时，输入的光信号便会被适当放大后而输出，这相当于开关闭合让光信号“通过”。 因此半导体光放大器也可以用于作光交换中的空分交换开关 ，通过控制电流来控制光信号的输出选向。 耦合波导开关 半导体光放大器只有一个光输入端和一个光输出端，而耦合波导开关除了一个控制电极外，还有两个光输入端和两个光输出端，可实现平行连接或交叉连接。 耦合波导开关是利用铌酸锂材料制作的，铌酸锂是一种折射率随外电场变化而改变的光电材料。 在铌酸锂基片上进行钛扩散，以形成折射率逐渐增加的波导，再焊上电极就可以作为光交换元件了。 如图 31 所示。 当两个很接近的波导进行适当耦合时，通过这两个波导的光束将发生能量交换，其交换能量的强度随着耦合系数，平行波导的长度而变化。 只要所选的参数得当，那么光束将会在两个波导上完成交换，通过控制电极上的电压，将获得平行连接和交叉连接两种交换状态。 典型的波导长度为数个毫米。 激励电压为 5 伏，交换速度主要依赖于电极之间的电容，最大速率可达 Gb/S 量极。 毕业论文 11 图 31 耦合波导开关结构图 波长转换器 一种用于光交换的器件是波长转换器，最直接的波长转换是 光 — 电 — 光 交换，即将波长为λ i 输入光信号，去驱动一个波长为λ o 的激光器输出光信号，利用外 调制器实现间接的波长转换，即在外调制器的控制端施加适当的直流偏压，使得λ i 入射光调制成λ o 的输出光。 而直接调制是利用激光器的注入电流直接随承载信息的信号而变化，少量电流的变化就可以调制激光器的波频 (波长 )，大约是 1nm/mA。 通过不同的信号的注入电流不同产生不同的波长的信号输出。 可调谐激光器是实现波分复用最重要的器件，近年来制成的单频激光器用的是量子阱结构。 分布反馈或分布喇格反射式结构，有些可在 10nm 或 1THz 范围内调谐，调节速度大有提高。 激光外调整器，采用具有电光效应的某些材料制成，这些材料有半导体、绝 缘晶体、有机聚合物。 最常用的是采用钛扩散铌酸锂波导构成 HZ 干涉型外调整器。 其相位受滞后随注入电流变化引起折射率变化的影响。 在晶体和各向异性的聚合物中，利用电光效应（折射率随施加的外加电压而变化）实现对激光的调制。 光存储器 在电设备中，存储器实现着电位状态延时保持作用。 在全光系统中，为了实现光信息的处理，光信息的存储显得极为重要。 在光存储方面，首先试制成功的光纤延迟线存储器，而后又研制出了双稳态激光二极管存储器。 光信号通道 控制电极 平行连接 交叉连接 毕业论文 12 图 32 双稳态激光二极管图 如图 32 为双稳态激光二极管构成 的光存储器的实例结构。 它由一个带有串联电极的双非均匀的波导组成。 串联电极是一个沟道隔开的两个电流注入区，由于沟道没有电流输入，它起着饱和吸收区的作用。 此吸收区抑制双稳态触发器自激振荡，使器件有一个输入与输出滞后特性。 当输入光脉冲时，激光二极管翻转为导通状态，输入光消失。 为使双稳态触发器复位，只要在激活区注入负电流脉冲即可。 此时激光二极管返回到截止状态。 开关速度与置位脉冲的光通量和激励电流的偏置量有关。 在毫微秒量级的高速交换时具有大于20dB 的高信号增益。 光交换技术 光交换技术可以分成光路交换技术和分 组交换技术。 光路交换 光信号的分割复用方式有三种：空分、时分和波分。 相应也有空分、时分和波分三种光交换。 分别完成空分信道、时分信道和波分信道的交换。 这三种交换方式的特点和其实现方案各不相同。 若光信号同时采用两种或三种交换方式则称复合光交换。 空分光交换是空间域上将光信号进行交换。 空间光开关是光交换中最基本的功能元件。 它可是连接构成空分光交换单元，也可以与其他功能开关一起构成时分交换单元和波分交换单元，空间光分开关可以分光纤型光开光和空间型光开关。 空分光交换的基本单元是 2 2 的光 交换模块，在输入端具有两根光纤，输出端也有两根光纤，它的工作状态有平行连接状态和交叉连接状态如图 4，其中波导型光开关型结构如图33（ a），半导体光开关型结构如图 33（ b）。 利用 2 2 基本光交换模块可构成大型的空分光交换单元。 毕业论文 13 （ a） (b) 图 33 空分光交换结构图 时分复用是通信网中普遍采用的一种复用方式。 光时分复用和电时分复用类似，也是把一条复用信道划分成若干个时隙，每个基带数据光脉冲 流分配占用一个时隙， N 个基带信道复用成高速光数据流信号进行传输。 要完成时分光交换，必须有时隙交换器实现将输入信号一帧中任一时隙交换到另一时隙输出的功能。 完成时隙交换必须有光缓存器，把时分复用信号按 一定顺序写入储存器，然后按一种顺序读出来，这样便完成了时隙交换。 