（光学工程专业论文）roadm技术及其在城域光网络中应用的研究.pdf

南京邮i 乜人学硕l j 研究生学位论文摘要 摘要 下一代城域光网络要求边缘节点是可管理可配置的智能光节点，而r o a d m 的出现为 城域级的w d m 光网络的设计提供了新的思路，其可灵活重构的特性，使得运营商能够在 真证意义上实现智能光网络，而且它可以在波长级别提供快速的流量疏导功能，并能简化 网络的设计。 论文主要研究了r o a d m 节点结构的设计及其在城域光网络中的应用。主要完成了以 下几方面的工作： 首先对几种现有的r o a d m 节点结构设计进行了详细的讨论，并在o p t i s y s t e m 软件平 台上，建模并仿真几种常规的r o a d m 结构及多粒度多度数r o a d m 的传输性能。实验结 果表明，集成进电模块的多度数多粒度r o a d m 具有更好的物理传输性能，能够作为边缘 节点服务于城域光网络。在此基础上，论文提出了基于g m p l s 的r o a d m 技术，g m p l s 是目自，j 实现智能光网络控制平面的最佳解决方案，因此，这也是r o a d m 成为智能边缘节 点的关键技术之一。论文主要围绕了其中三个方面( 路由算法、邻居发现及标签交换) 展 丌讨论：提出了基于蚁群算法的g m p l s 分离路由策略，仿真结果表明，该算法比现有的 算法具有更好的性能；设计了控制通道发现机制用于实现完全链路识别；改进了r o a d m 多业务标签交换技术，提出了基于t e 策略的复用方式和改进的建议标签。为了实现可管 理可配置的r o a d m ，在论文的最后，设计了一种使用s n m p 协议来管理r o a d m 的网元 k 管理系统。整个设计主要包含了两方面的工作：r o a d m 的m i b 的设计；使用网络编程末 建立r o a d m 与软件系统的通信。 关键词：可重构光分插复用器 多粒度通用多协议标签交换分离路径算法 网元管理系统管理信息库 南京邮电大学硕十研究生学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t n e x tg e n e r a t i o no fm e t r oo p t i c a ln e t w o r k sr e q u i r et h ee g d en o d es h o u l db em a n a g e a b l ea n d c o n f i g u r a b l e a n dr o a d mi sj u s tt h ek e yt e c h o n o l o g yt or e a l i z et h ei n t e l l e c t i v en o d e i th a s r e a l l ye n a b l e dc a r r i e r st ot h i n ka b o u td e s i g n i n ga m e t r ow d mn e t w o r ki nan e ww a y s i n c et h e r e a r em a n ya u t o m a t i cf e a t u r e sb u i l ti nt or o a d m s ，c a r r i e r sc a np l a n ，d e s i g n ，d e p l o y , a n do p e r a t e w h a ti se s s e n t i a l l ya na g i l eo p t i c a ln e t w o r k a n di t sa r c h i t e c t u r ea l l o w sf o rr e m o t et r a f f i c p r o v i s i o n i n ga tt h ew a v e l e n g t hl e v e li nt h ee d g eo ft h em e t r oo p t i c a ln e t w o r ka n da l s os i m p l i f y t h en e t w o r kd e s i g n t h i st h e s i si sm a i n l ya b o u tt h ed e s i g n i n gt h er o a d ma n di t sa p p l i c a t i o ni n t h em e t r o o p t i c a ln e t w o r k t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： a tf i r s t ，w i t ht h ed i s c u s s i o no ft h ek i n d so fr o a d m ss t r u c t u r ed e s i g n ，w es i m u l a ta n d c o m p a r et h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h