（光学专业论文）喇曼光纤放大器中双重瑞利散射噪声的研究.pdf

摘要 c 光纤通信领域突破性进展的重要标志是密集波分复用( d e n s e w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，d w d m ) 技术的实用化，它为通 信网络提供了优秀的传输平台，同时也刺激了光电子器件技术的发展 和突破。随着光纤通信系统的传输速率和d w d m 系统波长数量的增加， 超宽带的光放大器如喇曼光纤放大器的研究、开发和应用迫在眉睫。 喇曼光纤放大器具有很好的放大性能。就长距离d w d m 光纤通信系统 应用而言，喇曼光纤放大器的噪声特别是双重瑞利散射( d o u b l e 、 r a y l e i g hb a c k s c a t t e r i n g ，d r b ) ，是影响系统性能的因素之一影本 ， 硕士论文对喇曼光纤放大器的几个关键技术展开研究，包括系统的优 化设计，与掺铒光纤放大器( e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 的比较等，并重点对喇曼光纤放大器在d v d m 光纤通信系统中应用时， 双重瑞利散射噪声的机理和影响进行了分析、计算，对抑制方法进行 了优化。 本文第一章介绍了光通信系统的历史、几种重要的技术和发展趋 势。 第二章对光纤中的非线性现象进行了综述，得出了各种非线性现 象的闽值以及它们和输入信号脉冲宽度的关系，根据这些条件能够判 断在光纤中会出现哪种非线性现象，可以采取适当的措施加以避免或 利用。 第三章介绍了喇曼光纤放大器的特性、结构、优缺点及其与e d f a 的异同点。针对复杂的喇曼耦合方程，研究了无输入信号( 自发喇曼 散射) 和有输入信号两种情况下的初始值确定，并对各种情况下泵浦 和信号沿光纤的演化进行了模拟计算，给出了相应结果。 在第四章和第五章，对喇曼光纤放大器中的双重瑞利散射噪声进 l 行了重点研究。| 对于正向泵浦和反向泵浦的喇曼光纤放大器，分别进 行了详细分析。得出了在考虑光放大作用时，双重瑞利散射噪声的功 率表达式。给出了加入光隔离器以后，双重瑞利散射噪声的计算方法， 并进行了模拟分析。比较了不同泵浦和信号输入功率情况下，输出 d r b 噪声和光隔离器位置的关系。确定了放置光隔离器进行双重瑞利 散射噪声抑制的最佳区间，对于正向泵浦的喇曼光纤放大器此区间是 距离输入端1 0 - 1 5 公里，对于反向泵浦的喇曼光纤放大器是距离输出 端5 一l o 公里。当光隔离器位于此区间内时，双重瑞利散射噪声功率 有大约2 - 3 个数量级的下降。此最佳区间与输入信号和泵浦的大小基 本无关，对喇曼光纤放大器的实际制作较为方便。通过比较可知，在 最佳区间内放置一个光隔离器来抑制d r b 噪声是最佳方案。 第四章和第五章还研究了采用多级喇曼光纤放大器的长距离光 纤通信系统，对比了加入光隔离器前后信号和双重瑞利散射噪声的功 率变化。通过分析可知，为了在长距离光纤通信系统中有效地抑制 d r b 噪声，要在每一级喇曼光纤放大器中加入光隔离器。 最后一章对全文进行了总结，并对今后的工作方向和研究重点提 出了设想。 关键词： 密集波分复用，非线性，喇曼光纤放大器，双重瑞利散射，光隔 离器 s t u d yo fd o u b l er a y l e i g h b a c k s c a r t e i u n gn o i s ei nf i b e r r a m 【a na m p l i f i e r s a b s t r a c t t h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n o fd e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) s y s t e m sm a r k sg r e a tp r o g r e s si nt h ef i b e ro p t i c c o m m u n i c a t i o na r e a i tp r o v i d e st h et e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sw i t ha p o w e r f u l t r a n s m i s s i o n p l a t f o r m a n ds t i m u l a t e s s i m u l t a n e o u s l y t h e e v o l u t i o no f o p t i c a l - e l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e s a s t h eb i tr a t ea n d w a v e l e n g t h n u m b e ro ft h ed w d m s y s t e m si n c r e a s e ，t h er e s e a r c h ， d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f u l t