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全光通信网路由技术与密集波分复用解复用器件的研究 摘要 通信、信息技术的迅猛发展，不仅深刻地改变了人们生活、工作、学习和娱乐方 ，_ i = ，而且把人类社会从工业化社会推向了信息化时代。这样的深刻变化使我们不得 不列这个h 新月异的领域刮目相看。本文力图沧海一粟，出点及面，针对通信领域 的新星一一光通信的未来图景作了一定的分析并且就两个具体的专题进行了详细 研究，从i t h 论与实践的角度，就全光通信的未束发表了自己的一些见解。 文章始终围绕着未来全光通信网络这个话题展开论述，涉及面较广，从通信网络 的沿革、信息光予技术的介绍，到全光网络的具体概念、组件与实施的典型范例， 都有所探讨，力图用简洁明了的语言去解释这些专业性较强的论题。 f f 休求说，论文可分成四个部分。第一部分主要对通信网络和信息光子技术的历 史与现状做了评述，介绍了全光通信网的概念与内涵，就全光通信所面对的机遇与 挑战作了阐述，并且提出了要在本文中解决的一些问题，内容集中在第一章；在文 章的第一部分，由全光网络的基本架构和可用资源，具体论述了结构中的各种环节 和币元，比如资源上的链路、节点，设备上的光信号处理器，元件上的各类常用光 通信器件，内容集中在第二章；文章的第三部分，针对全光网络的组网技术作了专 题论述，内容涉及光交叉连接节点( o x c ) 的实现结构、传输网的动态路由与资源 分配、路由与波长分配问题，其中包涵了相关的各类概念、对比、参量分析和算法。 该部分着驻理论探讨，内容集中在第三章；文章的后一部分，) 重点研究了全光通信 川密集波分复用解复用器件的理论、方案、参数调配、实验与封装。由于该部分内 容是作者在学期间参与的上海市科委的一个实际项目，比较完整，体会较为深刻， 因此试图以精练的语言来把具体的光子器件研究流程表述清楚。这部分内容集中在 第四、7 i 章。这四个部分中，后两个部分是论文的主干，探讨得比较充分，又恰好 着眼r 。j i ；i f 全光通信的两个主要研究领域，即组网技术和器件技术，两个并驾齐驱 义年甘辅相成的热点，成为了贯穿中心的两条主线。 险光通信网络技术与器件技术的发展是异常迅速的，概念在不断更新，即使今天 讨论的比较前沿的课题，在不久的将来也会滞后淘汰，因此成文的过程中，文章力 巨i 用科研方法的视角，而不是单纯的技术讨论，去论述实际内容，因为正确的研究 理念是不会被轻易淘汰的。而且，由于作者的水平有限，需要从锻炼中增长能力， 因而归纳概念、理清思路的同时，愿之成为自己科研道路上继往开来的试会石。扣2 关键词：全光网络、光交叉连接、动态路出、波长路由、密集波分复用 s t u d y o nr o u t i n gt e c h n o l o g ya n dd e n s ew d m d e v i c e i na l l o p t i cc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a b s t r a c t r a p i dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g i e si nc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ni n d u s t r y n o t o n l ym a k e s d i f f e r e n to u rf a s h i o n so f l i v i n g ，w o r k i n g , s t u d y i n ga n d a m u s e m e n t ，b u t d r i v e st h eo r i g i n a li n d u s t r i a ls o c i e t yt ot h em o d e r ni n f o r m a t i o na g e w eh a v et ol o o k a tt h e q u i c k l yc h a n g i n g f i e l dw i t h c o m p l e t e l y n e we y e si nf r o n to ft h es t r i k i n g r e v o l u t i o n t h i s p a p e r w h i c h e x p r e s s e sm ye x p e c t a t i o n a b o u t a l l o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nt r i e sh a r dt oa n a l y z et h ef u t u r ei no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t h eu p t o d a t eh o t s p o ti nc o m m u n i c a t i o n ，a n dg i v ead e t a i l e dr e s e a r c ho ft w os e p a r a t e ds u b j e c t s a