er o a d m s ，w h i c ha r es e v e r a ln o r m a lr o a d m s a n dm u l t i d g r e e m u l t i g r a n u l a r i t yr o a d m ，o nt h ep l a t f o r mo fo p t i s y s t e m t h em u l t i - d g r e e m u l t i g r a n u l a r i t yr o a d m w i t he l e c t r o n i c a lm o d u l es h o wi t sb e t t e rp e r f o r m a n c e ，a n di ta l s oc a n s u p p o r tm u l t i p l es e r v i c e so fd i f f e r e n tb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t a st h ei n t e l l e c t i v ee d g en o d e t h e n ， w ep r o p o s et h a ta n o t h e ri m p o r t a n tk e yt e c h n o l o g yf o rr o a d m t or e a l i z et h ei n t e l l e c t i v ee d g e n o d ei st h a ti ts h o u l dc o m b i n ew i t ht h eg m p l s ，w h i c hw i l lb et h eb e s ts o l u t i o nf o rc o n t r o lp l a n e i nt h ea u t o m a t i cs w i t c ho p t i c a ln e t w o r k w ed i s c u s st h ec o m b i n a t i o ni nt h r e ea r e a s ：r o u t i n g a l g o r i t h m ，n e i g h b o rd i s c o v e r i n g ，a n dl a b e ls w i t c h i n g ，a n d t h e np r e s e n td i v e r s er o u t i n g s t r a t e g y b a s e do na n ta l g o r i t h m ，c o n t r o lc h a n n e ld i s c o v e r ym e t h o d f o rt h e c o m p l e t e i d e n t i f i c a t i o no ft r a n s p a r e n tl i n k s ，a n dt h em u l t i s e r v i c el a b e ls w i t c h i n gi nr o a d mw h i c hi s m a i n l ya b o u tt h ei m p r o v e dt el i n km u l t i p l e x i n gw a y a n ds u g g e s t i o nl a b e l i ti sv e r yi m p o r t a n t t od r o v i d er o a d mar e l i a b l ee l e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ( e m s ) a tt h ee n do ft h et h e s i s ，w e d e s i g na ne m su s i n gs n m pf o rt h er o a d m t h ed e s i g ni sm a i n l ya b o u tt w oa s p e c t s ：t h e r o a d m m i bd e s i g na n dt h en e t w o r kp r o g r a m m i n gt oa c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e r o a d ma n ds o f t w a r es y s t e m k e y w o r d s ：r o a d m ，g m p l s ，m u l t i g r a n u l a r i t y , d i v e r s e r o u t i n ga l g o r i t h m ， e m s ，m i b 南京1 1 5 i 乜大学硕：i ：研究生学位论文 缩略语 3 r a p d a s o n a t o f a w g b s c d r c m i p c w d c n d w d m e m s e