r aw i d e b a n do p t i c a la m p l i f i e rs u c ha s o p t i c a l f i b e rr a m a na m p l i f i e r sb e c o m eh o t t o p i c s t h eo p t i c a l f i b e r r a m a n a m p l i f i e r i so fh i g h a m p l i f i c a t i o np e r f o r m a n c e a s t ot h e a p p l i c a t i o nt oal o n gh a u ld w d m t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，n o i s e ，e s p e c i a l l y t h ed o u b l er a y l e i g hb a c k s c a t t e r i n gn o i s e ( d r b ) ，o ft h eo p t i c a lf i b e r r a m a na m p l i f i e ri so n eo ft h el i m i t a t i o nf a c t o r st os y s t e mp e r f o r m a n c e t h i sm a s t e rd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g i e sr e l a t e dt oo p t i c a l f i b e rr a m a na m p l i f i e r s ，i n c l u d i n gt h e o p t i m a ld e s i g na n dc o m p a r i s o n w j t he r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r s ( e d f m a st h ek e yi s s u e so ft h e - d i s s e r t a t i o n ，e m p h a s e s a r ep u to nt h ea n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n o ft h ed r b g e n e r a t i o na n di t se f f e c to ns y s t e mp e r f o r m a n c e ，o p t i m i z e d s u p p r e s so fd r b n o i s ea s s o c i a t e dw i t hl o n gd i s t a n c ed w d m s y s t e m s e m p l o y i n go p t i c a lf i b e rr a m a na m p l i f i e r s i n c h a p t e ro n e ，t h eh i s t o r y ，s e v e r a li m p o r t a n tt e c h n o l o g i e s ，a n d d e v e l o p m e n t t r e n do f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a r ei n l r o d u c e d i n c h a p t e rt w o ，t h e n o n l i n e a r p h e n o m e n a i n o p t i c a l f i b e ra r e s u m m a r i z e d ，f r o mw h i c hw ed e r i v et h e t h r e s h o l df o re a c hn o n l i n e a r p h e n o m e n o n f o r d i f f e r e n t i n p u ts i g n a lp u l s ew i d t h t h r o u g h t h e s e t h r e s h o l d s ，o n e c a l lj u d g ew h i c hk i n do fn o n l i n e a rp h e n o m e n o nw i l l a p p e a ra n dw h a tm e t h o ds h o u l db ee m p l o y e dt o a v o i do ru t i l i z et h e n o n l i n e a r i t y i i l c h a p t e rt h r e e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r e s ，a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o