双稳态激光器可用作光缓存器，但它只能按位输出，而且还需解决高速化和扩大容量问题。 光纤延时线是一种比较适用于时分交换的光缓存器。 利用光纤延时线的光时分交换的工作原理：首先把时分复用的光信号经过光分路器，使它的每条出线上同时都只有某一时隙的光信号；然后让这些信号分别经过不同的光延时器件，使其获得不同的时间延迟；最后，再把这些信号经过一个光合路器重新复合起来，就完成了时分交换。 利用光时分交换技术实现的时分交换系统组成如图 34 毕业论文 14 图 34 时分光交换结构图 波分复用技术在光传输系统中已经得到广泛应用。 一般说来，在光波复用系统中其源端和目的端都采用相同的波长来传递信号，否则将在多路复用中，每个终端都将增加终端设备的复杂性。 这样要求在传输系统中间节点上要采用光波分交换，采用这样的技术不仅满足光波分复用终端的互通，而且还能提高传输系统的资源利用率。 光波分交换网络的结构如图 35 所示。 波分光交换所需波长交换器是先用分解复用器将光波分信道空间分割开，对每个波长信道分别进行波长交换，然后再把它们复 用起来，经由一条光纤输出。 图 35 波分光交换网络结构图 密集波分复用是光纤通信中的一种趋势，它利用光纤的宽带特性，在 1550nm 波段的低 毕业论文 15 损耗窗口中复用多路光信号，大大提高光纤的通信容量。 在波光交换技术的基础上设计大规模交换网络的一种方法是进行多级链路的连接，在各级的连接链路中均采用波分复用技术。 然而由于需要把多路信号进行分路后再接入链路，从而抵消了波分复用的优点。 解决这个问题的措施是在链路上采用波分复用技术，然后利用空分交换完成链路级交换，最后利用波分交换技术选 出相应的信号进行波分合路输出。 常用混合交换方式有空分 +时分，空分 +波分，空分 +时分 +波分等复合方式。 分组交换技术 光分组交换系统所涉及的关键技术主要包括：光分组交换 （ＯＰＳ） 技术；光突发交换（ＯＢＳ）技术；光标记分组交换（ＯＭＰＬＳ）技术；光子时隙路由（ＰＳＲ）技术等。 这些技术能确保用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。 光突发交换为 IP骨干网的光子化提供了一个非常有竞争力的方案。 一方面，通过光突发交换可以使现有的 IP骨干网的协议层次扁 平化，更加充分的利用 DWDM技术的带宽潜力；另外一方面，由于光突发交换网对突发包的数据是完全透明的，不经过任何的光电转化，从而使光突发交换机能够真正的实现所谓的 T比特级光路由器，彻底消除由于现在的电子瓶颈而导致的带宽扩展困难。 此外，光突发交换的 QoS支持特征也符合要求。 因此，光突发交换网络很有希望取代当前基于 SDH同步数字体系架构和电子路由器的 IP骨干网，成为下一代光子化的骨干网。 作为一项具有广泛前景和技术优势的交换方式，光突发交换技术已引起了国内外众多研究机构的关注，我国的 863计划已将光突发交换技术列为 重点资助项目。 从应用的角度，光突发交换还有一些重要的课题需要研究。 突发封装，突发偏置时延的管理，数据和控制信道的分配， QoS的支持，交换节点光缓存的配置 (如果需要的话 )等问题还需要作深入研究。 对于光突发交换网来说，在边缘路由器光接收机上的突发快速同步也是对系统效率有重要影响的问题。 光缓存中光纤延迟线的配置与突发长度的统计分布相关，而突发长度又取决于突发封装过程；突发封装、光路由器的规模、数据和控制信道组的大小又会影响突发偏置时延的管理；交换节点的分配器和控制器运行快慢以及网络规模又会反过来影响突发封装。 在 网络设计当中，所有的这些问题都必须仔细考虑和规划。 由于光纤延迟线的限制，为了降低丢包率，光突发交换网络必须通过波分复用网络信道成组来实现统计复用。 如何在光突发交换网络中实现组播功能也是一项非常重要的课题，为了实现组播，光开关矩阵和交换控制单元都必须具备组播能力，且二者之间必须能有效地协调。 此外，将光突发交换与现有的动态波长路由技术有机的结合，可以使网络具有更有效的调配能力，但也需要进一步的细致研究。 毕业论文 16 光分组交换技术独秀之处在于：一是大容量、数据率和格式的透明性、可配置性等特点，支持未来不同类型数据；二是能提 供端到端的光通道或者无连接的传输；三是带宽利用效率高，能提供各种服务，满足客户的需求；四是把大量的交换业务转移到光域，交换容量与 WDM传输容量匹配，同时光分组技术与 OXC、 MPLS等新技术的结合，实现网络的优化与资源的合理利用因而，光分组交换技术势必成为下一代全光网网络规划的“宠儿”。 光分组技术的制约因素：光分组交换的关键技术有光分组的产。