o t f f b g f p g f p g m p l s l m p l p t l s p m e m s m i b m s t p m z n m s o a o a d m o a m 缩略语 整形、定时、放大( r e s h a p e 、r e a m p l i f y 、r e t i m e ) 雪崩光电二极管( a v a l a n c h ep h o t od i o d e ) 自动交换光网络( a u t o m a t i cs w i t c ho p t i c a ln e t w o r k ) 声光可调谐滤波器( a c o u s t o o p t i ct u n a b l ef i l t e r ) 阵列波导光栅( a r r a y e dw a v e g u i d eg r a g i n g s ) 广播与选择( b r o a d c a s ts e l e c t i v e ) 时钟数据恢复( c l o c kd a t ar e c o v e r y ) 公共管理信息协议( c o m m o nm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 连续波( c o n t i n u o u sw a v e ) 数据通信网( d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) 密集波分复用( d e n s e w d m ) 网元管理系统( e l e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ) 电光可调滤波器( e l e c t r o n i c o p t i ct u n a b l eo p t i c a lf i l t e r s ) 光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 法御旱一珀罗( f a b r y - - p e r o t ) 通用成帧规程( g e n e r i cf r a m i n gp r o c e d u r e ) 通用多协议标签交换协议( g e n e r a l i z e dm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 链路管理协议( l i n km a n a g e m e n tp r o t o c a l ) 链路保护类型( l i n kp r o t e c tt y p e ) 标记交换路径( l a b e ls w i t c h e dp a t h ) 微机电系统( m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 管理信息库( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 多业务传送平台( m u l t i s e r v i c et r a n s p o r tp l a t f o r m ) 马赫一曾德尔( m a c h - - z e h n d e r ) 网络管理系统( n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m ) 光放大器( o p t i c a la m p l i f i e r ) 光分插复用器( o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e r ) 操作管理维护( o p e r a t i o na d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ) t i i 南京邮1 u 人学硕j j ：研究生学位论文缩略语 o b s o c m o e o o p s 0 s p f o s i o s w o t n o t u o x c p 州 p l c p l l p x c q o s r o a d m r s v p s b s s d h s l a s l m s m i s n m p s o a t m n v o a w b w d m w s s 光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h ) 光通道监视( o p t i c a lc h a n n e lm o n i t o r ) 光电光( o p t i c a le l e c t r o n i c a lo p t i c a l ) 光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h ) 开放最短路径优先( o p e ns h o r t e s tp a s sf i r s t ) 开放系统互( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 