sad r o pi nt h eb u c k e tw i t ht h et h e o r e t i ca n dp r a c t i c a lv i e w t h et h e s i sd i s c u s st h ef u t u r e a l l - o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka l l a l o n g i n v o l v i n gw i d e rt o p i c s f r o mt h eh i s t o r i c a lr e v o l u t i o no fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ， i n t r o d u c t i o no fi n f o - o p t i c s p h o t o n i c st e c h n o l o g i e s ，t ot h ep r a c t i c a li d e a s ，m o d u l e s a n de x a m p l e so fi m p l e m e n t a t i o n t h o s es p e c i a l i z e dt o p i c sw i l lb ee x p l a i n e dw i t h c o n c i s ew o r d s i nt h i sp a p e r , t h e r ea r ef o n rp a r t si na l i t h ef i r s tp a r tw h i c hc o m p o s e sc h a p t e ri i n e l u d e sc o m m e n to nh i s t o r ya n ds t a t u so ft h en e t w o r ka n do p t i c s p h o t o n i e s t e c h n o l o g i e s ，e x p l a n a t i o n o ft h eb a s i c c o n c e p t i o n a n dc o n n o t a t i o ni n a l l o p t i c a l n e t w o r k ，e x p a t i a t i o n o f t h e o p p o r t u n i t i e s a n d c h a l l e n g e sf a c i n g t o a l l - o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，a n ds o m eq u e s t i o n ss o l v e dh e r e i nt h en e x ts e c t i o n ，av a r i e t yo f m o d u l e sa n du n i t si nt h es t r u c t u r eo fn e t w o r ka r ed e s c r i b e da c c o r d i n gt of u n d a m e n t a l c o n f i g u r a t i o na n da v a i l a b l er e s o u r c e ，s u c ha sl i n k so rn o d e so fr e s o u r c e ，o p t i c a ls i g n a l p r o c e s s o r s i n e q u i p m e n t s a n d c o n v e n t i o n a l o p t i c a lc o m p o n e n t s a se l e m e n t t h e s e c t i o nc o m p o s e sc h a p t e ri i t h et h i r dp a r ta i m sa tt h et e c h n o l o g i e so fo r g a n i z i n g n e t w o r k ，c o m p r i s i n g t h es p e c i a lc o n t e n to fc o m p r e h e n s i v e a l i a l y s i so f d i f f e r e n to p t i c a l i n t e r c o n n e c t i n ga r c h i t e c t u r e s ( o x c ) ，d y n a m i cr o u t i n ga n d r e s o u r c ea l l o c a t i o ni u t r a n s p o r tn e t w o r k ，q u e s t i o n so fr o u t i n g a n d w a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ，i n c l u d i n gm a n y c u r l e l a t