ff i b e rr a m a na m p l i f i e ra r e p r e s e n t c o m p a r i s o n i s p e r f o r m e d t or e v e a lt h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e ne d f aa n d f i b e rr a m a n a m p l i f i e r i no r d e r t os o l v et h ec o m p l i c a t e dr a m a n c o u p l i n g e q u a t i o n s m e t h o dt o d e t e r m i n et h ei n i t i a lv a l u e sf o rb o t hc a s e sw i t h s i g n a li n p u ta n dw i t h o u ts i g n a li n p u ti ss t u d i e d t h ee v o l u t i o no fp u m p a n ds i g n a la l o n gt h ef i b e ri sc a l c u l a t e da n dr e s u l t sa r eg i v e n i n c h a p t e r f o u ra n df i v e ，t h ed r bn o i s ec h a r a c t e r i s t i co ff i b e r r a m a n a m p l i f i e r i sd i s c u s s e di n p a r t i c u l a r t h ea n a l y s i s h a sb e e n u n d e r t a k e nf o rb o t hf o r w a r d p u m p e d f i b e rr a m a n a m p l i f i e r a n d b a c k w a r d p u m p e d f i b e rr a m a n a m p l i f i e r ，r e s p e c t i v e l y t h e r a m a n a m p l i f i c a t i o n e f f e c ti sc o n s i d e r e di n d e t e r m i n i n g d r bl e v e l s t h e c a l c u l a t i o nm e t h o do fd r bn o i s ei s g i v e nw h e na no p t i c a li s o l a t o ri s i n s e r t e dt os u p p r e s sd r b n o i s e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd r b n o i s ea n d t h ep o s i t i o no fi s o l a t o ri sc o m p a r e df o rd i f f e r e n tp u m p a n d s i g n a lp o w e r s t h e o p t i m a lp o s i t i o no f i s o l a t o rt os u p p r e s sd r bn o i s ei sc o n c l u d e df r o m t h es i m u l a t e dr e s u l t s f o rf o r w a r dp u m p e df i b e rr a m a na m p l i f i e r ，t h e o p t i m a lp o s i t i o ni s 10 - 15 k mf r o mt h ei n p u te n d i ti s5 - 10 k i nf r o mt h e o u t p u t e n df o rb a c k w a r d p u m p e df i b e r r a m a na m p l i f i e r 。w h e nt h e o p t i c a li s o l a t o ri si nt h i sp o s i t i o n ，t h ed r bn o i s ep o w e rc a nb el o w e r e d b y 2t o3m a g n i t u d e s t h i so p t i m a l p o s i t i o ni si n d e p e n d e n to fi n p u ts i g n a l a n dp u m pp o w e r s s oi ti s v e r yp r a c t i c a l f o r m a k i n gaf i b e rr a m a n a m p l i f i e r b yc o m p a r i s o n ，i ti