光开关( o p t i c a ls w i t c h ) 光传送网( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) 光转换单元( o p t i c a lt r a n s f o r mu n i t ) 光交叉连接( o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ) 光电二极管( p o s i t i v ei n t r i n s i c n e g a t i v e ) 平面光波线路( p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t s ) 锁相环( p h a s e l o c k e dl o o p ) 全光交叉连接( p h o t o n i cc r o s s c o n n e c t ) 服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 可重构光分插复用器( r e c o n f i g u r a b l e o a d m ) 资源预留协议( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 受激布早渊散射( s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) 同步数字传输体制( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 服务等级协定( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 单纵模激光器( s i n g l el o n g i t u d i n a lm o d e ) 管理信息结构( s t r u c t u r ef o rm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n ) 简单网络管理协议( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 半导体光放大器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ) 电信管理网( t e l e c o mm a n a g e m e n tn e t w o r k ) 光可变衰减器( v o av a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r ) 波长阻塞器( w a v e l e n g t hb l o c k ) 波分复用( 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 ) 波长选择丌关( w a v e l e n g t hs e l e c t i v es w i t c h ) i v 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：牝日期：二窒必 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：鲺导师签名：由兰日期：! 兰：三! ， 南京邮i 乜人学硕i j 研究生学位论文第一章- j 旧 1 1 研究背景 1 1 1 网络现状 第一章引言 传统的城域光网络是由固定的w d m 点对点系统构成的，在同步数字体系( s d h ) 的 网络上传输话音业务。但是随着信息技术的进步，出现了很多新增的数据业务，如i p 业务、 以太帧及数据存储业务( 如图1 1 所示) 等，这就要求城域光网络既要具备汇聚多种业务 的能力，又要在速度上与长距离骨干网匹配。但是，目前城域网底层多数采用传统s d h 作传送平台，仅仅简单地利用这种为电话业务设计的s d h 平台来传送突发数据业务，不 仅效率低下，而且一般改变带宽就意味着改变物理接1 2 1 甚至改变业务类型，这使目前的城 域光网络渐渐成为了全网的容量瓶颈。 图1 1 各种新的业务汇聚进光网络的示意幽 另一方面，, l k g - n 络的i p 化和承载网络的分组化转型已经成为一个不可逆转的潮流。 在这种趋势下，业务的融合期待着光层能够成为更加适宜于承载i p m p l s 以及电信级以 太网业务的分组传送网。 但是，基于f o a d m 组网的城域光网络无法实现真f 意义上的光n - 幺f t n ，难以满足具 有更高的动态特性和不可预测性的新型电信业务。 为了满足i p 网络的需求，基础承载网的建设逐渐采用一种以可重构分插设备 ( r o a d m ) 为代表的光层重构技术，为基础承载网的建设提供了全新的思路。 南京邮i 包人学硕i ：研究生学位论文 第辛0 l 高 百万 2 0 0 0 15 0 0 10 0 0 5 0 0 o $ 墁鳝 i 引 4 5 7 $ 7 02 谚熟i ， 。