i v e c o n c e p t s ，c o m p a r i s o n ，p a r a m e t e ra n a l y s i sa n da r i t h m e t i c t h ep o r t i o n c o m p o s i n gc h a p t e ri i ie m p h a s i z e so nt h e o r e t i cp r o b a t i o n t h el a s tp a r tc o n s i s t i n go f c h a p t e r 1 va n dve m p h a s i z e so nt h er e s e a r c ho fd e n s e f 伯y 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 gd e v i c e ( d e n s ew d md e v i c e ) a n dc o n t a i n st h e o r e t i c a id e d u c t i o n s c h e m e c o n f i r m a t i o n ，a d j u s t m e n to fp a r a m e t e r s ，e x p e r i m e n t sa n dp a c k a g i n g a sap r a c t i c a l a n df u l lp r o j e c ts p o n s o r e db yt h e s h a n g h a i c o m m i t t e e o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yi n m yg r a d u a t ep e r i o d ，i tw i l l d e l i v e rad e t a i l e d p r o c e s s o fi n v e s t i g a t i o no fp h o t o n i c d e v i c ew i t he x p e r i e n c ea n db r i e fw o r d s a m o n ga l i p a r t s t h el a t e rt w op a r t sa r e d i s c u s s e ds u f f i c i e n t l ya n dc o n s t i t u t e t h e p a p e r sb a s i s ，w h i c he x a c t l y m a t c ht w o c u r r e n tm a j o rs t u d y i n gf i e l d si na l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，t h et e c h n o l o g yo fb u i l d i n g n e t w o r ka n dd e v i c e s t h et w oi m p o r t a n te q u a l l ya n dm a t c h i n gh o t s p o t sa p p e a ra s p r i m a r ys p i r i tt h r o u g ho v e r a l ll e n g t h t h e d e v e l o p m e n t o fn e t w o r ka n dd e v i c et e c h n o l o g y u p d a t i n g s oq u i c k l yi na l l o p t i c c o m m u n i c a t i o ni ss u r p r i s i n g e v e ni fs ol e a d i n gat o p i cn o wm a yb e c o m eo l da n db e r e p l a c e db y o t h e r ss e v e r a ly e a r sl a t e r , t h i sp a p e ri se d i t e dt od e s c r i b ec o r r e l a t i v e c o n t e n tw i t ht h ea n g l eo fv i e wo fs c i e n t i f i cm e t h o db u ts i m p l et e c h n i c a ld i s c u s s i o n b e c a u s et h er i g h tr e s e a r c hu n d e r s t a n d i n gi sm o r e l a s t i n g m o r e o v er a sar e s u l to ft h e a u t h o r sl i m i t e da b i l i t y ，i ti sn e c e s s a r yt og a i np r a c t i c a lc o m p e t e n c ea n dl o o k u p o