（光学工程专业论文）dwdm光交换节点低信道串扰技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 光交换节点( o x c ，o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ) 是光网络中的关键节点，设计与开发 o x c 结构成了构建高速大容量光网络的核心。集成化与模块化的o x c 具有成本低、体 积小等优点已成为众多o x c 结构中的最佳解决方案。但是，由大量波导器构成的集成 化o x c 中较大串扰却制约着o x c 容量的扩展，进一步影响着o x c 实用化，所以消除 o x c 中的串扰对提升o x c 性能显得尤为重要。 本文首先分析了决定串扰影响大小的系统因素，在此基础上从系统的角度出发，以 目前波导器件普遍性能为基础来设计低信道串扰o x c 的新方法。主要内容包括： ( 1 ) 对密集波分复用( d w d m ) 光网络中的串扰作了详细的归纳与分类。重点分 析了组成o x c 中各种光器件产生串扰的种类及形成机理。 ( 2 ) 分析了同频非相干串扰对强度调制一直接检测系统的影响，得出了决定串扰 影响大小的系统因素，为系统的设计提供指导。同时，对目前消除串扰的方法作了归纳 与分析，分析表明设计低信道串扰的o x c 关键是设计出低信道串扰的光交换矩阵。 ( 3 ) 扼要地归纳了评价光交换矩阵的性能指标，并对几种光交换矩阵的性能作了 分析与比较，得出扩展b e n e s ( d b ，d i l a t e db e n e s ) 结构具有可重构无阻塞特性，所需 器件数较少，目前较为实用。进而重点分析了d b 结构中串扰的影响，结果表明，由波 导器件构成的集成化d b 结构串扰影响较大，有必要对该结构的串扰特性进行改善。 ( 4 ) 将“开，关”f - j ( o n o f f g a t e ) 引入到d b 结构递归的最后一级，利用o n o f f g a t e 的“开关”特性来阻断d b 结构中串扰积累路径，能将d b 结构中的串扰源个数减少一半， 形成了一种新的低串扰光交换矩阵，称之为改善d b 结构即i d b ( i m p r o v e d d i l a t e db e n e s ) 结构。为了进一步消除d b 结构中串扰的影响，同时方便集成化与模块化，可在d b 结构 递归的每级之间都引入o n o f f g a t e ，构成更一般的i d b 结构即g i d b ( g e n e r a l l vi m t ) r o v e d d i l a t e db e n e s ) 结构。同其它的光交换结构相比，g i d b 具有最优的信噪比。 ( 5 ) 实验研究了8 8d b 、i d b 和g i d b 结构中串扰的影响。结果表明，对目前 波导器件普遍性能而言，8 8g i d b 可以完全消除串扰的影响。 关键词z 密集波分复用光交换节点光学串扰低串扰光交换矩阵 “开关”门 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a lc r o s s - c o n n e c t s ( o x c s ) a r ek e y e l e m e n t si na l l - o p t i c a ld e n s e w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) n e t w o r k s t ob u i l dh i g h - s p e e da n dl a r g e c a p a c i t yd w d m n e t w o r k s ， o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si st os t u d ya n dd e s i g no x cs t r u c t u r ew i t hg o o dp e r f o r m a n c e ， c o m p a r e d w i t ho t h e ro x c a r c h i t e c t u r e s ，i n t e g r a t e do p t i c a lc r o s s c o n n e c t ss h o wm a n y m e r i t s s u c ha st h ec o m p a c td i m e n s i o n sa n dl o wc o s t ，w h i c hm a k e st h e mm o v ea t t r a c t i v ei nd w d m n e t w o r k s i n t e g r a t e do p t i c a l c r o s s - c o n n e c t s g e n e r a l l y c o n s i s to fm a n yo p t i c a l w a v e g u i d e d e v i c e ss u c ha sd e m u l t i p l e x