缪汹 i 誓誓蕊蛾r 2 0 0 42 0 1 0 图1 2r o a d m 未来儿年市场 有率的变化 根据o v u m r h k 发行的一份最新报告显示，全球可重构光分插复用器( r o a d m ) 设 备的销售额将从2 0 0 4 年的0 9 7 亿美元增长到2 0 1 0 年的1 5 4 5 亿美元，而f o a d m 的销售 额则将呈逐年递减的形势( 如图1 2 所示) 。 1 1 2r o a d m 技术概述 目前光传输信号的上下和交叉连接都是在电域实现的，这使得节点处的信号处理过程 成为实现高速通信系统的瓶颈。通常总的传输信号中只有2 0 3 0 需要在节点处上下，而 剩下的7 0 8 0 的光信号是没有必要在节点处转化为电信号的，而r o a d m 就是一种可以 在光域对信号直接进行处理和交换的器件。它包括了以下几个重要功能： 可以灵活动态的上下所需要的波长通道； 具有波长转换的功能； 具有功率均衡的功能： 具有波长信道监测的功能： 可对远端或本地节点进行管理； 由此可见，r o a d m 节点技术的出现为城域光网络的设计带来了新的思路和解决方案。 1 1 3 几种现有的r o a d m 部署方案。 1 ) c i e n a 公司提出的混合解决方案 节点的交换业务能力可以分为两个级别：光域级别，可以提供低成本的直通信号和交 换，及高的带宽颗粒；电域级别，可以提供低成本的单波长通道共享和低的带宽颗粒。 因此，c i e n a 提出一种混合模式的解决方案，融合两者的特长，从而能够提供从低带 宽需求到高带宽需求的灵活支配。这种混合结构的r o a d m 同样支持光通道监测的管理和 客户服务等级协定( s l a ) 。同时在o t n 平面上为客户层的服务( 如s d h 、g b i t 以太网) 2 南京邮电人学硕卜研究生学位论文第一章引高 提供支撑，因为它可以对不同服务等级进行区分，还可以在不同波长颗粒的业务上支持 o a m 。 2 ) c i s c o 提出的大容量方案 c i s c o 则更关注r o a d m 在大容量通信上的表现，这是实现r o a d m 技术的另一种途 径，因为传统的基于w b 的r o a d m 己因为其低容量和高成本而无法适应超长距离通信， 因此，c i s c o 提出了基于p l c 技术的集成型r o a d m ，并将这种技术与其他的r o a d m 作 了比较( 如表1 1 所示) ，在这其中c i s c o 更看重p l c r o a d m 的每波长低廉的成本。 表1 1 3 ) m e r i t o n 更看重w s s 型r o a d m 的优势 m e r i t o n 更看重w s s 型r o a d m 所具有的多度数能力，它相信未来的光网络会因为 w s s 型r o a d m 的部署而变得更为灵活。m e r i t o n 公司最新研制的w s s 型r o a d m 是由 一组内建的光开关组成，它可以支持多波长在任意端口的上下，同时还能在全波长上提供 自动功率均衡和光功率监测，而且它对端口颜色不敏感，并能够支持动态波长管理和模块 化设计。 1 2 研究内容 智能光网络( a s o n ) 很可能成为城域光网络的下一个发展方向。按照i t u t ( 3 8 0 8 0 建议，a s o n 分为传送平面、控制平面和管理平面。与传统网络不同，a s o n 增加了一个 新的层面一一控制平面，并相应地在控制平面中引入了选路、信令和链路管理等机制，以 实现带宽自动管理。a s o n 概念的提出，使传输、交换和数据网络结合在一起，实现了真 正意义上的路由设置、端到端业务调度和网络自动恢复。a s o n 管理平面实施对传送平面、 控制平面以及数据通信网( d c n ) 的管理功能。控制平面、传送平面和d c n 将各自发生 的事件、告警、性能等管理信息上报给管理平面，由管理平面来确保所有平面之问的协同 工作。 因此，本文对于r o a d m 的研究，主要从这三个层次展开，分别为： 南京邮l 乜火学f i | i | 十研究生学位论文 第一章引高 r o a d m 物理节点技术 使r o a d m 具有光控制平面 使r o a d m 具有光管理平面 1 3 论文的要点 从1 1 和1 2 节的分析可以知道，本文对于r o a d m 的讨论将主要从节点技术、控制 平面和管理平面三个方面展开，分别提出了如下的解决方案，并对此进行了深入研究。 1 3 1 集成进电交叉模块 引入电交叉模块后，r o a d m 能够在光传输平面处理的业务颗粒就可以进一步细分。 而且，产生的控制信号会反馈给网元管理系统，这可以用于实现未来光突发交换网控制信 道的功能。这不但能使现阶段的光网络能平滑的向下一代网络过渡，还可以减少因设备更 换产生的损失。 此外，电模块的集成对于新增的接口引入也有优势，比如考虑到无线局域网的发展， 设置在网络边缘的r o a d m 可以在电模块内增加无线收发模块。 因此有必要研究集成进电模块后的r o a d m 在光传输性能方面的特点。 1 3 2 与g m p l s 控制平面相结合 本文研究的r o a d m 节点具有多个接e l ( 光纤接1 3 ，波长接口，电信号接口) ，可以 支持多种业务的连接请求，因此相应的控制平面也需要具备支持多种接口的能力。