刘刚 余重秀 张茹 杨向东
本文作者刘刚先生，四川大学物理科学与技术学院博士生；
余重秀女士，北京邮电大学光电子与光波技术研究中心教授，本刊编委；
张茹女士，北京邮电大学理学院副教授；
杨向东先生，四川大学物理科学与技术学院教授。
一 引言
21世纪是一个信息化的社会，大量的信息传送需要大容量的系统波分复用(WDM)技术。WDM的实现使得光纤到户已不再是遥不可及的梦想。WDM系统不仅仅能使系统的容量成倍增长，同时它可以利用波长完成路由和交换等功能。虽然WDM网络的带宽可以满足每个用户的需求，即使传来更令人兴奋的消息：在试验室中实现了4000个信道的WDM系统，但是系统的波长数目仍然大大少于实际的节点数目和用户数目。这就使得当两个或多个波长信号向相同的节点连接时造成波长竞争，这时WDM网络会有很高的阻塞率。解决上述问题的关键技术就是利用波长变换(WC)。波长变换即为波长的再分配和再利用以解决交叉连接中的波长竞争、有效地进行路由选择、降低网络的阻塞率。从而提高网络的灵活性和可扩展性，同时也有利于网络的运行、管理和控制，以及通道的保护倒换。
实现波长变换有光电光(OEO)变换和全光变换两大类。光电光型已经实用，但是其变换效率低，对信号不透明。目前研究热点集中在全光波长变换上，本文主要讨论全光波长变换的应用和其在全光网中的作用。
二 波长变换在WDM中的应用
根据全光波长变换功能和控制信号的不同大致可分为两种：光阀型和光频混合型，在光阀型中没有新的波长产生，而在光频混合型中有新的波长产生。在WDM网络中以波长作为通道，每个通道通过其波长识别建立连接，不同的节点间的通道分配以不同的波长。信息从源到目的节点的过程中，波长一直保持不变，也就是“一波到底”，在这种波长通道(WP)方案中，波长是在整个网内分配的，通道波长具有全网意义。
波长通道具有固定性和连续性。当建立新的连接时，只有分配的某一波长在连接通路的所有链路段上都未被占用时，连接才能建立。为避免出现阻塞，网络必须有足够的波长数来支持。在实际中由于滤波器与放大器的带宽有限，所以可用波长数有限，不足以支持大容量的需要，并且每波长通道的利用率很低。因此在设计中提出一种新的波长通道方案，在连接通路的不同链路上可以采用不同波长，波长只在链路上有局部意义。如所示，这种通道称为“虚”波长通道(VWP)，使用这种方案可提高波长重用率，减少全网所需波长，对避免波长碰撞阻塞、故障排除和网络升级扩容有重大意义。在节点处设置波长变换器，以避开正在使用的波长( 1)，使信号转换到其它未被占用的波长( 2)上。
波长变换在WDM中的应用非常灵活，下面介绍三种主要的应用方案。
1. 光开关矩阵与波长变换组合在OXC结构中的应用
为避免OXC交叉连接时可能出现的波长通道竞争，减少可能出现的阻塞，在空间光开关矩阵后接入M个波长变换器，提高波长的再利用率，保持OXC无阻塞透明传输特性。这种OXC具有广播发送和上下路插分复用功能。
2. 分送耦合交换与波长变换组合在OXC结构中的应用
利用分送耦合交换(DCS)机制，可以设计不同的OXC结构。波长变换在这种结构中的应用是分送耦合交换的基本单元是星形耦合器(SC)和光开关。每个光开关有1个输入、2个输出，能形成4种状态：输入信号不发送；输入信号发送到第一个输出口；输入信号发送到第二个输出口；输入信号发送到两个输出口。在分送耦合交换结构中波长变换置于分送耦合开关之前，由于它具有波长选择功能，因而可同时起到调光滤波器的作用，简化了结构。这种结构除了需要个交叉点，还需要个波长变换器，所以结构还是相当复杂。其阻塞特性为严格无阻塞、路由策略为虚波长通道、模块为性波长或链路、传输性能中。
3. 基于波长变换为交换单元的OXC结构
基于波长交换的OXC结构方案中，交换直接在波长域进行。在结构的输入端，首先对每根输入光纤上的M个光信号波长用波长变换器变到光谱的相邻区域，然后分送到星型耦合器、可调光滤波器和波长变换器，从中选择各自的信道，并将其变换到合适的光波长，再由星型耦合器合路后送至输出段口。这种OXC结构，当星型耦合器设计有足够冗余时，还具有波长和链路的模块性，便于网络升级扩容。这种结构中没有空间开光，也没有交叉点，但要用较多的光滤波器TF和波长变换器WC，所以传输特性会有所不足。阻塞特性为严格无阻塞、路由策略为虚波长通道、模块性为波长或链路、传输性能较差。
在以上3种方案中加入波长变换器后，相对无波长变换的光网络会使网络的传输特性有所下降。这就需要我们来研究高性能的波长变换器，以适应网络发展的需求。
三 波长变换在WDM的作用
波长变换对WDM网络的性能产生什么影响，也是我们需要讨论的一大热点话题。概括地说：波长变换器对于频带资源基本耗尽(波长数量固定且业务量接近饱和)的网络作用不大。对于集中管理交换和环形网的影响也不明显，而对于大容量的网格网，由于波长变换器的加入会使得网络阻塞率大大降低。有研究资料显示，在2.5Gb/s的全光网中不加波长变换器会比加波长变换器的网络大概损失2~3倍的容量。如果在21%的节点上加波长变换可以减少一半的损失；如果在35%的节点上加波长变换可以减少75%的容量损失。事实上，波长变换器的作用大小与WDM光网络节点数、波长数、波长从源到目的地所经过的节点数以及业务量都有密切关系。
波长变换除了降低网络阻塞率外，在实现网间的互联及分布式网管系统方面的作用也是显而易见的。譬如对内部所有波长可以进行调度和分配的子网，在子网和上层网络连接时，可以通过波长变换把信号变换到空闲波长上，实现网络的分布式管理。此外，波长变换还具有适配功能，把非标网络种波长转换到网络标准波长上来。
理想的波长变换器应用到WDM网络中应具有诸如对各种调制方式的信号透明、具有高速的变换速率、消光比无劣化等等特性的要求。但是就目前实际研究，所有波长变换的方法只能满足其中的几个要求，这就是说对于特定的网络需要选择特定的波长变换器。
四 总结
本文介绍、分析了全光波长变换在WDM中的几种主要应用方案和其在WDM中发挥的作用。在迅速发展的全光网中，波长变换器有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力。因此全光波长变换技术一直是近几年的研究热点之一，进一步研究高性能的波长变换器是我们追求的目标。
摘自《世界宽带网络》
|