（通信与信息系统专业论文）wdm光网络技术及路由算法的研究.pdf

论文题目：w d m 光网络技术及路由算法的研究 专业：通信与信息系统 硕士生：赵学军 指导教师：王亚民 摘要 ( 签名)蛰鲎至 ( 签名) 蒸丑苤么 随着i p 业务井喷式的爆发，现在的宽带容量越来越面临巨大的压力。网络容量必 须跟上这一要求，而w d m 技术恰好能利用光纤的巨大带宽，满足这一要求，并能极大 降低传输数字信号的代价。这使的w d m 网络成为现代通信技术中比较吸引人们的技 术。w d m 全光通信网以其良好的性能越来越受重视。可以预见在不久的将来，w d m 全光网络将得到极大的应用。w d m 光网络离不开光电器件，本篇论文研究了光电器件 中的光放大光放大部分。通过稀土能级的稳态族粒子数研究，建立了光在其掺杂放大器 中的传播模型，基于y b e r 速率方程和传输方程，分析了高浓度稀土元素对集成光学 y b e r 玻璃放大的负面效应和抑制策略，同质c e t 导致离子观察寿命的减少，有时同时 伴有光发射。异质c e t 导致的群效应，增加了各种能量的损耗，减少了最大可用增益， 极大的影响放大器的特性，降低了器件的全面效率。研究结果对器件的设计和制作工艺 具有指导意义。波长变换技术是近几年来研究的热点，本文从网络的传输、性能、管理 等方面分析它对网络的影响。对r w a 问题人们研究以久，本文从网络负载均衡问题出 发，引进f j 算法，它既能减少网络阻塞率，又能合理分配网络资源，并从着一角度出 发，提出对权重的修改意见。文章最后对w d m 全光网络的情景做了一个美好的展望。 关键字：全光网络；稀土元素；波长路由；算法：戴克斯特拉算法 研究类型：应用研究 s u b j e c t：s t u d yo fw d m n e t w o r k st e c h n o l o g ya n dw a v e l e n g t hr o u t h e d a l g o r i t h m s s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e：z h a ox u e j u n i n s t r u c t o r ：w a n gy a m i n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) 幽塑竺知 a st h ec u r r e n tn e t w o r kb a n d w i t hi se x a u s t i n g ，t h en e t w o r kc a p a c i t ym u s tb ee x p a n d e dt o m e e tt h ei n c r e a s i n gb a n d w i d t hd e m a n do fi ps e r v i c e s 。b e c a u s et h ew d mt e c t m o l o g yc a n f u l l yu t i l i z et h ee n o r m o u sb a n d w i t ho ft h eo p t i c a lf i b e r ，t h ec o s tf o rt r a n s f e r r i n gd a t ac a nb e g r e a t l yd e c r e a s e d 。t h i se n a b l e sw d mt e c h n o l o g yt ob et h em o s ta t t r a c t a b l et e c h n o l o g yi n w i d eb a c k b o n en e t w o r k 。w d ma 1 1 o p t i c a ln e t w o r kc a nm e e tt h en e e do fm o d e mn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nw i t hg o o dp e r f o r m a n c e 。o p t i c a ld e v i c e sa r ei m p o r t a n tt ow d mn e t w o r k ，t h i s p a p e re s p a c i l l y f o c u so nt h ea m p l i f e r 。