e r s ，o p t i c a ls w i t c h e sa n dm u l t i p l e x e r s t h e s eo p t i c a lw a v e g u i d e d e v i c e su s u a l l yh a v eh i g ho p t i c a lc r o s s t a l kl e v e l s ，w h i c hw i l lc a u s el a r g ec r o s s t a l kn o i s ea n d i m p e d et h e i ra p p l i c a t i o n s i no x c s y s t e m s o ，s o l u t i o ns h o u l db ed e v e l o p e dt o l i m i tt h e d a m a g i n g e f f e c to f c r o s s t a l ki nt h ei n t e g r a t e do p t i c a ln o d e s i nt h i st h e s i sa no p t i c a ls w i t c h i n gm a t r i xw i t hg o o dc r o s s t a l kp e r f o r m a n c ef o rp h o t o n i c s w i t c h i n g i sp r o p o s e d m a j o rs u b j e c t si nt h i st h e s i sa r ed i s c u s s e da sf o l l o w s ： ( 1 ) al i s t o fd i f f e r e n tf o r m so fo p t i c a lc r o s s t a l kt h a tm a yb eg e n e r a t e di nd w d m n e t w o r k si sp r e s e n t e d t h ec r o s s t a l ke l e m e n t si na no x cn o d ea r ea n a l y z e di nd e t a i l ( 2 ) t h ei m p a c t o f h o m o d y n e c r o s s t a l ko n i n t e n s i t y m o d u l a t i o nd i r e c t d e t e c t i o ns y s t e mi s s t u d i e d t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ei m p a c ta n dv a r i o u ss y s t e m f a c t o r sa r ed i s c u s s e d i n s t r u c t i o n sa r e p r o v i d e d f o rt h e d e s i g n o fl o wc h a n n e lc r o s s t a l ko x cn o d e s s e v e r a l m e t h o d sp r o p o s e dt om i t i g a t et h ei n f l u e n c eo fc r o s s t a l ka r ec o m p a r e da n dd i s c u s s e d r e s u l t s s h o wt h a tal o wc h a n n e lo p t i c a ls w i t c h i n gs t r u c t u r ei sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g nal o wc h a n n e l c r o s s t a l ko x c ( 3 ) d i f f e r e n tp a r a m e t e r s t oe v a l u a t e p r o p e r t i e s o fo p t i c a l s w i t c h i n g s t r u c t u r e sa r e d i s c u s s e d b a s e do nt h ep r o p e r t i e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a lo p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k s a r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d f r o mt h er e s u l t s ，w e c a ns e et h a tt h ed i l a t e db e n e s ( d b ) a r c h i t e c t u r eh a ss e v e r a la