ss u g g e s t e dt h a to n ei s o l a t o ri nt h eo p t i m a l p o s i t i o ni st h eb e s tp l a nt os u p p r e s sd r b n o i s e t h e l o n g h a u lf i b e rt r a n s m i s s i o n s y s t e m s w i t h m u l t i s t a g e f i b e r r a m a n a m p l i f i e r sa r ei n v e s t i g a t e df o rf o r w a r dp u m pa n db a c k w a r d p u m p ， r e s p e c t i v e l y t h ec h a n g eo fs i g n a lp o w e ra n dd r bn o i s ep o w e ra r e c o m p a r e db e f o r ea n da f t e ro p t i c a li s o l a t o r sa r ei n s e r t e d f r o mt h ea n a l y s i s ， o n ei s o l a t o ri sr e q u i r e di ne a c h s t a g eo f f i b e rr a m a n a m p l i f i e r t os u p p r e s s d r bn o i s ei nl o n gh a u lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s e f f i c i e n t l y i nt h el a s t c h a p t e r ，t h ew h o l ep a p e ri s c o n c l u d e d t h et o p i c sf o r f u t u r er e s e a r c hi i lt h ea r e aa r ep r o s p e c t e df o r k e yw o r d s d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，n o n l i n e a r i t y , f i b e rr a m a n a m p l i f i e r , d o u b l er a y l e i 曲b a c k s c a t t e r i n g ，o p f i c a li s o l a t o r 符号说明 真空中的介电常数 非线性极化强度 电场强度 j 阶电极化率 光折射率 非线性折射率 斯托克斯光强 泵浦光强 喇曼增益系数 泵浦波频率 信号或斯托克斯波频率 信号或斯托克斯波的损耗系数 泵浦波损耗系数 受激喇曼散射的阈值 有效纤芯面积 有效互作用长度 光纤长度 布里渊增益系数 受激布里渊散射闽值 光速 2 i | 。 凇 心 几 b 繇 q q 船 卿 芹 锄 k。 b 君 雕 。 非线性相移 有效距离 信号功率 泵浦功率 普朗克常数 繇频谱图的有效带宽 传输常数 群速度 瑞利散射系数 重新捕获系数 双重瑞利散射波功率 瑞利后向散射波功率 反向泵浦功率 双重瑞利散射波的增益系数( 正向泵浦) 瑞利后向散射波的增益系数( 正向泵浦) 瑞利后向散射波的增益系数( 反向泵浦) 双重瑞利散射波的增益系数( 反向泵浦) 4 姒 锄 只 昂。 ， q s 第一章引言 1 、光纤通信历史简要回顾 把光子作为信息载体，是2 0 世纪末一项划时代的技术。自从用光纤代替电 缆和微波通信以后，信息的传输发生了本质性变革。 信息技术从电子学( e l e c t r o n i a s ) 开始，到6 0 年代开始进入微电子学 ( m i c r o e l e c t r o n i c s ) 时代。随着社会发展，对大容量、高速度信息传输的需求 在日益增长。电子学和微电子学受到很大挑战，已经开始进入其极限能力。与电 子相比，光子无静止质量、频率高、传播速度快。因此，从提高传输速度和容量 而言，信息的载体由电子到光子的发展是必然趋势。光通信的兴起和它在二十多 年来的飞快发展，已使人们认识到光电子学技术的重要性和它广阔的发展前景。 移动电话、卫星通信和光纤通信将形成一个陆海空立体的通信网。宽带化、个人 化、多媒体化的综合业务数字网获得很快发展。有线通信始终是量大面宽的信息 传递手段。由于因特网和多媒体技术的迅速发展，线路上的通信容量骤增，特别 是数字业务这几年以年增长率3 5 的速度上升。除了对光纤通信提出了越来越 高的要求外，也给这项技术提供了广阔的发展空问。 密集波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，d w d m ) 是2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的一项技术，它是在同根光纤中传输不同波长的光 信号。这是一项革命性的技术，能充分发挥光子学的巨大带宽，使光纤通信系统 和网络的传输容量成倍增长。