w i t ht h er e s e a r c ho fp o p u l a t i o no fe q u i l i b r i u m c o n d i t i o nc l u s t e ro fr a r e e a r t hn e n e r g yl e v e l ，w ec r e a t et h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o nt e m p l a t ei n d o p e da m p l i f i e r s a c c o r d i n gt o t h er a t ee q u a t i o na n dt r a n s m i s s i o ne q u a t i o no fy d er ，w e a n a l y z eh i g hc h r o m ar a r e e a r t he l e m e n t se f f e c tt oi n t e r a t e do p t i c sy d e rg l a s sa m p l i f i e r sa n d t h et a c t i c so fc h e c k h o m o c e tr e s u l t i nt h ed e c r e a s eo fi o no b s e r v i n gl o n g e v i t y , g o i n gw i t h o p t i c a le m i s s i o n h e t e r c e tr e s u l ti ng r o u pe f f e c t i ti n c r e a s ee a c hk i n do fl o s so fe n e r g y , a n d d e c r e a s et h em o s tu s eo fg a i n i ta f f e c tt h ea m p l i f i e r s c h a r a c t e r i s t i c sg r e a t l y , a n dd e c r e a s et h e c o m p l e t ee f f i c i e n c y i ti n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yo fw a v e l e n t h ，e s p a c i a l l ys p e c i f i e st h e i n f l u e n c eo f w a v e l e n g t h 。r w a h a sb e e nap r o b l e mv e r yl o n g ，w ec a nf i n dm a n yw a y si ni t ， t h ep a p e rg i v eu san e ww a y ，i tc a nb ee m p l o y e dt od i s t r i b u t et h eh a r d w a r er e s o r u s eo ft h e n e t w o r k se f f e c t i v e l ya n dt or e d u c e dt h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t yp r o b l e m ，w h i c hw a sn a m e df j a l g o r i t h b yu s i n ga l t e r n a t i v er o u t i n gm e t h o dw i t ha d a p t i v ee l e m e n t ，t h en e wd y n a m i cr w a a l g o r i t t u ng u a r a n t e e sl o wb l o c k i n gp r o b a b i l i t ya n dh i g ht o l e r a n c eo ft h en e t w o r km i s t a k e s 。i n t h el a s t ，t h i sp a p e rg i v eu sag o o df u t u r eo f w d m 。 k e yw o r d s ：a 1 1 o p t i c a ln e t w o r k s r a r e e a r t h s w a v e l e n g t hr o u t i n g r w a d i j k s t r a s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 压要科技大肇 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：证鸶l 覃日期：2 ”占、4 2 $ 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：拯f 聋【年指导教师签名：三溉 h 即l f 年厶月日 1 绪论 l 绪论 1 1 选题的背景 1 1 1 全光通信网的提出 随着社会经济的发展，人们对信息的需求急剧增加，信息量呈指数增长，仅i n t e r n e t 用户需要传送的信息比特速率每年就提高8 倍通信业务需求的迅速增长，对通信容量提 出了越来越高的要求。光纤近3 0 t h z 的巨大潜在带宽容量，使光纤通信成为支撑通信业 务量增长最重要的技术。 通信网传输容量的增加，也促进了光纤通信技术的发展。光的复用技术，如波分复 用( w d m ) 、时分复用( t d m ) 和空分复用( s d m ) ”j 正越来越受到人们的重视。