d v a n t a g es u c ha st h ef e w e rn u m b e ro fs w i t c h i n ge l e m e n t sn e e d e d a n dr e a r r a n g e a b l e n o n b l o c k i n g ，w h i c hm a d ei t m o v ea t t r a c t i v e l yu s e dt o d e s i g no p t i c a l c r o s s - c o n n e c t s h o w e v e r ，w h e nd bs t r u c t u r ei s b u i l tw i t ho p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e s ，t h e c r o s s t a l ki sv e r yl a r g ea n dt h es i g n a l - t o n o i s er a t i o ( s n r ) b e c o m e s d e t e r i o r a t e d s o ，m o d i f i e d i i 华中科技大学硕士学位论文 m e t h o d ss h o u l db e p r o p o s e d t oi m p r o v et h es n ro f d b a r c h i t e c t u r e ( 4 ) t oi m p r o v et h es n r c h a r a c t e r i s t i c so fd b s t r u c t u r e ，o n o f fg a t e sa r ei n t r o d u c e di n i t sl a s ts t a g eo fr e c u r s i o na n di m p r o v e dd i l a t e db e n e s ( i d b ) f a b r i ci sp r o p o s e d t h eo “0 f r g a t e si ni d bc a ns w i t c ho f ft h ec r o s s t a l kp a t hi nd bs t r u c t u r ea n dd e c r e a s ea c c u m u l a t i o no f c m s s t a l k ，s ot h es n ro fi d bs t r u c t u r ei si m p r o v e d t of u r t h e ri n c r e a s et h es n ro fd b 0 n o f fg a t e sc a nb ea d d e di no t h e rs t a g e so fd ba n df o r i l lg e n e r a l l y i m p r o v e d d i l a t e db e n e s ( g i d b ) c o m p a r e d w i t ho t h e r o p t i c a l s w i t c h i n g m a t r i x s ，g i d bh a s t h eb e s ts n r c h a r a c t e r i s t i c s ( 5 ) t h e c r o s s t a l k p e r f o r m a n c e o f8 8d b ，i d ba n dg i d ba r e e x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h e8 8g i d bb a s e do nc u r r e n to p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e s c a n t o t a l l yr e m o v e t h ei n f l u e n c eo f c r o s s t a l k k e y w o r d s ：d w d mo x c o p t i c a lc r o s s t a l k l o wc r o s s t a l ko p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k s o n o f fg a t e i i i 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：。k 豇年j 月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密哦 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：韶 日期：螂年3 - 月拶日 指导狮签名：嘶穆 日期：a 盹炸期龋 华中科技大学硕士学位论文 1 1引言 1绪论 随着经济全球化和社会信息化的进一步深入，不断涌现出了许多新的通信业务，如 视频点播、视频电话和视频远程会议等都将依赖于通信网络巨大带宽的技术支持。