这项技术的成功，在很大程度上得益于光子学领域 的另一项具有重大意义的技术光放大器，特别是半导体激光器泵浦的掺铒光 纤放大器( e r b i u md o p e df i b e rh m p l i f i e r s ，e d f a ) 。由于多路不同波长、承载 不同信息的光信号能直接被放大，不需经过光电一光( o - e o ) 中继，因此使系 统的性价比非常高。光放大器技术很快地进入了实用。 随着光子集成技术的突破，今后通信光纤将代替通信电缆从主干线逐步进入 通信网络的各个层次：进入区域( f i b e rt ot h ez o n e ，f t t z ) ，进入路边( f i b e r t ot h ec u r b ，f t t c ) ，进入家庭( f i b e r i 、0t h eh o m e ，f t t h ) 和公寓( f i b e rt o t h ea p a r t m e n t ，f t t a ) 。 2 、 光通信中的几项关键技术 光纤通信系统以其巨大的带宽资源和相对低廉的制造成本使得光传送网作 为下一代宽带通信网的基础成为不争的共识。迄今为止还未发现比光纤更合适的 媒体传送巨量信息。全球范围内以承载了各种业务的i p 数据包为代表的数据业 务爆炸式增长，极大地拓展了电信网对光通信技术的需求空间并刺激了光通信自 身技术的急速发展。在过去的2 0 年里，在一根光纤上的信息传输速率从每秒 5 兆或2 兆比特到每秒数太比特，提高了近1 0 0 万倍。预计在未来1 0 年里还将提 高1 0 0 倍左右。目前，光纤传送网已成为世界各国的主导传送网络。光纤通信的 技术也从单纯的光传输技术发展到包含光交换技术的全光网络技术。光传送网包 含了三大类技术，即光电子器件技术、光纤光缆技术和系统设备技术。下面我们 简单介绍其中的几项关键技术。 ( 1 )光放大器技术 高速大容量系统诸如波分复用系统的实用化得益于光电子器件技术的突破。 如实用化的掺铒光纤放大器( e d f a ) 、动态单模激光器及其与调制器的集成、光 波分复用解复用器等等。光纤通信新技术的发展，离不开光电子技术的进步。 一系列的光电子器件将在未来的通信网中起着重要的作用。因而开发各种高性 能、低成本、高可靠的光电子器件己成为所有光电子器件制造商的奋斗目标。高 速光纤通信系统所需的主要器件包括：中心波长稳定、线宽窄的激光源；用于高 速传输的外调制器；分立或集成的接收器如探测器和收发模块；适合于高速、多 波长光信号长距离传输的新型光纤；光放大器；各类光无源器件。全光网络系统 需要光分叉复用( o p t i c a l a d da n dd r o pm u l t i p l e x e r ，o a d m ) 和光交叉连接 ( o p t i c a lc r o s sc o n n e c t o r ，o x o 等设备。 提高和改善光纤放大器的性能、开发新型光放大器一直是光纤通信中的关键 问题。特别是无1 3 9 l m 水吸收峰的新型光纤的出现，密集波分复用的波长数和 窗口范围不断扩大，希望有更大增益带宽的光纤放大器投入使用。目前主要使用 的光放大器分为掺杂型光纤放大器、半导体光放大器和光纤喇曼放大器三种。它 们的优缺点分别是。 半导体放大器的优点： 光放大效率高、功能多； 易于和光电子器件或光学器件集成： 有商用化前景，带宽 4 0 n m ，增益接近3 0 d b 。 半导体放大器的不足： 温度稳定性差； 偏振依赖性强。 e d f a 的优点： 增益位于1 5 5 0 h m 波段，可扩展至1 6 0 0 n m 波段； 理想的噪声特性( 约4d b ) ； 信号失真小，串扰小，无偏振依赖性； 输出功率高( 2 0 2 8d b m ) ： 结构简单，效率高，带宽大( 4 0 - 8 0 n m ) ； 泵浦源已经商用化( 9 8 0 n m ，1 4 8 0 n m 泵浦) 。 e d f a 的不足： 中心波长固定，对1 5 3 0 n m 以下波段无放大能力； 属集中放大，光信号在十几至数十米光纤内被突然放大，容易激发 光纤中的非线性。 喇曼光纤放大器的优点： 中心波长灵活，只要有合适的泵浦源，可实现任何波段的光放大， 任意波长都可以获得增益； 分布式放大，信号在传输过程中在泵铺光作用下逐渐得到放大，能 有效减少光纤非线性对传输性能的影响； 可以利用普通光纤作为放大传输介质，与光纤系统有很好的兼容性， 7 还可以多级级连； 噪声指数低、温度稳定性高。 喇曼光纤放大器的不足： 效率较低，要求较高的泵浦功率。 尽管喇曼光纤放大器效率较低，但由于其独特的放大特性，因此具有很大发 展潜力，本文将予以着重研究。 ( 2 ) 光纤技术 目前常用的光纤种类有标准单模光纤( g 6 5 2 ) 、色散位移光纤( g 6 5 3 ) 和 非零色散位移光纤( g 6 5 5 ) 。由朗讯公司发明的全波光纤( a 1 l w a v ef i b e r ) 消除 了常规光纤在1 3 8 5 n m 附近由于氢氧离子造成的损耗峰，损耗从原来的2 d b k m 降到o 3 d b k m ，这使光纤的损耗在1 3 1 0 1 6 0 0 h m 都趋于平坦。