但在上述技 术为基础的现有通信网中，网络的各个节点要完成光电( 或电光) 的转换，其中电子器 件在适应高速、大容量的需求方面，存在着诸如带宽受限、时钟偏移、严重串话及高功 耗等缺点，由此产生了通信网中的“电子瓶颈”现象。为了解决这一问题，人们提出了 全光网( a o n ) 概念。 从原理上讲，所谓全光网就是网络中直到端用户节点之间的信号通道保持光的形 式，即端到端的完全光路，中间没有电转换介入。数据从源节点到目的节点的传输过程 都在光域内进行，而在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连 接设备( o x c ) 。在全光网中，没有光电转换的障碍，所以允许存在各种不同的协议和编 码形式，信息传输具有透明性。 1 1 2 全光通信网的优点及目前发展状况 基于波分复用的全光通信网与传统电信网相比，具有更大的通信容量，并具备更强 的可管理性、灵活性、和透明性。其优势可概括为： ( 1 ) a o n 通过波长选择器来实现路由选择，即以波长来选择路由，对传输码率、数 据格式、以及调制方式均具有透明性，可以提供多种协议业务和不受限制的端一端业务。 透明性是指在从源地址到目的地址的传输过程中，网络中的信息不受任何干涉。由于全 光网中信号的传输全在光域中进行，信号速率与格式等仅受限于接收端和发射端，因此 全光网对信号是透明的。 ( 2 ) a o n 不仅支持现有的通信网，而且还支持未来的宽带综合业务数字网以及网络 升级。 ( 3 ) a o n 具备可扩展性，添加新的网络节点时，不影响原有网络结构和设备，降低 西安科技大学硕士学位论天 了网络成本。 ( 4 ) 可根据通信业务量需求，动态地改变网络结构，充分利用网络资源，具有网络的 可重组性。 ( 5 ) a o n 结构简单，端一端采用透明光通路连接，沿途没有变换和存储，网中许多 光器件都是无源的，可靠性高，可维护性好。 由于全光网具有上述优点，因此成为宽带通信网的未来发展目标。全光通信网是通 信网发展的目标，这一目标的实现分两个阶段完成。 ( 1 ) a o n 传送网在点一点光纤传输系统中，整条线路中间不需要作任何光电和电光 转换。这种完全靠光波沿光纤传播的长距离传输，称之为发端与收端间的点一点全光传 输。在整个光纤通信网中，任一用户地点与其它用户地点间实现全光传输，就形成全光 传送网。 ( 2 ) 完整的a o n 完成了用户问全程光传送后，不少信号处理、储存、交换，以及多 路复用分接、进网出网等功能都要通过光子技术来完成，整个通信网将由光实现传输 以外的许多重要功能，如完成端一端的光传输、交换和处理等，这就形成了全光网发展 的第二阶段，即更完整的全光网。完成端一端的光传输、交换和处理等，这就形成了全 光网发展的第二阶段，即更完整的全光网。 现阶段a o n 网的研究与试验显然阻w d m 技术为核心，即主要对波分复用传输、 交换和联网技术进行研究与试验，构成w d m 全光通信试验网。在传输方面，e d f a 加 w d m ，再加上光纤色散补偿技术是走向全光通信网的合理途径。全光放大的w d m 技 术已经成熟，并已投入商用。在交换技术方面，波长路由选择的引人使w d m 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，易于升级。预计在全光通信网中，w d m 光交换技术将会得到广泛应 用。 在联网技术方面，近几年w d m 传输技术已经进人实用化和商用阶段，许多国家已 经开始利用w d m 技术与现有的和即将铺设的光纤联网，进行全光通信网试验，以寻求 一种具有透明性、可扩性、和可重构性全光通信网的全亟解决方案，为实现未来克服了 电子交换瓶颈现象，且结构简单灵活，易于升级。预计在全光通信网中，w d m 光交换 技术将会得到广泛应用。 在跃网技术方面，近几年w d m 传输技术已经迷人实用化和商用阶段，许多国家已 经开始利用w d m 技术与现有的和即将铺设的光纤联网，进行a o n 通信网试验，以寻 求种具有透明性、可扩性、和可重构性全光通信网的全面解决方案，为实现未来的宽 带通信网奠定坚实基础。 1 绪论 1 2 课题的提出 w d m 实质上是光域的频分复用，充分利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源( 约 2 0 0 r i m ，即2 5 t h z ) ，根据每一信道光波的频率( 或波长) 不同可以将光纤的低损耗窗口划 分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器将不同规定波长的 信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输，在接收端再由波分解复用器将这些不同波 长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独 立，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。多路光信号在传输的过程中还可 能经历光放大、色散补偿以及光纤非线性效应抑制等。目前实用的光纤通信系统都是强 度调制直接检测系统统。图1 1 给出了其系统组成。