这些， 在给传统电信网带来巨大冲击的同时也给电信网的发展提供了新的机遇。从当前信息技 术发展的趋势来看，通信网络体系结构也正朝着高速大容量和高质量的方向飞速发展 【1 】。为了适应这样的发展，通信网的两大部分：传输与交换，都在不断的发展与变革 之中。 9 0 年代以来，光波分复用技术( w d m ，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 ) 的发展， 点到点波分复用系统的商用，都将光纤的优点展现得淋漓尽致。波分复用技术，尤其是 密集波分复用( d w d m ，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 ) 技术是为了扩充光纤 通信容量而被广泛采用的技术方案【3 。这种技术采用在根光纤中同时传输多个不同波 长光载波的方法，把光纤可应用的波长划分成不同的波段，每个波段用一个独立的通道 传输一种预定波长的信号，这样d w d m 系统就可以充分利用已经掩埋的光纤，使单根 光纤传输容量在时分复用( t d m ) 的基础上成倍增加。 波分复用技术的实用化，使光纤传输容量得到了极大的提高，为高速大容量宽带业 务网的传输提供了有效途径。而传输容量的飞速增长带来的是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，运行的速率也越来越高，未来的大型交换系 统需要处理总量达几百、上千t 比特每秒的信息。但是目前的电子交换和信息处理网络 的发展已接近了电子速率极限，其中所固有的r c 参数、钟歪、偏移、响应速度慢等缺 点限制了交换速率的进一步提高。这些缺点，使传统的电子设备在交换容量上难再有质 的提高形成“电子瓶颈”，交换过程引入的“电子瓶颈”问题成了限制通信网络吞吐能 力的主要因素【4 j ，使传输中的瓶颈正逐步转移到交换节点上。为了解决电子瓶颈限制问 题，业界的注意力正开始从传统的电子交换节点上转向了光交换节点即o x c ( o p t i c a l c r o s s - c o n n e c t ) h 儿。o x c 在光层上实现对波长信道的交叉连接，极大提高了信号重选 路由的速度与精度，提高了网络传输与恢复的速度。o x c 具有优良的性质【”，性能上的 优势正促使它替代传统的电交换节点，也加速了传统电信网向全光网的方向发展。目前， 智能光网络( a s o n ) 也正成为国内外研究的热斛8 1 。 华中科技大学硕士学位论文 从传统的电信网向光网络的发展虽然步伐蹒跚，但这是网络发展的必然趋势。基于 d w d m 技术的多波长光网络简单示意图如图1 1 所示，它主要由光交换节点( o x c ) 、 光分插复用节点( o a d m ) 和光放大器( o a ，o p t i c a la m p l i f i e r ) 等设备构成。其中o x c 主要完成子网之间大容量的信息交换，o a d m 主要完成子网内部信息的上载或者是下 载，o a 主要是弥补信号的传输损耗。 d r o pa d dd r o pa d d a d d d r o p a d d d r o p a d d d r o p a d d d r o p 图1 ，id w d m 光网络结构示意图 现在的同步数字体系( s d h ，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 ) 传输网对于目前及将来 通信业务的发展日益显得效率低下，具体表现在以下几个方面：“电子瓶颈”的限制、 不适合综合业务的开发、对信号不透明、网络动态调整复杂、运营成本较高。 利用d w d m 技术的全光网络成为了各个电信运营商最优选择。光网络从功能上来 讲，就是在光域内实现业务信号的传输、复用、路由选择、监控，并保证其性能指标和 生存性。其基本思想是将传统的点到点密集波分复用系统用光交换节点( o x c ) 与光分 插复用节点( o a d m ，o p i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 连接起来，波分复用技术完成光网络 节点之间多波长光通道中光信号完整传输，光交换节点和光分插复用节点完成信号的交 叉连接与上下路等功能。现在的d w d m 光网络的发展与当年的s d h 光传输网非常相似， 有背对背d w d m 终端、o x c 、o a d m 等几种网元，在网络拓扑结构上正逐步实现“点 到点的链一环一多环一网状网”的发展过程，从灵活性能上正逐步实现“静态一半动态 一动态”的发展过程。 与s d h 传输网技术相比，光网络具有以下几个特征： ( 1 ) 光网络中的节点采用的是光分插复用节点和光交换节点，有效的克服了传统的 电交换节点和电分插复用节点中的“电子瓶颈“限制。 ( 2 ) 光网络最终将对所传送信号的传输速率、数据格式以及调制方式完全透明，并适 2 华中科技大学硕士学位论文 合未来新业务的开发。但目前受光电子器件技术成熟度的影响，还不可能做到完全透明。 ( 3 ) 由于采用了d w d m 技术，除了能实现超大容量传输，光网络还具有很强的扩展 性能，使得光网络的规模能及时根据业务量的发展进行扩容。 ( 4 ) 以波长路由为基础，光网络具有很强的网络重构、保护和回复能力。可以在波 长级、波长组级和光纤级进行灵活配置，其故障恢复时间可以降至1 0 0 m s 以下。但目前 光网络还缺乏全光域内完整、足够的性能监测和故障管理能力，这是制约光网络发展的 重要因素。 ( 5 ) 光网络将大幅度的简化现有网络，降低网络建设、运营和维护成本。用光交换 节点与光分插复用节点取代现在的电交换节点和电分插复用节点，其营运成本将随着光 器件技术与工艺的成熟及其集成化、模块化而大幅度降低。 由于d w d m 全光网自身的优点及d w d m 技术的成熟与商用，近1 0 年来全球形成 了对d w d m 全光网络研究的热潮 9 - - i 。以美国为代表的北美地区、欧洲联盟以及亚洲 的日本都已开展了对d w d m 全光网络技术的研究，并进行了系统性的大规模网络应用 实验，如美国m o n e t ( m u l t i w a v e l e n g t ho p t i c a ln e t w o r k i n g ) 计划：欧洲r a c e ( r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n ti na d v a n c ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n e u r o p e ) 计划，以及a c t s ( a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds e r v i c e ) 计划中的“泛欧光子传送叠加网 ( p h o t o n ，p a n - e u r o p e a n p h o t o n i c t r a n s p a r e n to v e r l a yn e t w o r k ) ”和泛欧光网络 ( o p e n ，o p t i c a lp a n e u r o p e a n n e t w o r k ) ”。 我国自1 9 9 9 年丌始设立了8 6 3 “中国高速信息示范网( c a o n e t ，c h i n aa d v a n c e i n f o o p t i c a l n e t w o r k ) ”项目，取得了突出的进展，它将充分利用自主研制的光交换节点 ( o x c ) 、光分插复用节点( o a d m ) 、核心路由器( c r ) 和全光网网管系统，为以光 互联技术为代表的先进网络技术的研究、开发、测试提供了一个实验平台。在“中国高 速信息示范网”研究成果的基础上，2 0 0 2 年中国高新技术项目( 8 6 3 ) 又提出了一个适 应i n t e m e tt v 等媒体流实时传输的高性能、广域( 城域) 宽带演示验证网络3 t n e t 。以 高性能宽带示范网3 t n e t 的传建为手段、重点攻克t 比特级智能光网络( a s o n ) 、t 比特 级w d m 光传输网、t 比特级路由器等系统设备的关键技术，全面带动我国在新一代信 息网络基础设施核心设备方面的自主丌发。 未来光网络的发展趋势是高速化( o t d m 与d w d m 技术的结合) 、集成化( 光电 集成、功能模块集成) 、模块化、业务综合化，以充分适应全光网络高速、可扩展、业 务透明以及高生存性的发展要求。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 全光网络中的关键设备：光交换节点( 0 x c ) o x c 通过对光通道进行交叉连接，灵活有效地管理光网络，是实现可靠的网络保护 恢复以及自动配线和监控的重要手段。o x c 在光层对波长信道的交叉连接能力极大的 提高了信号重新选择路由的速度与精度，对于网络的高速传输和快速恢复都具有重要的 意义。在光网络平台上实现光域的优化、路由、保护、恢复功能是满足网络管理可靠性 和灵活性要求的关键，而能够在光域实现灵活交叉连接的光交换节点( o x c ) 就成为了 光网络最重要的网络元件，o a d m 可以看成是o x c 的简化。 o x c 主要由全光交换矩阵( 交换级) 、输入端口( 扩展级) 、输出端口( 集中级) 、管 理控制单元等模块组成【1 3 ，如图1 2 所示，为了增加o x c 的可靠性，每个模块都有 主用与备用的冗余结构，o x c 自动进行主备倒换。从图面简洁起见，本文均只画出一 套模块。 图1 2o x c 结构框图 由于目前没有一种光子器件可以在空间和波长域上同时完成d w d m 信号的交换， 因此必须把d w d m 信号先在空间或波长域上进行分解然后再对它们进行全光交叉连 接。扩展级网络完成输入端d w d m 信号的解复用功能；集中级网络在输出端对单波长 信号重新进行复用；交换级网络位于扩展级网络与集中级网络之问，实现单波长信号在 空间( 或波长域) 上的全光交叉连接。 输入端口和输出端1 ：3 直接与光纤相连接、分别对输入与输出信号进行适配( 解复用 和复用功能) 、放大和功率均衡等处理，主要包括解复用器( d m u x ) 复用器( m u x ) 对、掺饵光纤放大器( e d f a ) 和波长功率均衡器( e q u a l i z e r ) 。