而为了 适应未来的o b s 网络，r o a d m 也需要配置合理的控制平面，用以实现自动邻居发现，并 支持多种信令协议( 如：资源预留协议( r s v p - - t e ) 等) 。 控制平面的核心是利用信令实现端到端自动连接的建立。目前i t u 已经定义了光传送 网( o t n ) 的接口层面，引入了基于g m p l s 的r o a d m 技术，可以使端到端的波长路出 自动建立，并支持多种业务级别( s l a ) 的传输。因此，论文选用g m p l s 作为r o a d m 在光控制平面的信令协议，主要探讨r o a d m 如何改进来支持g m p l s 。 1 3 3 具有网元管理系统 管理平面通过网络管理接口管理传送平面和控制平面，通过结合控制模块的链路管理 协议协同完成对d c n 的管理。管理平面的主要功能是建立、确认和监视光通道，并在需 要时对其进行保护和恢复。它主要面向网络运营者，侧重于对网络运营情况的掌握和网络 4 南京邮电人学硕七研究生学位论文 第一章引高 资源的优化配置。 基于管理平面的r o a d m 是目前的一个研究热点，设计和实现r o a d m 网元管理系统 是其中的一个关键技术，论文将对此作深入的研究。 综上所述，论文研究的r o a d m 可以功能化为如图1 3 所示的光节点。 1 4 论文的结构 光 纤 入 w d m 信弓 一光纤 波长信号 了波 ：信弓 专控制信号 一w d m 信号 上光纤 网元管理系统模块 光纤交换 矩阵模块 光 纤 出 控制信几 w d m 信号 波长交换矩阵 模块 电域交换 控制模块 上卜波长上f 子波信号 卜光纤 图1 3r o a d m 节点功能结构图 本文将围绕1 3 节提出的三个问题，展开对r o a d m 技术及其在城域光网络中的应用 的研究，全文共分为四章。 第二章r o a d m 节点技术，本章首先研究了r o a d m 的器件结构，包括o a d m 、o t u 的种类、结构及最新发展方向；然后，探讨了r o a d m 的一些重要模块的设计，包括可重 构分插模块、o t u 模块、自动功率均衡模块和多度数模块；最后，在o p t i s y s t e m 平台上， 仿真了几种常规的r o a d m 节点结构的传输性能，并与本文提出的多度数多粒度r o a d m 的传输性能作了比较。 第三章基于g m p l s 的r o a d m 技术，本章首先介绍了g m p l s 在a s o n 中的应用， 然后讨论了目日玎r o a d m 应该如何充分利用g m p l s 控制平面，提出了基于g m p l s 的 脊 南京i i i g 电a 学硕士研究生学位论文第章0 l 高 r o a d m 技术。接着围绕实现这一技术的三个主要难点- - - - - - g m p l s 寻径算法、自动邻居 发现和多协议标签交换展开了讨论，提出了相应的改进策略。 第四章r o a d m 网元管理系统，本章首先讨论了光网络管理和简单网络管理协议的基 本概念和原理。然后提出了该网元管理系统的实现方案基于s n m p 协议的网元管理软 件的实现，并设计了r o a d m 网元管理系统的代理端和用户界面，最后仿真了代理与本机 的基本通信操作。 6 南京邮电人学硕卜研究生学位论文 第一二章r o a d m 节点技术 第二章r o a d m 节点技术 2 i 光分插复用器( o a d m ) 2 1 1o a d m 技术简述 传统的s d h 网络主要采用的分插复用设备( a d m ) 是需要光电光转换( o e o ) 的， 当我们在物理层采用w d m 设备后，单根光纤就要承载多个波长的光信号。如果还对每个 波长进行o e o 的处理，那么就会使设备变得冗余并且成本也将增加，因此出现了能够在 光域管理波长的光分插复用器( o a d m ) 。o a d m 的基本功能是在传输的光路中上下波长 信道，同时不影响其他波长信道的传输，如图2 1 所示。波长交换这个过程是在光域中进 行的，从而简化了原有使用a d m 的w d m 系统的结构和成本。 上波长f 波长 图2 i 光分插复州器原理 从功能上分，o a d m 可以分为固定光分插复用器( f o a d m ) 和可重构光分插复用器 ( r o a d m ) 。f o a d m 每个端口可上下的波长数和波长值都是固定不可变的。而r o a d m 可以灵活的上下需要的波长信道，从而可以对波长进行动态交换和管理。 本文将o a d m 的结构分为两大类：第一类为完全解复用w d m 信号后对各个波长进 行处理的o a d m ，简称为解复用型o a d m ( 如图2 2 所示) ，这类器件最主要的特征是需 要用到波分复用及解复用器；第二类为仅解复用出需要处理的波长的o a d m ，简称为滤波 型o a d m ( 如图2 3 所示) ，这类器件的主要特征是需要用到光滤波器。 