目前的w d m 系统在每个波长信道 上是2 5 g b s 或更高速率的s d h 数字系统。w d m 技术的主要特点：可以充分利用光纤的 幽1 1w d m 波分复用系统 巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍：由于同一光纤 中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信 号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及p d h 信号和s d h 信号的综合与分离； 信道对信号速率、信号格式、调制方式透明；在网络扩充和发展中，w d m 是理想的扩 容手段，也是引入宽带新业务( 例如c a t vh d t v 和b i s d n 等) 的方便手段，增加一个 附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量；利用w d m 技术选路来实现网络交换和 恢复，从而可能实现未来透明的、具有动态指配带宽功能和高度生存性的光网络：e d f a 的应用可以大大减少长途骨干传输系统电中继器的数量，从而减少传输成本。 w d m 技术不仅可以实现高速率、大容量、长距离传输，还是实现光波长通道层联 网的基础。为了有更多数量的光波长进行联网而获得更多的网络资源，w d m 朝着更能 充分利用光纤传输带宽的d w d m 发展。 目前限制w d m 全光网络有以下几方面，许多光电器件还不成熟，例如光放大技术、 波长变换技术、光开关技术等，对于路由算法，人们己经提出许多算法，但每一种方法 都有其局限性。 1 3 目前w d m 的研发进展及展望 总的看来单路路波的传输速率是有上限的主要受限于集成电路硅材料和稼砷材料 西安科技大学硕士学位论文 的电子迁移率，其次还受限于传输媒质的色散和极化模色散，最后还受限于所开发系统 的性能价格比是否合算，是否有商用经济价值。因而唯一现实的进一步扩容出路是转向光 的复用方式。光复用方式有很多种，但目前只有w d m 方式已进入大规模商用阶段 光通信专家组在几年前就敏锐地看到了这一大方向。一致认为大容量波分复用系统 代表了今后光通信领域的主流技术发展方向，将其列为本专业领域的主攻方向。集中资 金连续高强度地支持了8 x 2 5 g b i t s s d h 波分复用试验系统和1 6 x l o g b i “s s d h 波分复用 系统两个重大课题，近来又将攻关目标提高到3 2 x 1 0 g b i t s 系统。在短短几年时间将光 纤传输容量提高了t 2 8 倍，不仅使我国在w d m 这一高新技术领域在世界上，占据了一 席之地，而且一度使我国在该领域的实用化水平与世界发达国家先进水平的差距缩短至 几年左右，成为我国通信领域中与世界先进水平差距最小的领域，更重要的是该项成果 在课题中被大力支持并迅速转换为生产力，形成产品，开始现场试验和应用。在”8 6 3 ” 的带动和指引下，从9 0 年代后期我国民族工业自主研制生产的3 2 x 2 5 g b i t ss d h 波分 复用系统已经开始大规模装备我国的电信网络，我国s d h 网的规模已经跃居世界第二。 当然由于我国整体技术基础较弱科研投入不足特别是对w d m 及其后续技术在我 国整体电信技术发展战略的关键地位认识不足。未能从国家高度和产业上给以重点扶 植。近一年来我国w d m 技术整体水平与世界前沿水平的差距有扩大的趋向。 1 4 本文的工作及意义 本文的工作主要在三个方面：1 阐述了当令先进的光网络器件，深入探讨了光网络中 的光放大技术。2 介绍现在比较常见的波长变换器，分析了它对网络的影响。3 对于光网 络中的路由算法进行了综述，提出了对路由权重系数的修正，提出了新的思路并进行了仿 真。 这三个方面都有其现实意义，第一个问题对于光电器件中的光放大部分制造工艺具 有参考价值：第二个问题一直是近几年研究的热点，因为它对于实现全光网络关键技术 之一。第三个涉及到全面优化网络，提高网络性能。 1 5 论文的主要工作和内容安排 在光电器件中，光放大技术和波长变换技术是关键器件之一，本文在光放大方面全面 分析了高浓度微量元素对对玻璃放大器负面效应的影响，对制造工艺有参考的价值。在波 长变换方面，本文主要分析了波长变换对现在光网络的影响，在光网络路由方面，本文提出 了对路由权重系数的修正意见。主要工作如下： ( 1 ) 介绍了现在光网络的一些关键器件，特别是进几年最新出现的光电器件，重点谈 了光纤方面和光放大方面。 ( 2 ) 对当今的组网技术做了概述，介绍了网络的物理拓扑和逻辑拓扑。 i 绪论 ( 3 ) 对现在比较常见的波长变换器进行了分类，对网络影响做探讨。 ( 4 ) 现在的波长路由算法做分析，提出对权重修改的自己的看法。 ( 5 ) w d m 光网络的未来发展趋势。 西安科技大学硕士学位论文 2 。1 光纤器件 2 1 1 常用光纤 2w d m 光网络关键器件 常用光纤包括g 6 5 2 光纤( 即i t ug 6 5 2 光纤) ，g 6 5 3 光纤( 即i t ug 6 5 3 光纤，色散位 移光纤) 和g 6 5 5 非零色散位移光纤。