n t h e a r t i c l ea st o u c h s t o n ei n m ys t u d y i n gw a yw h e nc o n c l u d i n gm yk n o w l e d g ea n d e x p e r i e n c e k e yw o r d s ： a l l o p t i cn e t w o r k ，o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ，d y n a m i cr o u t i n g ，w a v e l e n g t hr o u t i n g ， d e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 濒交通人学坝卜学 讧论史 1 1 通信网络的发展现状 第一章绪论 “世界发展如此之快，以至身处其中的人们都不认得了”。这句话不仅来自名人 的心声，也能引起大众的共鸣。近一百年的历史中，发生了许许多多改变人类命运的 大事，但真币让世界加速发展并改头换面的，恐怕哪个领域也没有通信、信息技术如 此渗透，如此深刻地改变了人们生活、工作、学习和娱乐方式，同时通信、信息技术 所取得的激动人心的成就，已把人类社会从工、l k 化社会推向了信息化时代。因此只有 深刻地体会到这种巨变对世界的影响，才会真一重视起这个r 新月异的领域。 这个领域是广泛的，它包括当今各种新兴的通信、计算机、电子及多种介质的信 息载体、处理器和分发器，币如浩瀚的大海，既有广阔的疆域，又有深邃的历史，没 仃任何个人”，以尽览无余，因此本文力图沧海一粟，由点及面，侧重论述当今通信、 信息技术领域的一个相当重要且有潜力的方向一光通信，通过自己的研究和实践， 求蜊述一定的观点。 人类进入2 0 世纪后，在通信、电子与信息领域发生了一系列的重大事件：首先是 发明了电子管，并用它制造了无线电话、电报收发信机；后来是贝尔实验室发明了晶 体管，把电子管的功耗降低了几百倍，而体积缩小了几十倍，并用它制造出半导体晶 体管通信机和交换机等装簧。2 0 世纪中叶出现了集成电路，这是近百年来最辉煌的成 就之一，而且很快由大规模集成电路发展到超大规模集成电路。通信机和计算机之所 以能做得越来越便宜，体积越来越小，工作速度越来越快，其主要原因就在于集成电 路。现存人类已掌握了深亚微米技术，并且可以在一个几平方厘米的芯片上制造出上 亿个器件。 当今通信技术的发展主要包括电话交换、j i 星通信、移动通信、互联网络和最激 动人心的未来光网络技术。最早的电话交换机是由话务员用人工拔插方法实现的，后 束改进成机电式( 舌簧式交换机和纵横制交换机等) 。1 9 6 5 年美国研制成功了世界上 第一部程控交换机，成为现代通信网中交换设备的主流产品。程控交换技术不断发展， 先后m 现了窄带和宽带i s d n ( 综合业务数字网) ，智能网业务和c t i 技术也应运而生， 斤h 山u 于交换也包括视频和大量数据，因此对交换机交换的速率要求更高了，这就使 a q m 宽带交换机成为最近的新宠。在卫星通信力面，为了实现全球广大用户的通信， 8 ( ) 年代未，人们先后提出了低轨道卫星通信的汁划，如铱计划( 我国有一定参与) 和 全球星计划等。国际海事卫星( i n m a r s a t ) 除提供全球航运服务外也想为更多用户提 供服务。所有这些激动人心的计划在9 0 年代先后付诸实施。 移动通信的进步可能是现今最热门的一个话题。1 8 9 9 年人类掌握无线电通信技术 后的几十年i 、日j ，始终把它用于长距离( 跨海洋、越高山) 点对点固定通信。1 9 4 6 年美 国首先丌通了公众移动电话系统，由于用户成下匕万地增加，频率资源紧张成了瓶颈， 贝尔实验室的工程师们提出了蜂窝移动通信的概念，这一概念的提出大大推动了移动 通信的发展。如今世界上主要的移动通信系统，如频分多址复用( f d m a ) 、时分多址 复用( 7 f d m a ) 和码分多址复用( c d m a ) 等都采刖蜂窝系统。如果没有这一概念及其实 现技术，要实现4 亿用户移动通信是根本不可能的。1 9 8 3 年，美国推出了a m p s 系统， f 1 本1 9 8 8 年推 _ “了j t a c s ，1 9 9 0 年，欧洲推以t i ) m a 为复用技术的g s m 系统，并成 为r jd 口移动通信用户群最大的系统，真萨实现了“全球通”。移动通信的成就不仅表 现在用户每年大约以6 0 的速度增长，更主要的是它在技术上的进步。1 9 9 3 年美国 高通( q u a l c o m m ) 公司推出了c d m a 蜂窝移动系统。它不仅容量大，而且通话质量好， 海交通人学硕i j 学位论文 很快得到了j 。泛应用。9 0 年代，人们完成了第三代移动通信系统，先是w - c d m a ，后 来义提出了t d wc d m a ，美囡也提出了c d m a 一2 0 0 0 。我国也j 下在向i t u 建议t d s c d m a 方案。移动通信的原理虽与光通信不尽相同，但它的许多概念却值得借鉴。 互联网络( i n t e r n e t ) 的发展是惊人的。