a d d d r o p 图2 2 解复刖型o a d m 号 码为 图2 3 滤波型o a d m 南京邮j u 人学硕f ：研究生学位论文第一二章r o a d m 节点技术 2 1 2 波分复用解复用器 1 ) 体型 这类波分复用解复用器通常有光栅、棱镜等，它可以将波长之差转化为传播方向之差 ( 如图2 4 ( a ) 和图2 4 ( b ) 所示) 。其中，光栅是对不同波长光的衍射角不同而将多波长 信号解复用，棱镜是对不同波长光的折射角不同而将多波长信号解复用的。 k 4 一 九3 一 地一 九l 一 九1 一九4 - 九l 九2 k 3 ( a ) 光栅( b ) 棱镜 幽2 4 体型波分复川解复川器 2 ) 光纤型 这类波分解复用器包括有熔接光纤耦合器、带干涉仪的光纤( 如图2 5 ( a ) 和( b ) 所 示) 等，这类器件都需要用到光纤耦合器，对于图2 5 ( a ) 所示的光纤耦合器( c 端口不 注入光功率) ，输出端的功率p l 、p 2 可表示为： 鼻：p oc o s 2 ( k l ) ( 2 1 ) 最= 异s i n 2 ( 也) ( 2 2 ) 式中，k 为光耦合器的耦合系数，它取决于波导的结构，如纤芯间的距离、纤芯的形 状及折射率分布等。 九1 ( a ) 熔接型光纤耦合器 ( b ) 干涉删仪型光纤 幽2 5 光纤删波分复川解复川器 熔接型光纤耦合器的耦合系数k 不同于普通耦合器，普通耦合器的k 值在某一波长范 围内是一个常数，而熔接型光纤耦合器的耦合系数k 随波长九而变化，可表示为九的函数 k ( 九) ，因而输出的光功率p 1 、p 2 可表示为： 只( 彳) = 咒c o s2 ( 1k ( 2 ) il ) ( 2 3 ) 墨( 旯) = rs i n ! ( i 七( 五) j ) ( 2 4 ) 当九= 九1 时，k ( 九1 ) l = 2 n n + n 2 ：当九= 九2 时，k ( l 2 ) l = 2 7 t m + n 2 ，式中m 、i 1 都为整数，那 r 南京邮屯大学顾。卜研究生学位论文第二章r o a d m 节点技术 么当九= 九1 时，p l ( 九) = o ，p 2 ( 九) = p o ；当九= 九2 时，p i ( e ) - - - p o ，p 2 ( x ) = o 。从而实现波分解复用， 当需要对多个波长进行复用和解复用时，可以采用多层级联型结构( 如图2 6 所示) 。 九1 九2 九3 x 4 幽2 6 多层级联的光纤型复川解复川器 带干涉仪的光纤包含了两个普通耦合器和一个m z 干涉仪( 如图2 5 ( b ) 所示) ，光 纤长度差l 决定了相位差： 。 矽= 2 万等 ( 2 5 ) 有相位差的两个光波在第二个耦合器的位置发生干涉，从而实现解复用。 3 ) 波导型 这类波分复用解复用器的典型结构如图2 7 所示，称为平板阵列波导光栅( a w g ， a r r a y e dw a v e g u i d eg r a g i n g s ) 结构。这种器件由n 个输入波导、n 个输出波导、两个n n 的平板波导星型耦合器以及一个平板阵列波导光栅组成，光栅相邻波导i 日j 具有恒定的光 程差l 。 八i 1 板波导 九1 输出 图2 7由阵列波导光栅和星型耦合器组成的夏刖解夏川器 从图2 7 可以看到，输入光从第一个平板波导中输入，该波导把光功率平均分配到波 导阵列中，由于波导中的光程差，因而产生波束间的相位差，经第二个平板波导发生干涉， 经过合理的设计，可以使不同的波长出现在不同的波导出口，实现波分解复用。波分复用 即是其逆过程。 2 1 3 滤波器 1 ) 法御罩珀罗( f a b r y - - p e r o t ) 滤波器 图2 8 ( a ) 是f p 滤波器的标准具的结构简图，从图中可以看到，入射光穿过腔体， 9 南京邮电人学颂i ：研究生学位论文 第二章r o a d m 节点技术 ? = 一a 们 、l 面镜 入射光 _ - - 山射光 - - - ( a ) f p 干涉滤波器标准具 光 图2 8f p 干涉滤波器的基本原理和光纤型f p 干涉滤波器的结构 图2 8 ( b ) 为光纤型可调谐f p 滤波器，从图中可以看到，它将反射镜直接设置在光 纤两端，从而形成共振腔，并利用一个压电控制器，实现对整个器件的调节，从而达到可 调谐滤波的目的。 此外，随着d w d m 的出现，单个光纤内承载的波长数也大大增加，所以必须提高滤 波器的锐度，目前可行的方法就是通过多个f p 标准具级联，来锐化滤波器的传输函数。 2 ) 马赫一曾德尔( m a c h - z e h n d e r ) 滤波器 单阶m z 干涉滤波器的结构如图2 9 所示。在输入端，通过一个3 d b 耦合器将多波长 信号分成两个相等的部分，两束光分别经过不同的光程，在输出端的3 d b 耦合器内发生干 涉，不同波长的光去向不同的输出端。m z i 滤波器与f p i 滤波器最大的区别就在于m z i 滤波器引入了两束光的干涉，而f p i 滤波器是多次重复反射光的干涉。 