g 6 5 2 光纤在是在1 3 l o n m 性能最佳的单模光纤， 而在c 波段1 5 3 0 1 5 6 5 n m 和l 波段1 5 6 5 1 6 2 5 n m 的色散较大，般为1 7 2 2 p s ( n m k m ) ，系统速率达到2 5 g b w s 以上时，需要进行色散补偿，在i o g b i f f s 时系统 色散补偿成本较大，它是目前传输网中敷设最为普遍的一种光纤。 g 6 5 3 色散位移光纤在c 波段和l 波段的色散一般为1 3 5 p s ( r m l k m ) ，在1 5 5 0 n m 是零色散，系统速率可达到2 0 g b i t s 和4 0 g b i t s ，是单波长超长距离传输的最佳光纤。 但是，由于其零色散的特性，在采用d w d m 扩容时，会产生四波混频f w m 效应，导 致信号串扰，因此不适合采用d w d m 。 g 6 5 5 非零色散位移光纤在c 波段的色散为1 6 p s ( n m k m ) ，在l 波段的色散一般 为6 1 0 p s ( n m k m ) ，色散较小，避开了零色散区，既抑制了四波混频f w m ，可采用 d w d m 扩容，也可以开通高速系统。l u c e n t 公司和康宁公司的g 6 5 5 光纤，分别q 作 真波光纤和s m f l s t m 光纤。真波光纤的零色散点在1 5 3 0 n m 以下短波长区，在1 5 4 9 n m 1 5 6 1 n m 的色散系数为2 0 3 o p s ( n m k m ) ； s m f l s t m 光纤的零色散点在长波长区 15 7 0 r a n 附近，系统上作在负色散区，在1 5 4 5 n m 的色散值为1 5 p s ( n m k m ) 。新型的g 6 5 5 光纤可以使有效面积扩大到一般光纤的1 5 2 倍，大有效面积可以降低功率密度，减少 光纤的非线性效应【23 1 。 2 1 2 新型光纤 ( 一) 大有效面积光纤 超高速系统的主要性能限制是色散和非线性，通常色散可以用色散补偿的方法来改 进，而非线性的影响却不能用简单的补偿来消除。光纤的有效面积是决定非线性的主要 因素，尽管降低输入功率或减少系统传输距离也可以减轻非线性的影响，但同时也降低 了性价比。可见光纤的有效面积是长距离d w d m 系统性能的最终限制因素之一。因此 出现了大有效面积光纤，以美国康宁公司的l e a f 光纤为例，光纤的截面积采用了分段式 的纤芯结构，典型有效面积达7 2 u m 2 以上，零色散点在1 5 1 0 n m 左右，其弯曲性能极化 模色散和哀减性能均可达到常规g 6 5 5 光纤水平，色散系数规范己大为改进，提高了下 2w d m 光网络关键器件 限值，在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 窗口内处于色散值在2 6 p s ( n m k m ) 之内，而在1 5 6 5 1 6 2 5 n m 窗口内处于4 5 1 1 2 p s ( r m a k m ) 之内，从而可进一步减小f w m 的影响，其色散谱如图 2 1 所示。由于有效面积大大增加，可承受较高的光功率，因而可以更有效地克服非线 性影响，如按7 2 u m 2 面积设计，至少可使非线性影响减少大约1 2 d b ，中继距离比普通 光纤增加1 0 k m ，由正色散而产生的调制不稳定性的影响远小于普通光纤。主要缺点是 有效面积变大后导致色散斜率偏大，约为0 1 p s ( n m k m ) ，这样在l 段的高端，其色散系 数可超过1 1 2 p s ( n m k m ) 使高波段的通路的色散受限距离缩短。 1 旃鼍窗口 r 1 姻粕 乒 觑娃r s 免纤 一夕 一 图2 1 大有效面积光纤的色散特性 大有效面积光纤从本质上改进了系统抗非线性的能力，可以认为在c 波段由大有效而积 构成的d w d m 系统信噪比较高，误码率较低，中继距离较长，代表了干线光纤的另一 新的发展方向。 ( 二) 低色散斜率光纤 色散对光脉冲信号传输的影响是促使光脉冲信号的宽度增加。在w d m 传输系统 中，由于色散的积累，各通路的色散都随传输距离的延长而增大。然而，由于色散斜率 的作用，各通路的色散积累量是不同的，其中位于两侧的边缘通路间的色散积累量差别 最大。当传输距离超过一定值后，具有较大色散积累量通路的色散值超标，从而限制了 整个w d m 系统的传输距离。 当d w d m 系统的应用范围己经扩展到l 波段，全部可用频带可以从1 5 3 0 1 5 6 5 n m 扩展到1 5 3 0 1 6 2 5 n m 时，如果色散斜率仍维持原来的数值( 大约0 0 7 o 1 0 p s ( n m k m ) ) ， 长距离传输时短波长和长波长之间的色散差异将随距离增长而增加，势必造成l 波段高 端过大的色散系数，影响1 0 g b i t s 及以上速率信号的传输距离，或者说需要代价较高的 色散补偿措施才行，而低波段的色散又嫌太小，多波长传输时不足以压制四波混频和交 叉相位调制的影响。为此，开发低色散斜率的g 6 5 5 光纤成为必要。