光放大的单元一般位于 4 华中科技大学硕士学位论文 节点的输入之前与输出之后，前面的光放大单元用于补偿线路光功率的损失，使进入节 点的光功率足够大：后面的主要是弥补光交换节点中器件对光信号的衰减，使进入线路 的光功率足够大。由于光通过节点时所经过的器件有可能不一样或者器件的性能不一 样，所以有必要在节点对信号复用之前对光功率进行均衡，使每个波长信号有基本相同 的功率。 管理控制单元通过编程对全光交换矩阵、输入端口和输出端口模块进行监测与控 制。管理平面主要完成节点的管理、维护与配置功能。控制平面主要是支持动态环境的 动作，直接响应用户的动作和恢复机制，可以是分布式控制也可以是集中式控制。 全光交换矩阵是o x c 的核心，它主要是实现各种选路功能，包括光纤级的交叉连 接、波段级的交叉连接与波长组级的交叉连接选路，还可能包括利于管理的光纤束级的 交叉连接。它一般要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠性，并且有时要具有向、双向和 广播的功能。 除了扩展级、交换级和集中级外，光交换节点一般还包括保护倒换单元和信号监控 单元。保护倒换单元主要用于节点所在链路的保护，另一方面节点内部备有冗余结构用 作节点内部器件出故障时的备份通道。信号监控单元从主信道分出一小部分光信号进入 监控单元，在那里进行分析处理，并将信号送入保护倒换单元的控制器，由控制器决定 是否进行保护倒换动作，或者是继续在网络中传输。 1 3 0 x c 研究概况 从2 0 世纪9 0 年代开始，世界各国研究机构开始了对o x c 设立研究开发项目。欧洲 r a c e 计划o s c a r 项目完成的o x c 样机用于宽带本地网络。全光交换矩阵为8 8 的 严格无阻塞结构，采用4 个无极性的l i n b 0 3 4 4 空分的全光交换矩阵与1 6 个无极性的 l 2 空分的全光交换矩阵组成。o x c 的每个输入端都有再生器用于检测信号的丢失和 补偿插入损耗。o x c 的管理由计算机完成。1 9 9 2 年在4 个o x c 节点组成的格形光纤网 络上进行了实验，用于传输1 4 0 m b i v s 的视频信号，成功的验证了光纤链路快速保护倒 换、路由选择和网络的重新配置等功能。 目前，国内外开展o x c 产品研究的厂家很多，尤其是大的通信设备商几乎都进行 了o x c 的研究与开发。如s i e m e n s 子公司o p t i s h e r e 的光网络产品，t r a n s x p r e s s 光服 务节点o s n m o d i f 0 x c ；c o r v i s 公司的c o v w a v e 全光网络系统；l u c e n tw a v e s t a r l a m b d a r o u t e r 全光波长路由器。 华中科技大学硕士学位论文 国内在o x c 方面研究起步较晚，前几年主要由几所高校( 清华、北大、上海交大、 北邮) 在国家“8 6 3 ”计划和国家自然科学基金的资助下进行了这方面的研究工作，取 得了一些研究成果，积累了一些经验。进两年，国家“8 6 3 ”计划启动中国高速信息示 范网( c a i n o n e t ) 自主研制了3 个o a d m 节点，并利用三个o a d m 节点构成了一个 完整的环网，具有开放的接口，可以和核心环路中的o x c 互联互通。高速信息示范网 的成功验收极大的缩短了我国与国际水平的差距。 1 4 本论文的研究方法与论文结构 本课题得到了国家高新技术发展计划“8 6 3 ”和“武汉市科委重大科技攻关计划” 的资助。论文主要研究光交换节点( o x c ) 中串扰产生机理，对信号的影响以及消除方 法，晟终提出了一种新型低串扰的全光交换矩阵。按照提出问题即串扰的产生；分析问 题即串扰的影响；解决问题即串扰的消除将全文组织如下： 第一章绪论 介绍了光网络中光交换节点( o x c ) 的构成与功能，总结了世界各国主要研究机构 和产业界在o x c 方面研究与开发的最新进展与发展动态。 第二章d w d m 光网络中的串扰 详细分析了d w d m 光网络中串扰的种类及其产生机理。针对目前较为实用的一种 典型o x c 节点结构，分析了其中各类串扰的引入途径。 第三章串扰对信号的影响 介绍了分析串扰影响的理论模型，具体分析了非相干同频串扰对强度调制一直接检 测系统性能的影响，得出了决定串扰影响大小的系统因素。针对一种典型的o x c 节点 结构即波长选择型o x c ，分析了其中相干串扰与非相干串扰产生机理及其对光信号的 影响。 第四章一种新型低串扰全光交换矩阵 对消除串扰的几种方法作了扼要的归纳，结合目前波导器件的普遍性能，对其中从 系统角度消除串扰的方法作了重点分析。最后，我们将“开关”门( o n o f f g a t e ) 引入 到扩展b e n e s ( d b ，d i l a t e db e n e s ) 结构递归的最后一级，利用o n o f f g a t e 的“开关” 特性来阻断d b 结构中串扰积累路径，能将d b 结构中的串扰源个数减少一半，形成了 一种新的低串扰光交换矩阵，称之为改善d b 结构即i d b ( i m p r o v e dd i l a t e db e n e s ) 结 构。