全波光纤使光纤 可利用的窗口增加l o o n m 左右，若采用i o o g h z 通道间隔，相当于增加1 2 5 个波 长通道。目前又出现了第二代的非零色散位移光纤l e a f 光纤和r s - t r u e w a v e 光纤。l e a f 光纤将光纤的有效面积从5 5um 2 增加到7 2pm 2 ，增加了3 2 。大的 有效面积可以降低光纤中各种有害的非线性效应。与传统光纤相比，它可以承载 更高功率的光信号，这意味着更多的波长通道数目、更低的误码率、更长的放大 1 21 31 41 51 61 7 w a v e l e n g t h 岬) 图卜1 光纤损耗频谱 f 追1 - 1t h es p e c t r u mo f f i b e rl o s s e卫，日口一m酾o1 间距和更少的放大器。所有的这一切都意味着更大的容量和更低的成本。目前使 用的光纤几乎都是g 6 5 2 标准单模光纤。现在光纤的型号越来越多，在设计光纤 传送网时，光纤的选型十分重要。全波光纤的损耗特性好，但它在色散和非线性 方面没有突出表现。它适于那些不需要光纤放大器的短距离城域网，可以传送数 以百计的波长通道。l e a f 光纡和r s t r u ew a v e 光纤更适于长途干线系统，前 者有较好的非线性特性和相对较差的色散特性，而后者有较好的色散特性和相对 较差的非线性特性。这两者哪个更好，哪个更适于我国的实际国情还需仔细研究。 也有专家认为随着色散补偿光纤( d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r ，d c f ) 的成 本越来越低，利用已有的g 6 5 2 光纤加d c f 可以作为建设中等波数波分复用大容 量系统的一种可选方案，而且保护了已有的投资。 发展新材料也是光通信领域关键问题之一。以光纤材料而言，随着通信容量 的增加，注入光纤中的功率也增高。由于光纤的芯直径很细，芯中的能量密度很 高，从而产生如：受激喇曼散射、受激布里渊散射、自位相调制、交叉相位调制 和四波混频等非线性现象，使在光纤中传输的光信号受到损耗和干扰。近年来研 制的大有效面积新型光纤，就是为了提高光纤的利用率。之外，光纤中的色散对 高速信号也有严重的影响。要想充分发挥光纤大容量的作用，还要克服光纤的色 散，如采用色散补偿光纤等。对光放大器而言，研究新型光纤材料更为关键。随 着波分复用技术的提高，光纤放大器材料要满足高的增益带宽，并能应用于不同 的通信窗口( 1 3 岫、s - 波段、c 一波段、l 一波段等) 。 ( 3 )s d h s o n e t 技术 s d h s o n e t 同步数字体系是1 9 9 0 年左右形成国际标准的新一代传输体系。 该体系以电的时分复用为基本工作原理。s d h 是国际电信联盟i t u t 制定的国 际标准，s o n e t 是北美等少数国家和地区的区域性标准。s d h s o n e t 采用了面向 字节的帧结构，定义了标准的光接口指标和丰富的开销字节。和传统p d h 制式的 功能相比，s d h s o n e t 在传输容量、电路的灵活分插( 上下) 、光接口的横向兼 容性和网络管理等方面都有显著的优点。 s d h s o n e t 技术的今后发展方向是进一步增容提速、加强组网能力和增强业 务灵活性。目前基于时分复用的高速系统在实验室传输速率己能达到1 6 0 g b p s ， 在r s t r u ew a v e 光纤上已传输3 0 0 公里。然而，采用电的时分复用来提高传输 容量的作法已经接近硅和镓砷技术的极限，因而更现实的增容出路是转向光的复 用方式。光复用方式有光时分复用、波分复用( w d m ) 、频分复用等几种，但目前 只有波分复用方式已进入大规模商用阶段，而其他方式尚处于试验研究阶段。 随着网络规模的扩大，其拓扑结构越来越复杂。单一功能的s d h 设备往往不 能满足组网要求。所以从功能结构上讲，s d h 设备的发展方向是模糊经典意义上 的群路和支路概念，以一个大的交叉矩阵为核心配备各种速率的光接口和电接 口，同时具备多种功能，这样才能在网络建设中灵活应用。 s d h s o n e t 技术除了继续完善其支持话音业务的功能之外，正在向支持数据 业务方向发展。它所依托的基本技术由单一的电路复接技术正在向统计复接和电 路复接相结合的方向发展。在下一代网络中，以i p 为代表的数据业务将超过话 音业务成为主要业务，但起始于话音传输体制的s d h s o n e t 技术并不会被完全取 消。这是因为对光电领域之间的s d h s o n e t 接口仍然有强大的需求，s d h s o n e t 环路体系结构也为1 v d m 网络提供了出现线路故障时非常需要却又无法自我提供 的恢复功能，这种特性随着今后十年出现更多的实时分组业务而变得越来越重 要。数据业务能够经得起一些分组的丢失，而分组话音却不能。s d h s o n e t 统计 复接和电路复接相结合技术的基本原理就是规定高速率s d h s o n e t 中的若干s t m o s t s 一1 信号用于分组信号的统计复接，其余的s t m o s t s l 信号则用于 传统的电路交换信号，这样s d h s o n e t 设备就能同时支持电路交换信号和分组信 号。