通过降低色散斜率， 我们可以改进短波长的性能而不必增加长波长的色散，使整个c 波段和l 波段的色散变 西安科技大学硕士学位论文 化减至最小，同时可以降低c 波段和l 波段色散补偿的成本和复杂性。 目前，美国贝尔实验室己开发出新一代的低色散斜率g 6 5 5 光纤( 真波r s 光纤) ，光 纤色散斜率己从o 0 7 5 p s ( n m k m ) 降到o 0 5 p s ( n m k m f a 下。典型低色散斜率g 6 5 5 光纤 在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 波长范围的色散值为2 6 6 o p s ( n m k m ) ，在1 5 6 5 1 6 2 5 n m 波长范围 的色散值为4 0 - - 8 6 p s ( n m k m ) 。其色散随波长豹变化幅度比其它非零色散光纤要小 3 5 5 5 ，从而使光纤在低波段的色散有所增加，最小色散也可达2 6 p s ( n m k m ) ，可以 较好地压制四波混合和交叉相位调制影响，而另一方面又可以使高波段的色散不致过 大，在低于8 ，6 p s ( r m l k m ) 时仍然，可以使i o g b i t s 信号传输足够远的距离而无须色散补 偿，通信系统的工作波长区可以顺利地从c 波段扩展至l 波段而不至于引起过大的色散 补偿负担，甚至只需一个色散补偿模块即可补偿整个c 波段和l 波段。 ( 三) 消水峰的全波光纤 在单模光纤的哀减曲线上两个大的哀减峰，它主要是由h o 的存在而引起的，水峰 1 3 8 5 士3 n m 是其一次谐峰。多年来，人们一直在寻找消除这一水峰的方法。1 9 9 8 年美国 一家公司开发了一种新工艺，完全消除了光纤玻璃中的h o ，使得光纤损耗完全由玻璃 的本征特性决定，1 3 8 5 n m 上的水峰不再存在，从而光纤在1 2 8 0 1 6 6 5 n m 之间的全部 波长范围可以开通光路，这类光纤称为全波光纤 全波光纤也可称作无水峰光纤，由于它几乎完全消除了内部的h o ，从而可以比较 彻底地消除由之引起的附加水峰哀减。光纤哀减将只由硅玻璃材料的内部散射损耗决 定，在1 3 8 5 n m 处的哀减可低至0 3 l d b k r n 。由于内部己清除了氢氧根，因而光纤即便 暴露在氢气环境下也不会形成水峰哀减，具有长期的哀减稳定性。因为它消除了o h 损 耗所产生的尖峰，所以与普通g 6 5 2 光纤相比，全波光纤具有以下优势： ( 1 ) 在1 4 0 0 n m 处存在较高的损耗尖峰，所以普通g 6 5 2 光纤仅能使用1 3 1 0 n m 和 1 5 5 0 r i m 两个窗口。由于1 3 1 0 n m 处的色散为零，在这个波长窗口仅能够使用个波长， 所以理想情况下，普通g 6 5 2 光纤除1 3 1 0 n m 窗口外，还可以使用1 5 3 0 n m 1 6 2 5 n m 的 波分复用窗口。而全波光纤消除了水峰，所以理想情况下，全波光纤覆盖g 6 5 2 全部波 段以外，还可开辟1 4 0 0 n m 窗口，所以它能够为波分复用系统( w d m ) 提供1 3 3 5 1 6 2 5 n m 波段的传输通道。 ( 2 ) 在1 4 0 0 n m 波段，全波光纤的色散只有普通光纤在1 5 5 0 r i m 波段的一半，所以 对于高传输速率，全波光纤1 4 0 0 n m 波段的无色散补偿传输距离将比传统的1 5 5 0 n m 波 段的无色散补偿传输距离增加1 倍。 ( 3 ) 因为全波光纤可以使用1 3 1 0 r i m ，1 4 0 0 n m 和1 5 5 0 n m 三个窗口，所以全波光纤 将有可能实现在单根光纤上传输语音、数据、和图像信号，实现三网合一。 ( 4 ) 全波光纤增加了6 0 的可用带宽，所以全波光纤为采用粗波分复用系统 ( c w d m ) 提供了波长空问。例如，1 4 0 0 n m 窗口的波长间距为2 5 n m 时，就可以提供4 0 2w d m 光网络关键器件 个粗波分复用波长，而1 5 5 0 n m 窗口提供4 0 个波长时，其波长问距为0 8 r i m 。显然，1 4 0 0 r i m 粗波分复用的波长问距比传统的问距更宽，而更宽的波长问距使系统对器件的要求大大 降低，所以c w d m 的价格低于d w d m 的价格，从而使电信运营商的运行成本降低。 目前，1 4 0 0 r i m 波段商用化也取得了一定的进展。例如，朗讯科技将有两套使用 1 4 0 0 r i m 窗口的w d m 系统面市。一套是在w a v e s t a r a l l m e t r o 系统中增加1 4 0 0 r i m 窗口， 此系统可在一根光纤中传输1 4 0 0 h m 和1 5 5 0 n m 两窗口的信号。此系统具有光放系统， 应用在高速率的大城市骨干环网。第二套是1 4 0 0 n m 城市接入网系统a l l s p e c t r a 系统。 此系统使用粗波分复用( 大约2 0 r i m 信道间隔1 ，使用全波光纤可提供1 6 或更多的波长信 道，而普通光纤只能提供大约1 0 个信道。粗波分复用产品应用在短距离环网( 4 0 公里以 内) 。 