最初计算机价格十分昂贵，人们采用了 一个主机接到若干终端，用分时的办法让每个终端分享主机c p u ，2 0 多年前人们用这 种系统实现各终端之间的文字通信( 最早的“e m a i l ”) 。而到了8 0 年代，美国国防部 和美国科学基会会资助以t c p i p 为传播模式和互联协议的计算机网，这就是 i n t e r n e t 的诞生。过去的l o 年间，i n t e r n e t 获得了真正迅猛的发展。以美国若干大 学为主研制的第二代i n t e r n e t ( n g i ) 正在顺利进行中，各国的下一代宽带网络计划 也在指定和实施，其带宽不再是以吉位g b p s 为单位，而是太位( 1 t b p s = 1 0 0 0 g b p s ) 了，实现这一海量带宽的使命必然落在第三代i n t e r n e t 光互联网上。在这样一个 高速传输网 ：，能实现的业务不仅十分丰富，而且层出不穷。包括电子商务、网上图 书馆，还有远程教学、网上会议、远程医疗、网上银行和网上媒体服务。i n t e r n e t 的发展i l i 在改变着人类传统的生活方式。i n t e r n e t 的发展是基于i p 的。起初，i p 网 以传输简易、路由器延迟时问短为理由，认为未来通信一切都要通过i p 传输，未来 世界是l p 【! ! = 界。而拥有和掌握a t m 骨干网的通信公司则以a t m 更容易开展各种业务， 而且有更好的q o s ( 服务质量) 而自居。而人们现在认识到i p 与a t m 必然要走融合 之路。 小仪如此，固定网、无线网、移动网和卫与! 通信网要融合。再进一步，电视网、 f n t e r n e t 网和电信网要融合。事实表明，只有互相连接、互相融合才会实现一个横贯 东西的通信网，才会使人类在2 1 世纪享受更加便利、更加高效的生活与工作环境! i 2 信息光子技术的腾飞 当今的社会f 在步入高度信息化社会，超高速信息流( t b s ) 的传输，超快速率( p s ) 的处理与超大信息量( t b ) 的存储已是人们追求的目标。以电子作为信息载体的电子技 术由于受到分布延迟效应和电磁串扰的影响，已开始表露出局限性。光子为玻色子， 无电荷性，没有分布延迟效应。激光有很好的单色性、相干性，能实现密集波分复用 和并行与交叉传输以及分束存储。用光予作为信息的载体将使未来信息系统的传输容 量、处理速度和存储密度有着惊人的扩充和提高，因而已经成为当今科技界关注的热 点，并促成了一门新型学科一信息光子学的迅速兴起和发展。光纤通信就是当前信息 光f 学取得的最重大成就。 光子学本身是一个具有极强应用背景的学科，并由此而形成了一系列的光予技术， 如光子发生技术( 激光技术) 、光子传输技术、光子调制与开关技术、光子存储技术、 光子探测技术、光子显示技术等等。光子技术的基础是光子学。因此在这个意义上讲， 光子学是一门更具技术科学性质的学科。 在光子学形成过程中，相应的各个分支学科也开始形成，而且已有若干分支学科 在诸多科技领域获得重要应用，并产生强烈影响。这类分支学科主要有： 基础光子学：包括量子光学、分子光子学、超快光子学、非线性光子学等； 光子学器件：包括新型激光器、有源无源光子器件等： 信息光子学：包括导波( 光纤) 光子学、光通信技术、光存储技术、光显示技 术等： 集成与微结构光予学：包括半导体集成比子学、微结构光子学等； 生物医学光子学：包括生物光子学、医学光子学等。 本文的研究方向正是基于信息光子学。信息光子学是光孑学与信息科学结合形成 的一门交叉性学科，它以光子作为信息载体的信息获取、信息传递、信息处理、信息 海交通人学硕i j 学位论文 存贮和信息显示等为主要研究对象，并因此形成了光子探测、光子存储、光子显示、 光通信与光信息处理等诸多高新技术领域。 信息光子学有最重要的五个技术领域，即光纤光子学、光通信技术、光子信息处 川j 技术、光r 存贮技术和光于显示技术。 其中： 1 ) 光纤光子学包括光纤光子学的基础研究( 如光纤本身的各种效应) 、新型全光 纤光子器件与光子线路的研究与开拓、全光纤光子集成的研究和典型光纤 光子学系统的丌发等； 2 ) 光通信技术包括复用光纤通信、光孤r 通信、相干光通信与量子光通信，目 莳在) l 巳纤放大器与光纤激光器、光纤光栅光子器件、光子回路和全光纤集 成等上有显著进展； ： ) 光子信息处理技术包括光信息处理，光珏连技术，空间光调制器，光子系统 的微型化和集成化。近期研究重点为：模块化和集成化的三维光予交换网 络系统、多芯片用的微结构模块化光互连器件、专用性光计算的算法、体 系和微结构集成化光学实现、实时处理的用于多维、多目标的多层处理网 络结构智能化光学视觉系统，以及铁电液晶空间光调制器和f e t - - s e e d 器 件； 4 ) 光子存贮技术包括双光子吸收存储、光谱烧孔存储、光子回波存储和光折变 存储等； 5 ) 光子显示技术包括寻址方式的c r t 研究、液晶显示为主导f p d 技术、p d p 和 f e d 为代表的自发光平板显示、d m d 变形微镜显示和v l s i 显示技术等。 因为光子具有极快的响应能力，所以它在信息通信领域有着相当独特的地位。在 信息领域，信息载体的响应能力是至关重要的，它是决定信息速率与容量的主要因素。 在! 