i d b 结构是建立在d b 结构的基础上，是对d b 结构的等效变换，除了对d b 结构 华中科技大学硕士学位论文 的串扰特性进行了改善外，仍保留着d b 结构其它的优良性质。 为了进一步消除d b 结构中串扰的影响，同时方便集成化与模块化，可在d b 结构 递归的每级之间都引入o n o f f g a t e ，构成更一般的i d b 结构即g i d b ( g e n e r a l l y i m p r o v e d d i l a t e db e n e s ) 结构。同其它的光交换结构相比，g i d b 具有最优的信噪比。 第五章8 8d b 、i d b 、g i d b 结构中串扰影响的实验研究 就规则码和随机码两种情况下详细测试了8 8d b 、i d b 、g i d b 三种结构中串扰 对信号的影响。实验结果验证了理论分析的正确性，结果显示g i d b 结构中即便交换单 元串扰系数为一1 0 d b ，g i d b 也能有效消除串扰的影响。 第六章全文总结 华中科技大学硕士学位论文 2 d w d m 光网络中的串扰 2 。i 光网络中的传输损伤 相对于点到点的d w d m 系统，d w d m 全光网引入了o x c 与o a d m 节点，并广 泛的使用了光丌关、滤波器、e d f a 等光器件。这些先进器件技术和节点技术的引入极 大的提高了传输距离和网络容量，使全光网成为能支持各种业务的物理平台。但与此同 时，由于目前各种光器件的传输性能还不是很理想，节点结构设计还有待完善，这些都 会给光网络的性能带来影响，使得光信号的消光比和信噪比下降，时间抖动增加，波形 恶化，从而导致光通信的误码率增加，可靠性下降【1 “1 6 1 。造成这种传输限制的因素主要 有串扰、功率不均衡、环路等效应。这些效应最终也限制了光网络的容量和规模的扩展。 不同的光传输损伤和光传输限制对网络性能的影响都集中表现在信道的串扰和误 码率退化两个方面，其中串扰是起因，误码率的退化是结果，因而对串扰进行分析是没 计d w d m 光网络时所必须考虑的一个因素。 d w d m 光网络中各种网元的传输损伤列出如表2 1 所示。 表2 1 光网络中各种网元引传输损伤 光功率损耗串扰噪卢 光纤衰减 光波分复用懈复用器光放人器的非平坦增益 连接头损耗光交换矩阵光放人器的增益饱和效应 分光耦合器插损光纤非线性效应 滤波器损耗色度色散和偏振模色散 光波分复用，解复用器损耗 光开关插损 2 2 d w d m 光网络中串扰的分类 串扰是指d w d m 光网络中，由于所用光学器件的性能不理想或者是非线性效应， 使得某一通道中的光信号泄漏到本不应该去的其它传输通道中，形成串扰噪声，对其它 通道的信号产生了影响，最终也影响了系统的性能。串扰对信号的影响的示意图如图2 1 所示。 华中科技大学硕士学位论文 圆 i 入的各种串扰i 卫生一 图2 i串扰对信号影响示意图 d w d m 光网络中可能出现的串扰如图2 2 所示。 光学串扰 非线性串扰 交叉一相位调制 交叉一增益调制 受激r a n a n 散射 受激b r i l l o u i n 散射 四波混频 光学带内串扰 ( 在光学滤波器带宽内) 光学带外串扰 ( 在光学滤波器带蹙外) 同频串扰 v = o ，v b o 异频串扰 a f 0 相干串扰 ( 相位相关) 。 非相干串扰 电带内串扰 ( 在接收机的电带宽内) a f b 。 b 。：接收机的电带宽，a f ：信号和串扰的频率差 图2 2d w d m 光网络中串扰的分类 9 ) 华中科技大学硕士学位论文 如图2 2 所示，光网络中的串扰从产生的原因主要分为线性串扰与非线性串扰，前 者主要是由于光网络中所用器件如复用器解复用器，光开关等的非理想性所导致：后者 主要是由于光纤的非线性所引起。在d w d m 光网络中，单根光纤中的光功率是每个信 道功率的总和，所以当复用的信道数较多时，在保证每个信道一定光功率的情况下，总 的光功率可能使光纤产生各种非线性效应f 1 7 j 。其中影响最为严重的是四波混频与受激喇 曼散射，它们不仅带来了能量的损耗，而起会导致一个信道功率转移到其它的信道中去， 形成非线性串扰，对网络的性能产生不良的影响 18 】【】”。如何克服或减小这类非线性串扰 的方法到了深入的研究。“。在实际的系统中，由于进入光交换节点的信号首先是被扩展 级在空间分开，因而节点内的非线性很弱，非线性串扰可以忽略不计。本论文着重分析 光交换节点中的线性串扰而对非线性的情况不作讨论。 光信号从发射端到接收端始终会经过两类滤波器一类是光学滤波器，一类是电学滤 波器，前者主要是在光域内完成信号的选取，后者主要是在接收端将光信号变为电信号 后在电域内完成信号的选取，由于这两类器件的非理想性，每次信号的选取时都不可能 “干净”的选出信号而滤出串扰，使串扰对信号噪声了影响。线性串扰的分类可以依据 这两类滤波器来进行。 