全波光纤技术的突破，是光纤发展史上的又一个里程碑。它使单模光纤的有效使用 范围包括第二波段( 1 2 8 0 1 3 2 5 n m ) 、第五波段( 1 3 2 5 1 5 3 0 r i m ) 、第三波段( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) 、第四波段( 1 5 6 51 6 2 5 n m ) 。全波光纤，使单一光纤实现多种通信业务有了更 大的灵活性。第五波段由于水峰损耗的存在，一直未能开拓利用。在全波光纤中，由于 水峰损耗的消失，使第五波段变得平坦，而这一广阔波段的损耗小于第二波段，且其色 散又低于第三波段，从而使这一波段成为多种通信业务的理想选择【45 1 。 2 2 波长选择器件 波分复用使节点必须面对一个个波长通道。这样节点必须具有终点、切换、增加一 个或几个波长的功能，而且边缘节点还要能够从许多波长中选择出到达本节点的波长， 显然波长选择性器件是个关键。 目前对于滤波器和波分复用解复用器( m u x d m u x ) ，出现了三种非常有发展前景 的技术：多层介质膜干涉滤光片( m i ) 、光纤布拉格光栅( f b g ) ，阵列波导光栅( a w g ) 年n 波 长可调谐虑光器件【6 】。 2 2 1 多层介质膜干涉滤光片( m 1 1 m i 滤波器的上作原理如图2 3 示。当它作为一个w d m u x ( 或一个下路滤波器) 上作时，几个输入信号在端口1 进入器件中，需要下路的信号在端口4 输出。该滤波器 包含了一个玻璃基片，在这个玻璃基片上( 图2 3 ( a ) q u 基片的右端) 沉积了几层绝缘的薄 膜。通过选择它的厚度和绝缘常数，两层之问的多次反射引起的干涉就会把需要传输的 波长送到右端，并把其余的波长通过玻璃反射回来并送到左端。 9 西安科技大学硕士学位论文 信 图2 3m l 滤波器的工作原理 m i 滤波器的一个诱人的地方就在通过适当地选择层的几何结构我们可以调整滤波 特性，从而产生一个近于理想的光频响应：平坦的通带和陡峭的变沿。由于m i 滤波器是 一个互换的器件，如果它工作在反方向，就变成图2 3 ( b ) 示的w m u x 。 沉积在一个基片两端的集成的m i 滤波器阵列可以用作如图2 4 所示的多波长的 w d m u x ，w m u x 。图2 4 中对w d m u x 器件的操作做了示意性的描述。当信号光以极 小的角度射入到m i 滤波器中之前先利用自聚焦透镜进行平行校正。如图2 4 所示，当 一束光通过硅基片时，它会下路一路波长而被另一个校正透镜收集。所有需要反射的波 长都被反射到左端。使用这种方式，剩余的光在滤波器与滤波器之问反射，并在每次反 射过程中引出一个波长。 幽2 4w d m u x 器件的操作示恿图 2 。2 。2 光纤布拉格光l n ( f b g 、 利用布拉格效应，f b g 可以用作一个波长选择性的镜。光栅反射那些波长相当于两 音光栅周期的光。这些光栅实际上就成为一个窄带的反射滤波器。f b g 的制作过程是这 样的：把光栅写入到一些包含光敏材料的光纤中，然后暴露在周期的紫外光下，从而产生 相应的折射率的周期变化。 2w d m 光网络关键器件 环行嚣 。一厂、牝忆 一、l j| l 气 7 。? 光船 图2 5 光纤布拉格光栅( f b g ) 图25 给出的f b g 是用作一个下路的滤波器。多波长的光在光纤中从左到右传输， 经过了循环器的端口1 和2 ，波长3 在f b g 中被反射进入端口2 ，之后在端口3 下路。 在w d m u x 的典型应用中，它通常作为一无源的分波器，每一个臂上有一个对应某一 波长的f b g 下路滤波器( 这导致了分波损耗，该损耗与解复用的波长成正比) 。 f b g 下路滤波器的典型特性是：波长信道问隔，1 0 0 g h z 或5 0 g h z ：插损为2 d b 到 3 d b ( 包括循环器的损耗) 。 2 2 3 阵列波导光栅( a w g ) a w g 使用硅材料制作并集成在硅基片上，它是一个多波导的相位阵列，它剩用相 邻的波导的长度差别来产生在输出端藕合器处所需的相位关系。要输入的信号首先通过 一个集成的藕合器，接着在波导中传输然后在输出藕合器中有选择地输出。在不同通路 中路由的波长之间的相位差可以使这些从同一个输入端来的信号路由到不同的输出端。 2 2 4 波长可调谐光滤波技术 只允许特定波长( 频率) 的光顺利通过的器件称为滤光器，或称为光滤波器。如果所 通过的波长( 频率) 可以改变，则称为波长可调谐光滤波器。这种器件在w d m 系统、a o n 交换系统等领域具有广泛的应用价值。 ( 1 ) f p 月空型光滤波器基本原理与结构f - p 月空型光滤波器的主体是f p 谐振腔。 耻m 图2 6f - p 谐振腔示意图 其结构是由一对高度平行的高反射率镜面构成的腔体，满足下面相位条件的光波可形成 西簧科技大学硕士学位论又 稳定振荡并输出等间隔的树状波形，见图2 6 设光波入射的入射角为：谐振腔长为l ，材 料折射率为n ，则相位条件为：在两个反射镜之间往返一次传输后的相位变化量是2 z 的 整数信，即 d - 4 r r n l _ c o s ：2 肌万 ( 2 1 4 ) l 式中r n 取正整数。