电r 技术中，电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒( t l s ，1 0 - s ) 量级，因此在电子通信中信 息速率被限定在g b s ( 1 0 ”b i t s ) 量级。对j ：光子技术来说，由于光予是玻色子， 没有电荷，而且能在自出空问传播，因此，光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒( p s ，1 0 。2 s ) 量级。实际上，现在实验室的光子脉冲宽度水平已达到小于1 0 个飞秒( f s ，1 0 - , 5 s ) 量 级。而且，近两年有望实现2 3 个f s ，o p * h 当一个光学周期的宽度。因此使用光子 为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个g b ，甚至几个、几十个t b ( 1 0 ”b i t s ) 都是可能的。如果使用具有巨大带宽的光纤作信息的传输媒质，于是就能够以如 此高的速率，通过光纤将信息传输到几千公事或更远的距离以外。这样，获得的信息 比特率传输距离之积将是非常可观的。显然，这对于电子技术来说，绝对是望尘莫 及的。 信息光子技术正逐渐演化成一个涉及广泛的综合学科，其强劲的上升势头为人类 未来的自由宽带通信提供了坚实的基础。 1 3 全光通信网的概念与内涵 综j ：所述，社会的大量需求与技术成熟共同加速了全光通信网的发展，恐怕当初 推出该概念的人也无法准确预料出今后的趋势。全光通信网的基本含义是完全采用光 子技术、光子元件和光路原理的下一代大容量、超快响应的网络。实现全光通信网既 是一项艰巨的科研工程，又是涉及深远的交叉工程。为什么这么说呢? 通过多年来对 q k 界的观察，我认为1 0 0 的全光通信网络是不可能实现的，也是不现实的。全光通 信的发生、发展有它的必然性，有很实际的应 】背景，并非纯学术的探讨。基于此点， 网络的发展必然建筑在对以往经验的总结和优化传统电磁网络给了人们太多的启迪 和积累，而且电磁网络与光子网络并不冲突和重叠，它们互有优势，在一些方向还互 海变通人学i i ! ； i ：学位抡艾 1 1 、，l 刿此术来的全光通信网更可能是一种核心与骨干链路大量采用光子技术，而部分 信号的分发处理、网络节点的构造、许多通信卧议的实施等仍须采用传统电磁网络构 造与原理的新型网络。简言之，全光通信网并非全光，仍然会是光与传统电磁的融合 体，只不过后者的地位会大幅退化。 全光通信网从概念形成到现在，发展迅速，并且已经部分应用在全球通信网的实 践中。现在世界上大约有8 5 的通信业务经光纤传输，但从光纤通信的整体水平来看， 仍处于初级阶段，光纤通信的巨大潜力还没有完全开发出来。当然，各种新技术层出 不穷，密集波分复用技术( d w d m ) 、掺铒光纤放大器技术( e d f a ) 等已取得突破性进 展并得到广泛的应用。目前d w d m 系统和光传输设备中，光电技术的比例已经达到了 9 0 。为此提供支撑的就是半导体光电子器件和部件。光电子器件和技术已形成一个 快速增长的、巨大的光电子产业，对国民经济的发展起着越来越大的作用。美国光电 子产业振兴协会估计，到2 0 0 3 年，光电子产业的总产值将达2 0 0 0 亿美元。 可以再对全光通信网的内涵深入一些。光信号处理可以是线路级的、分组级的或 者比特级的。w d m 光传输网属于线路级的光信号处理，类似于现存的电路交换网，是 羊h 粒度的信道分割：全光通信网若为比特级的光信号处理，则对光器件的工作速度要 求很离实用还有十玎当的距离；但仝光通信刚属于分组级的光信号处理时，对光器 件工作速度的要求将大大降低，与w d m 相比能更加灵活、有效地利用带宽，提高带宽 的利用率。未来，基于电路交换的电信网必然要升级到以数据为重心以全光技术为基 础的新型通信网，全光通信网能以更细的粒度快速分配光信道，支持a t m 和i p 的光 分组交换，其应用前景广阔。 由于全光网到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式中间没有电转换 的介入。这样，全光网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，所以信息在传输时就 不会出现信息堵塞现象；在交换技术方面，波长路由选择的引入使波分复用全光网在 交换节点上具有独特的优势，可以实现光层上的信息交换，克服了电子交换瓶颈现象， 且结构简单灵活，易于网络升级。预计在全光通信网中，波分复用光交换技术将会得 到广泛应用；在采用电子交换及光传输的体系中，光电及电光转换的接口并非总 是必要的，如果完全采用光技术可以避免这些昂贵的光电转换器材。而且，在全光通 信中，大多采用无源光学器件，从而降低了成本和功耗。 全光网的应用广阔。它可以提供多种业务，例如支持有线电视( c a t v ) 节目的多路 f 0 送；支持高速数据和多媒体业务的传送( 目前看来也只有它能胜任) ，包括视频工 作站、人规模数据库和多路高清晰度电视等：全光网完全支持传统数字信号业务，数 据传输速率范围从低速k b p s 至高速g b p s ，如异步转移模式( a t m ) 、局域网的互连、多 路数字电话、以太网等。 全光通信的关键技术有光器件技术、光监控技术、转发技术、交换技术、开销处 理技术、信息再生技术、光放大技术以及复合型光交换技术等。