目前已有支持数据业务的产品问世。将来的路由器直接承载2 5g b p s 和1 0 g b p ss d h 成帧信号，即v c 一4 1 6 c 或v c 一4 6 4 c 级联信号。i p 信号直接映 射入v c 一4 1 6 c 的虚容器，然后再加上s d h 段开销，成为标准的s d h 信号。 带电支路接口的s d h 设备将会被越来越推向“边缘”( e d g en e t w o r k ) ，即中 继网和接入网。 ( 4 )密集波分复用( d w d b ) 技术 光波分复用技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本 原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来( 复用) ，并耦合到光缆线路上的 同一根光纤中进行传输；在接收端又将各波长的光信号分开( 解复用) ，送入不 同的终端。 光纤应用取得突破性进展的重要标志就是波分复用。这项于1 9 9 5 年开始投 入使用的技术，使得多个光波长在一根光纤里进行通道复用，平行的传输不同的 信息，能在一根光纤内传输每秒钟上万亿比特的数据。目前，超密集波分复用 ( u o w d m ) 系统的研究和实验也在加紧进行。最初，o w d m 使一根光纤中同时传送 的波长数从4 增加到3 2 个，逐渐上升到1 6 0 个，而u d w d m 可以达到4 0 0 个。科 研人员相信今后几年内单纤传输1 5 0 0 0 个波长将成为可能。 作为新一代的光纤通信技术，d w d m 有以下主要技术特点： 1 ) 充分利用光纤的巨大带宽资源 d w d m 充分利用了光纤在低损耗波段的带宽资源，使单根光纤的传输容量比单 波长增加了几倍至几十倍，从而降低成本，具有极大的应用和经济价值。 2 ) 同时传输不同业务信号 d w d m 中的各波长相互独立，提供的仅是对数据格式透明的高速通道，因此对 于所有的业务信号是一致的，容易实现各种不同业务特性信号的混合传输。特别 是引入i p 宽带业务，实现i po v e rw d m 。 3 ) 多种应用形式 d w d m 技术可以有多种应用形式，如长途骨干网、广播式分配网、多路多址 局域网等。在通信传输网中，无论是骨干网、城域网还是接入网从满足将来业务 发展的角度看，o w d m 技术都是一种很好的选择。 4 ) 降低器件的超高速要求 随着传输容量的提高，光电器件的速度已经接近极限，采用d w d m 技术可以 降低传统t d m 方式在增加容量时对器件性能的极高要求，同时实现大容量传输。 5 ) 高度的组网灵活性、经济性和可靠性 d w d m 技术可以实现以波长为单位的选路，实现网络交换和恢复，从而构建面 向未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的全光传输网。 当前，光通信技术的进步从理论和实践上都已经解决了d w d m 系统进入实用 化的问题，光学器件的发展也保证了d w d m 系统逐步进入实用阶段。 随着d w d m 的发展和高速路由器中s 叫一1 6 ( 2 5 g b p s ) 光接口的引入，从1 9 9 8 年秋季起，i po v e rs o n e t s d h 开始向i po v e rw 1 ) m 发展。“i po v e rw d m ”又叫 “光i n t e r n e t ”或“光互联网”，是指i p 直接接入到w d m 光网上或直接接到光 纤上，核心网中间不经过s o n e t s d h 终端复用设备和a t m 设备。由于一条光纤中 传几十个波道，光互联网的成本降低、宽带增大，网络结构也更加高效简化。 简而言之：直接在光上运行的互联网就是光互联网。在光互联网中，高性能 路由器通过d w d m 耦合器直接连至d w d m 光纤，光纤内各波长链路层互连。高性能 路由器取代传统的基于电路交换概念的异步传递模式( a s y n c h r o n yt r a n s f e r m o d e ，a t m ) 和s o n e t s d h 电交换与复用设备，成为关键的统计复用设备，用作 主要的交换选路设备，最终由它控制波长接入、交换、选路和保护。因此，光 互联网是一个真正的链路层数据网，可以通过指定波长作旁路或直通连接，网络 的流量工程设计可以只在i p 层完成。由于可以为不同的业务指定波长，在结构 上将更加灵活，并具有向光交换和全光选路结构转移的可能。d w d m 系统能对电 信业务进行光复用，一部分波长被指定用于高带宽i p 光网，即i po v e rw d m ， 它可用于大流量的机对机业务；另一部分波长被指定用于a t m 光网，即i po v e r a t m ，它可能用来支持执行重要任务的i p 网：还有一部分波长则被指定用于传统 的s o n e t s d h 业务，即i po v e rs o n e t s d h ，它可能用来集中和传送传统的i p 网业务。光复用的吸引力在于电信公司可以基于用户的特定需求向用户提供一整 套服务和协议。 光互联网中，有三种i p 传送技术。