图2 3 4 种所示的是垂自入射的情况，则上式变为最为简单的相位条 件( 腔长是半波长的整数倍) ； = 掣( 2 1 5 ) 在一般情况下，有三个：n ，l 和0 。当m 取定以后，确定具有满足相位条件具有峰值透 过率波长的因素。因此通过调谐和设计这三个参量即可实现波长可调谐的目的。 ( 2 ) 光纤f - p 腔型可调谐滤光器图2 7 给出了空气隙式可调谐滤光器的结构，在 腔体光纤的一端镀上高反射膜，彼此之问留有适当空隙。因此腔长有一段光纤和空气隙 组成。图中的p z t 为压电陶瓷，在电信号的驱动下，p z t 可进行伸缩，造成空气问隙 变化，引起腔长l 的改变，从而实现波长的调谐。从图2 7 中不难看出，改变光纤的长 度同样 图2 7 空气隙式可调谐滤光器结构示意图 可以实现调节腔长的目的。 ( 3 ) f - p 标准具型可调谐滤光器所谓标准具实质由一块两侧面均镀上高反射膜的 平晶所形成的谐振腔，如图2 8 所示。图中的g r i n 透镜称为自聚焦透镜，其功能是将 光纤一端射入的光束变成平行光，或进行反变换。当经g r i n 透镜输出后的，平行光进 入谐振腔，满足相位条件的波长光再经g r i n 透镜聚焦在输出光纤的端面上。标准具成 一定倾斜角，其作用有两个：其一是避免菲涅尔反射光进入输入光纤：其二是可调节角度 完成波长调谐和选择功能。这种f - p 型标准具滤光器存在的一个问题是当光束穿过具有 一定厚度的倾斜平晶时，会发生空问位置的平移，因此可能影响输入和输出光纤的藕 合效率，增加插入损耗。所以在工艺上要精心设计，仔细调节以达到最佳配合。这种器 2w d m 光网络关键器件 ( 叼 图2 8 旋转f - p 型标准具可调谐滤光器结构示意图 件的波长调谐范围最高可达几十纳米。 目前，世界上己研制出了多种结构的波长可调谐滤光器，其基本原理都是通过改变 腔长、材料折射率或入射角度来达到波长可调谐的目的。 ( 4 ) 光纤环行腔式滤光器利用一个方向藕合器将两根光纤端连接成环形就成了一 种环行腔式的谐振腔结构，如图2 9 所示。它同样具有相位条件，即当环形光臂的光程 所引起的相位差等于2n 的整数时，所对应的波长将产生谐振，得到加强，透过率将出 现峰值。 输入 耦合器输出 r 一 图29 光纤环形腔式滤光器结构示惹幽 ( 5 ) 声光可调谐滤光器声光可调谐滤光器( a c o u s t o - o p t i ct u n a b l ef i l t e r , a o t f ) 是 目前国际上研究和应用的热点之一。主要原因有两点：其一是声光可调谐滤光器可提供大 量彼此问独立且可调谐的波长通道；其二是声光可调谐滤光器可按需设计，应用灵活。 2 | 3 光网络的接点器件 w d m 系统提供原始的传输带宽，通过光分插复用( o a d m ) ，o x c 节点设备实现 以波长通道为基本单位的高效灵活组网，充分利用网络资源。下面分别从o a d m ，o x c 两方面进行研究。 2 3 1o a d m 节点 o a d m 技术可以分为非重构型和可重构型。非重构型主要采用复用器、解复用器 以及固定滤波器等，在节点上下固定的一个或多个波长，也就是说波长在节点的路由是 西安科技大学硕士学位论文 固定的，缺乏灵活性，但结构简单容易实现。可重构型采用光开关、可调谐滤波器等， 在节点能动态调节上下路的波长，从而达到光网络的动态可重构。动态可重构o a d m 的主要功能是：提供灵活的光层配置，可以根据业务流量需求建立或拆除光路连接，有效 利用网络资源：提供光层保护，当波长信道出现故障可以为业务重新指配路由。 o a d m 可以分为非重构型和可重构型。非重构型主要采用复用器、解复用器、以 及固定滤波器等，在节点上下固定的一个或多个波长，也就是说波长在节点的路由是固 定的，缺乏灵活性，但结构简单容易实现。可重构型采用光开关、可调谐滤波器等，在 节点能动态调节上下路的波长，从而达到光网络的动态可重构。动态可重构o a d m 的 主要功能是：提供灵活的光层配置，可以根据业务流量需求建立或拆除光路连接，有效利 用网络资源；提供光层保护，当波长信道出现故障可以为业务重新指配路由。 根据开关结构对直通波长的处理方式，可重构的o a d m 可分为波长独立型和波长 选择型。波长独立型应用解复用器把波长信道解复用，需要下路的信号在光开关的控制 之下从下路端口输出，直通信道和上路信号经复用器输出。波长选择型通过可调谐滤波 器滤出需要下路的信号，对直通信号不作任何处理，任其无阻塞通过。 2 3 2 0 x c 器件 o x c 作为实现光网络的关键节点设备，需要对o x c 提出以下要求 ( 1 ) 端口数。内部结构不同的o x c 对交换单元( 光开关矩阵) 的数量及其接口数要 求不同，但是，节点问链路的光纤数n 和每根光纤复用的波长数m 的不断增加对o x c 的交换单元数量及其端口数的要求越来越大，成本也相应增长。目前，o x c 矩阵的端 口数有2 5 6 x 2 5 6 、5 1 2 x 5 1 2 、1 0 2 4 x 1 0 2 4 等几种，2 5 6 x 2 5 6 是基本的要求。 ( 2 ) 阻塞特性。从阻塞特性来讲，o x c 可分为严格