从发射端发出的光信号在传输过程中首先要经过光学滤波器，如果串扰与信号的带 宽大于光滤波器的带宽即串扰落在光滤波器的带宽外，这种串扰称之为带外串扰 ( i n t e r b a n dc r o s s t a l k ) 。在d w d m 光网络中，带外串扰通常是来自不同的波长信号，这 类串扰可以用窄带滤波器滤出，不会随着信号的传输在网络中积累，所以对信号的影响 不大【2 “。如果串扰的与信号闽的带宽小于滤波器的带宽即串扰落在滤波器的带宽内这类 串扰称之为带内串扰( i n t r a b a n dc r o s s t a i k ) ，由于这类串扰不能被滤波器滤出，所以会随 着信号在网络节点中传输并不断的积累，最终达到接收端，这类串扰对信号的影响严重 2 i o 带内串扰在d w d m 光网络中的随着信号传输不断的被积累，其过程如图2 3 所示。 图2 3 中在发射端，两个波长信号五， 被耦合到同一根光纤链路中传输，当它们在 光网络中传输时需要经过一定数目的光交换节点，每经过一个节点信号都会受到由节点 所引发串扰的影响。在接收端，由于带内串扰无法被滤波器滤出，所以每一信道中的功 率不仅含有信号的功率而且还包括了串扰的功率，总的功率是这两种功率通过一定形式 的叠加。这种叠加可能使信号的功率增加或者是减小，当信号到达接收机处，可能由于 信号功率过大导致接收机过载，也可能由于信号的功率过小导致接收机误判，这些都给 接收机的正确判决造成影响，导致误码。 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 光网络中带内串扰积累的过程 依据带内串扰产生的可能性，可进一步将其划分为同频串扰( h o m o d y n ec r o s s t a l k ) 与异频串扰( h e t e r o d y n ec r o s s t a l k ) ，如图23 所示。同频串扰是串扰与信号的名义频率 ( n o m i n a lf r e q u e n c y ) 相同，即f = o ，在这种情况下串扰与信号完全重合。异频串扰 是指串扰与信号的频率不同。 带内串扰可以是同频也可以是异频，并不能简单的将带内串扰认为是同频串扰，带 外串扰认为是异频串扰。带内带外是依据滤波器的带宽而定义的而非频率，当然同频串 扰是带内串扰中最坏得一种，也是光网络中影响最为严重的种串扰。 依据同频串扰与信号是否相干，可以再划分为相干串扰( c o h e r e n tc r o s s t a l k ) 与非 相干串扰m 1 ( i n c o h e r e n tc r o s s t a l k ) 。相干与非相干串扰的划分界限如图24 所示，划分的 依据就是光源的相干时间。 图2 4 相干与非相干串扰的划分 相干串扰是信号与串扰来自相同的激光光源而且它们的延时小于光源的相干长度， 在这种情况下串扰与信号的相位是相关的( p h a s e c o r r e l a t e d ) ，串扰与信号会发生干涉现 象。相干串扰是否会对信号造成很大的影响需根据延时与信号的码元周期之间的关系而 定m 1 。非相干串扰是指串扰与信号的频率虽然相同但是来自不同的激光光源，或者是虽 华中科技大学硕士学位论文 然来自相同的激光光源但是它们的延时远大于光源的相干时间，这中情况下串扰与信号 的相位不相关( n o tp h a s e c o r r e l a t e d ) 。 光学带内串扰最终会随信号顺利的到达光接收端，最终经过与光学滤波器带宽不同 的电学滤波器，所以依据其能否进入电滤波器，光学带内串扰可以进一步划分为电带内 串扰( e l e c t r i c a li n b a n dc r o s s t a l k ) 和电带外串扰( e l e c t r i c a lo u t - b a n dc r o s s m l k ) 。电带内 带外串扰划分依据是接收机的电带宽b e 如图2 5 所示。前者是串扰与信号的频率差f 小于接收机的电带宽b e ，后者是大于接收机的电带宽b e 。 幽2 5 电带内带外串扰的划分 综上所述，光学串扰依据能否用光学滤波器滤出，可以分为带内带外串扰。依据频 率可以划分为同频与异频串扰。带内串扰可以是同频也可以是异频，当然，同频串扰是 带内串扰中影响最为严重的一种串扰，也是重点需要消除的串扰，所以后面章节中都是 讨论同频串扰对信号的影响及其消除方法。带内串扰中的异频串扰能否对信号产生影 响，还需再根据其能否进入电滤波器丽定，是电带外串扰则不产生影响。是电带两串扰 则产生影响。 2 3d w d m 光交换节点中的串扰 2 r 3 1 一种典型的o x c 光交换节点 o x c 节点的基本功能是实现各输入端和输出端光纤上复用的d w d m 信道间建立全 光钓互联模式光通道，以及本地的上路或者是下路。一般来说，o x c 可以分为三种类 型【2 4 】【”】：光纤交叉连接( f x c ，f i b e rc r o s s c o n n e c t ) 、波长选择型o x c ( w s x c w a v e l e n g t h s e l e c t i v e c r o s s c o n n e c t ) 和波长交换型o x c ( w i x c w a v e l e n g t hi n t e