出 幽2 9 单阶m z 干涉滤波器的结构 图2 1 0电光可凋喈滤波器i ：作原理 l o 南京邮电人学硕十：研究生学位论文 第二章r o a d m 节点技术 3 ) 电光类 电光可调滤波器( e o t f ) 的工作原理如图2 1 0 所示，首先多波长信号经第一个偏振 态分离器后分成了两个正交偏振态，并进入谐振结构，电信号施加在该谐振结构上产生电 光效应，可形成光栅，从而对可以改变相位匹配波长的偏振态，使其在通过第二个偏振态 分离器后与其他波长分离。这类滤波器具有调节速度快，可调谐通道数多等优点。 4 ) 声光类 这类滤波器的工作原理基本与电光可调谐滤波器相同。不同的是，这类滤波器的光栅 是由声波动态产生的，而声波又是由施加在压电晶体上的射频信号产生的。因此，滤波器 称为声光可调谐光滤波器( a o t f ) 。这类滤波器的缺点是调节时间长。 5 ) 半导体基底类 这类滤波器主要利用了单纵模激光器( s l m ) 内部包含有一个或多个布拉格光栅的平 面波导。当低于阈值工作时，可作为谐振放大器选择匹配波长，并通过改变注入电流的大 小来实现可调谐滤波。这类半导体基底型滤波器的主要优点就是它可以集成进使用相同半 导体材料的其他光电器件，而且它的调谐速度也很快，约为几个n s ，其缺点是调节范围有 限，并对偏振极为敏感。 6 ) 光纤一布罩渊散射型 所谓布罩渊散射就是指由于光纤材料密度的周期性变化，一个以光速传播频率为f 的 光子会产生一个沿相反方向以声速传播的光子，称为s t o k e 光子，其频率比f 低1 0 g h z 。 布早渊散射根据产生的不同( 可以自发或受激) ，又分为自发布旱渊散射和受激布早渊散 射( s b s ) 。 这类可调谐滤波器就是利用了单模光纤内的受激御罩渊散射( s b s ) 来对波长进行选 择性放大。主要工作原理是，从光纤一端注入一个泵浦光，其方向与w d m 信号方向相反， 只要泵浦光功率足够大，相干长度足够长，就可以对w d m 的某个波长进行选择性放大。 7 ) 薄膜滤波型 入射 图2 1 1多层薄膜型滤波器 毳嚣簇 输 九l k 2 幽2 1 2 光纤布拉格光栅席心 南京邮f u 人学颁i j 研究生学位论文第一二章r o a d m 节点技术 如图2 1 1 所示为多层薄膜型滤波器结构，层数越多选择出的波带越窄，它的缺点是不 可调谐。 8 ) 光纤光栅型 在光纤光栅型滤波器中，光纤内的折射率呈周期性起伏形成光栅，从而具有波长选择 特型。目前应用的比较多的是光纤布拉格光栅( f b g ) ，它利用光折变效应，使光纤的折射 率周期性改变形成光栅。图2 1 2 为利用f b g 设计的一种比较简单的光滤波器。首先，w d m 光信号从环形器l 端口输入，并从2 端口输出到f b g ，f b g 反射其中的匹配波长，这样下 路光信号被反射进环形器端3 ，从而实现波长的下路；另一方面，未被反射的其余波长输 入到第二个环形器的端1 ，由端口2 进入的上路波长信号一同从端口3 输出，从而实现了 波长的上路。一般而言，这类光栅也是一种固定光滤波器，不过，也可以通过压电陶瓷或 温度变化等方法使光纤光栅可调谐。 2 1 4 波长阻塞器 波长阻塞器( w b ) ，是一种能够实现频谱内若干波长信道阻断或衰减的光模块。图2 1 3 为j d s u 公司的w b 实现结构，它主要通过利用液晶衰减阵列( 即图中的d g ) 来控制波 长信号的直通或阻塞。如果要完成对波长的上下路操作还要配合可调谐滤波器使用，如图 2 1 4 所示为w b 的应用结构。 输 九l 九2 沁 。= = ；谚 - i ， 幽2 1 3w b 实现结构 2 2 波长转发器( o t u ) 上路波k下路波长 幽2 1 4w b 的戍刚结构 波长转发器( o t u ) 的作用是将波分复用终端或从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i t u y 规定的标准波长上然后插入到光耦合器中，以满 足系统的波长兼容性，从而实现动态可重构的网络节点。转发器还可以用作一个定界设备， 通过提供网络工作状态信号( “k e e pa l i v e ”s i g n a l ) 和测试能力来确保网络的完整性。目i 玎 在光网络中使用的o t u 有光电光型和全光型两种。 南京邮f u 人学颂i j 研究生学位论文第一二章r o a d m 节点投术 2 2 1 。t u 的分类 2 。2 。1 1 光电光型o t u 光电光型的o t u 是先通过p i n 或者a p d 将光信号转换成电信号，经过整形定时再 生( 3 r ) 后，再用该电信号对标准波长的激光器重新进行调制，从而获褥新的符合要求的 标准光波长信号。这类的o t u 既可以传输s d h 业务，也可以传送数据业务。图2 1 5 为 一个典型的光电光型o t u 的结构图。 图2 1 5 光电光型o t u 结构图 由于光信号在中闻阶段瞥被转化为电信号，所戬除了执行波长转换外，当网络的某一 点信号质量劣化时它还可承担信号的再生功能。出于电信号的参与使得电的转发器还可提 供另个重要功能执行_ 丌销处理。 2 2 1 2 全光型o t u 全光o t u 的主要特点是直接通过光电效应和无源光器件把光信号在光域从菲标准波 长转换到标准波长，因而它对信号格式和调制速率是透明的，并且变换速率高