而全光通信网的实用 化，将取决于一些关键技术的进步，如光交换技术、光器件技术以及光层网络管理监 控技术等。 目日u ，世界上许多发达国家进行了研究，如欧洲r a c e 计划的a t m o s 项目和a c t s 计划的k e o p s 项目，美国d a p r a 支持的p o n d 项目和c o r d 项目，英国e r p c 支持的 w a s p n e t 项臼，同本n t t 光网络实验室的项目等。 随着光纤通信技术的发展，不久的将来定会出现实用化的全光信息处理系统，到 那时全新的光纤通信技术以及其他的光信息处理技术将会有质的飞跃。 1 4 全光通信所面对的机遇与挑战 当日，光通信技术正以超乎人们想象的速度发展，在过去的1 0 年里，光传输速率 4 海交通大学顸卜学位论文 提。岛了1 0 0 倍，预计在未来1 0 年罩还将提高1 ( ) 0 倍左右。而目前i p 业务持续的指数 式增长，对光通信的发展带来了新的机遇和挑战，一方面i p 巨大的业务量和不对称 性刺激了w d m ( 波分复用) 技术的应用和迅猛发展，另一方面i p 业务与电路交换的差 异也对基于电路交换的s d h ( 同步数字体系) 提出了挑战。光网络可以充分利用光纤 的巨大带宽资源，在光域上可进行复用、解复用、选路和交换，增加网络容量，实现 各种业务的“透明”传输，因此“光网络”和i p 的结合光因特网成了人们关注 的焦点。 全光通信发展的新趋势集中在以下几方面： ( 1 ) 兕纾粒衣? 除了过去的g 6 5 2 ( 普通光纤) 、g 6 5 3 ( 零色散位移光纤) 和g 6 5 5 ( 非零色散位移光纤) 光纤外，朗讯推出了新型的全波光纤( a 1 卜w a v ef i h e r ) ，康 宁和朗讯还分别推出了l e a f 和r s t r u ew a v e 光纤，这些新品种的光纤都具有相当的 优势。 命波光纤消除了常规光纤存1 3 8 5n m 附近l i 于0 h 根离子吸收造成的损耗峰，使 l ： l ( ) 1 6 ( ) 0n m 都趋于平坦。1 3 8 5n m 窗口衰耗j 有0 3d b 左右，色散也只是1 5 5 0r i m 色散值的一半，可以利用的波长增加了1 0 0n m 左右，波长数增加了1 2 5 个( 1 0 0g h z 削隔) 。这在不采用光放大器的城域网中有很大用处，可以传送数以百计的波长，每 个波长承载不同的业务。 l e a f 光纤大大增加了光纤的模场直径，光纤有效面积从5 5 um 2 增加到7 2um 2 ，在 相同的入纤功率时，减小了光纤的非线性效应。但l e a f 光纤的色散斜率为0 1 p s ( n m ! k m ) ，当将工作波长范围从普通的c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 5n m ) 扩展到l 波段( 1 5 6 5 1 6 2 5r i m ) 时，有可能给处于高端的通道带来较大的色散，必须采用较复杂的色散补 偿措施。 r s t r u ew a v e 最大的优点是色散斜率小，仅为0 0 4 5p s ( n m 2 k m ) ，大大低于 l e a f 的色散斜率，可以采用一个色散补偿模块对整个频带进行补偿。专为海缆应用的 t r u e w a v ex l 光纤，该光纤在1 5 5 0 1 5 6 0n m 区域有一定的色散值，以避免f w m ( 四 波混频) 现象，而且该色散值为负值，可消除调制不稳定性( m i ) 效应的积累，同时 具有较大的有效面积，可减少非线性影响，提高入纤功率。 ( 2 ) 局趱荦彳多肋州系密w d m 系统继续向高速率发展，4 0 x 2 5g b p s 产品早已商用 化。随着新光纤的敷设，基于1 0g b p s 的w d m 也成为产品的主流，比如北电推出的3 2 l o g b p s 的商用化产品并投入应用，这是目前商用化速率最高的系统。1 0 g b p s 的w d m 系统相对于2 5 g b i t x n 系统要复杂得多。首先是非线性的影响，特别是自相位调制 ( s p m ) ，在同样的功率和色散情况下，1 0g b p s 的s p m 效应要比2 5 g b p s 大得多因 此入纤功率必须严格控制，而入纤功率的限制又局限了系统的传输距离。从1 0g b p s 的色散受限距离看，目前的水平在3 6 0k m 左右，比2 5g b p s 的色散受限距离要小。 ( 3 ) 尼腭络毋绣刃胜j 目前关于光网的透明性已经有了共识，未来的光网络将由许 多本地透明的“子网”构成的，而整个光网络将o p a q u e ，即不透明网。在每一个子网 内部，信号格式是透明的，各子网通过网关相连。整个核心网将继续向光网络演化， 基t - w d m 技术的光网络成为核心网。核心网是不透明的，必须引入光电变换过程，完 成3 r ( 定时、再生、整形) 功能，去除a s e 噪声积累和色散的影响，另外可以完成波 k 转换，以更有效和灵活地建立波长路由。另外还要完成光通路某些歼销的处理，特 别是1 jo a m ( 操作维护管理) 相关的功能。 ( 4 ) o a d m 邱碜蝴：o a d m ( 光分插复用器) 可以灵活地管理带宽，目前采用o a d i 海交通人学烦i j 学位论文 的组环技术已经有了实际的应用，如c j e n a 和p i r e l i 的1 6 和3 2 波的点到点线路系 统。在省网和大城市里，采用o a d m 组环将是一个热点，当业务需求的自愈环容量越 大时，采用w d m 环就可显示出优越性，可以节省光纤并提高容量。 ( 5 ) 护0 v c fj 瀚ji p 是网络层协议，s d h 、w d m 是物理层传送技术，在两层之间 需要一个数据链路层，数据链路层负责把物理层提供的信号转换成网络层所需要的信 号，目前最流行的i p 传送技术有三种，即i po v e ra t m ，i po v e rs d h 或者i p o v e rw d m 。 i p 与a t m 的结合是面向连接的a t m 与无连接1 p 的统一，也是选路与交换的优化组合， 但其网络结构复杂，开销损失达2 5 以上。i p 与$ n i 的结合则是将i p 分组通过点到 点协议直接映射到s d h 帧，省掉了中| 1 日j 的a t m 层，从而保留了因特网的无连接特征， 简化了嘲络结构，提高了传输效率，但无优先级业务质量。i po v e rw d m 的优势在于 其臣大的带宽潜力，可以满足i p 业务巨大的带宽要求，并解决i p 业务的不对称性问 题。w d m 系统的业务透明性可以兼容不同协议的业务，实现业务会聚。依靠w d m 的高 带宽和简单的优先级方案，还可以基本解决人们所关心的服务质量( q o s ) 问题。 通过以上的讨论可以看出，全光网络的发展并不是单纯的集中在某项技术或者器 件，而是一种全方位的发展，包括了器件、系统、协议、结构和未知技术的综合发展， 广泛了解各方面的资讯，增强整体判断能力，并且深入挖掘某项前沿技术，会使我们 的研究更加充实高效、有声有色。 i 5 本研究的主要贡献 本文的研究范围集中在全光通信网中路由技术与密集波分复用解复用器件( 即 d w 嘶器件) 的研究。选择这两i 员的原因首先在于它们是作者攻读硕士期间的主要课题， 另一方面，这两个话题恰恰点到了全光网的两个主打方向，即组网技术和核心器件技 术。山于作者的学识和经验有限，不可能进行很深入的探讨，仅仅以自己科研工作和 专业摸索为主线，力图用较专业的语言来描述自己的工作成果。 本研究的主要贡献在于： 系统地分析了当今网络可用资源的配置及全光网络的结构演化： 对全光网o x c 、o a d m 的功能运用、静动态路由的实施以及r w a 问题的解决思路 提出了自己的一些看法； 对密集波分复用解复用器件的原理与光路结构进行了详细分析，有大量的图表 供以后借鉴： 提出了若干密集波分复用解复用器的实现方案与验证手段； 对i ) w d m 器件在未来全光网络的作用做了一些探索。 海交通人学硕i 学位论文 第二章网络可用资源及全光网络的结构 2 1 引言一一光网的基本可用资源 通常网络性能的优劣，最终是由实际使用的物理资源和相关支撑技术所能提供的 功能以及技术发展的水平所共同决定的。因此尢深入探讨光网可用资源与应用之前， 7 r 必要熟悉牛h 关的理论概念、部1 ，i ：和分层架构。 阁2 1 为光网络的分层结构模型，它模仿( 】s i 的七层结构，但又有沟：多针对性的 _ j ! ；i i 心路。 物理层 传输信道干层 - 光连揍干层 光层 波长信遣早层 光，波带强略予层 光纤链路千层 光扦层 光纤段早层 l 弋，一 千层 图2 1光网络的分层结构模型 在这种分层模型下，其上层结构代表基于分组或者信元交换的逻辑网络层，它包 含一个虚连接子层，该层相当于a t m 逻辑网。由于广域网w a n 的运作是基于专用的及 按需分配( 电路交换) 的全光连接，因此以广域网w a n 为例对光网络分层模型各层功 能进行描述很具有代表性。图2 2 是纯光网络的结构模型，借用此模型可以更好的说 明分层模型在实际光网中的运用。其中n a s 为n e t w o r ka c c e s ss t a t i o n ( 网络接入点) ， o n n 为o p t i c a ln e t w o r kn o d e ( 光网络节点) ，l a n 为本地局域网。 图2 2 是纯光网络的结构模型 r，l 上海交通大学硕：卜学位论文 就硬件而言，逻辑层与物理层的接口处于网络接入点n a s 的外部电端口上。接入 站n a s 的作用是中止一个全光连接，然后将其和电的终端系统相连或者将这个全光连 接继续倒换到光网络中，接入站的角色是电层和光层的边界设备，负责在外部端口上 一边的电一光接口与另一边的光接口之间传输和倒换信息。在光接口侧，每一个n a s 通过一个接入链路( a c c e s s1 j n k ) 连接到一个光网络节点o n n 上，该接入链路可包 含一对或者多对的接入光纤。光信号通过接入站上的光收发器在该接入站和通信网络 之n t j 传递通信信息。每一个节点通过一对光纤连到相邻的节点上，从而形成了节点1 日j 网络链路( i n t e r n o d a ln e t w o r kl i n k s ) 。可把描述网络链路和网络节点之问相互连 接关系的图形称为网络的物理拓扑。相应的点到点连接的模块图可参考图2 3 。 。+ 一接 链踌斗1 畸一h 埔豫哺十 - 4 9 ”e r 意、二薨当洼、一! ! 一一l lr p l 弋! 磊曩