i p 是网络层协议，s d h 和d w d m 是物理层 传送技术，在两者之间需要一个数据链路层。物理层的作用是负责在通信中传送 光或电信号；数据链路层负责把物理层提供的信号转换成网络层所需的信号；网 络层则从这些信号中提取分组，进行路由转换，传向目的地。目前有i po v e r a t m 、i po v e rs d h 和i po v e rw d m 三种技术。 i po v e ra t m ( i p o a ) 是把面向连接的a t m 的能力引入到无连接的i p 中去， 也是选路与交换的优化组合，可以综合利用a t m 的速度快、容量大、多业务支持 能力的优点以及i p 的简单、灵活、易扩充和统一性的特点，达到优势互补的目 的。但其网络体系结构复杂、重复，a t m 与t c p i p 都有寻址、选路和流量控制 功能，开销损失达2 5 左右。在网络扩展性方面，a t m 的分段与组装功能( i po v e r a t m 的映射方式) 将随着接口速率的增加而变得十分复杂，因而其速率不易提高。 i po v e ra t m 主要适用于网络边缘多业务的汇合和一般容量的i p 骨干网，不太 1 2 适于超大型i p 骨干网应用。总的来看，i po v e ra t m 适用于多业务电信环境以 及服务质量要求高的i p 业务。 i po v e rs o n e t s d h 是将i p 分组通过点到点协议( p o i n tt op o i n tp r o t o c o l ， p p p ) 或i t u t 标准l a p s 协议直接映射到s d h 帧，省掉了中继的a t m 层，从而 保留了i n t e r n e t 的无连接特性，简化了网络体系结构，提高了传输效率，降低 了成本，是一种实用、高效的i p 传送技术。i po v e rs d h 适用于经营i p 业务的 n t e r n e t 服务提供商和以i p 业务量为主的电信网，或者在电信骨干网上疏导高 速数据流。 i po v e rw d m 不仅可以省掉a t m 层，同样可以省掉中间的s d h 层，将i p 直 接放在光路上传送，即实现所谓的i po v e rw d m 。显然，这是一种最简单直接的 体系结构：省掉了中间的a t m 层与s d h 层，减少了网络设备，减少了功能重叠， 简化了设备，减轻了网管的复杂性，特别是网络配置的复杂性；额外的开销最低， 传输效率最高；通过业务量工程设计，可以与i p 的不对称业务量特性相匹配； 还可以利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务，尽量减少时延。由于省掉了价格 昂贵的a t m 交换机和大量的s d h 复用设备，简化了网管，其传送成本可望大大减 少。i po v e rw d m 的最大优势在于其巨大的带宽潜力，目前准商用化的d w d m 的 速率己将达到1 6t b p s 。显然，只有这样的高速率才有可能与未来巨大的业务 量相匹配。d w d m 的另一个优点是：可以有上百个波道，每个波道之间可以相互 隔离，因而可以很容易地兼容不同性质和不同协议的业务。不再需要在同一通道 上汇合各种业务，从而可免去采用复杂的a t m 来汇集多业务，简化了体系结构。 i po v e r w d m 适用于城域网、高容量普通i p 网和未来大型i p 骨干网的核心汇接。 三种i p 传送技术都将长期共存，相互补充。但是i po v e rw d m 是未来的网 络发展方向之一，也最具有生命力和发展前途。总之，i po v e rs o n e t s d h 、i p o a 、 i po v e rw d m 各有自己的适应情况。 i po v e rw d m 光互连网的关键技术是全光网络技术。全光网络技术有节点 技术、全光放大中继技术、光多路传输技术、波长转换技术、网络安全技术、全 光网络器件技术等。 ( 1 ) 节点技术 全光网络的节点可以分为网络节点和接入节点，分别由可重构的光交叉 连接( o x c ) 和光分插复用( o a d m ) 组成，o x c 对波长通道进行交换，而o a d m 对波长通道进行上下路。 ( 2 ) 全光放大中继技术 即采用光放大器直接在光路上对信号进行放大传输。氟基e d f a 能在1 5 3 0 4 1 5 6 0 n m 波长范围内提供相当平坦的增益。e d f a + r a m a n + 增益均衡，更能使波长范 围扩展到1 6 2 0 h m ，能在9 0 h m 波长范围内提供相当平坦的增益。 ( 3 ) 光分插复用器( o a d m ) o a d m 实现在d w o m 光纤中有选择地上下特定的任何速率、格式和协议类型 的所需光波长信道。o a d m 在节点上只分接插入所需波长，同时使其它波长光 学透明地通过这个节点。 o a d m 的特点： 避免所传信息不必要的解复用和处理过程： 显著的简化了节点的硬件； 减少了相关的管理操作； 在不增加数字电系统的情况下，使网络节点具有非常大的吞吐量。 ( 4 ) 光交叉连接器( o x c ) o x c 本质上是由两个光分插复用器以背靠背连接而成，它的作用是将从一个 d d m 系统来的波长插入到另一个啪m 系统中。o x c