周志敏 山东莱芜钢铁集团动力部
摘要：文中简述了全光网的基本概念及特点，阐述了全光网的交换技术，介绍了国内外全光网交换技术的发展动态。
关键词：全光网 交换技术 发展动态
全光网 （AON）的概念是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其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（OXC）。在全光网络中，由于不需要电信号的处理，所以允许存在各种不同的协议和编码形式，对信号的传输具有透明性。
全光交换减少了网络中的光－电－光转换，节省了大量的投资，透明的光交换使得用户速率更容易升级到未来的更高的传输速率。到目前为止，实现全光交换的技术有很多种，例如：微光机电技术（MEMS）、液晶技术、气泡技术、热光技术、全息技术和声光技术等等。评价这些技术的参数主要有：交换矩阵规模、可扩展性、交换速度、损耗、功耗、可靠性、性能价格比等等。综合这些参数，MEMS是目前最有前途的一项技术。MEMS光交换矩阵由一个倾斜的微镜阵列构成，这些微镜可以是二维的或三维的。二维微镜阵列等效于cross-bar开关，是第一代的MEMS光交换矩阵。三维微镜阵列通常由一对组成，光线从输入端口射入后被微镜反射两次，到达期望的输出端口，每一块微镜的倾斜位置两轴可调，可以精确控制在千分之几度以内。
1.全光网的特点
全光网可使通信网具备更强的可管理性、灵活性、透明性。与传统通信网和现行的光通信系统相比，它具有许多优点：
1.1全光网络能够提供巨大的带宽。因为全光网对信号的交换都在光域内进行，可最大限度地利用光纤的传输容量。
1.2全光网络具有传输透明性。因为采用光路交换，以波长来选择路由，因此对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性，即对信号形式无限制，允许采用不同的速率和协议。
1.3全光网比铜线或无线组成的网络具有更高的处理速度和更低的误码率。全光网具有良好的兼容性，它不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数据网以及网络的升级。
1.4全光网络具备可扩展性，新节点的加入并不会影响原来网络结构和原有各节点设备。
1.5全光网具备可重构性，可以根据通信容量的需求，动态地改变网络结构，可对光波长的连接进行恢复、建立、拆除等。
1.6全光网中采用了较多无源光器件，省去了庞大的光/电/光转换的设备及工作，可大幅提升网络整体的交换速度，提高可靠性。
全光网络主要由核心网、城域网和接入网三层组成，三者的基本结构相类似，由DWDM系统、光放大器、OADM(光分插复用器)和OXC(光交叉连接设备)等设备组成。全光网络有星形网、总线网和树形网3种基本类型。
目前，关于全光网络的规范性结构尚未统一，但世界上有一些国家，如美国、德国、法国等已提出了自己的全光网络规划。从已提出的这些方案来看，它们的基本结构大体一致，可以分为光网络层和电网络层。
光网络层（光链路相连的部分）采用了WDM技术，使一个光网络中能传送几个波长的光信号，并在网络各节点之间采用OXC，以实现多个光信号的交叉连接。光网络层通过光链路与宽带网络用户接口和局域网（LAN）相连。
电网络层中的ADM为分插复用器，它能够把高速STM-N光信号直接分解成各种PDH支路信号，或作为STM-1信号的复用器，它的速率可选STM-1、STM-4或STM-16。DXC相当于自动数字配线架的数字交叉连接设备，它可以对各种端口速率（PDH或SDH）进行可控的连接和再连接，所谓交叉连接也是一种“交换功能”，电网络层中有各种电子交换，从程控交换（如PABX）、ATM交换（如视频、数据信号的交换）到未来的某种交换（如图像、多媒体信号的交换）均属于交叉连接的范畴。
2.全光交换技术
光交换/光路由属于全光网络中关键光节点技术，主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路，它所完成的最关键工作就是波长变换。由于实质上是对光的波长进行处理，所以更确切地说，光交换/光路由应该称之为波长交换/波长路由。全光网络的几大优点，如带宽优势、透明传送、降低接口成本等都是通过该技术体现的。从功能上划分，光交换/光路由、OXC、OADM是顺序包容的，即OADM是OXC的特例，而OXC是光交换/光路由的特例。毫无疑问，OXC是构成下一代光网络的关键硬件。Ciena、Sycamore和Tellium等一些公司推出了基于传统ASIC技术的电子交换核心的OXC，这类OXC的显著优点是可以处理比波长粒度更小的带宽单元，适合目前的市场需求，比以全光交换技术构成的OXC更易于管理。但是由于目前和将来的电信网络中将广泛采用WDM技术，电子交换核心难以应付波长带宽的爆炸性增长。目前的ASIC技术水平最多只能支持512×512端口的电子交换核心，但潜在的市场却要求至少２倍于这样的容量。
由于OXC和光交换/光路由还在发展之中，目前对光交换/光路由的命名比较混乱。有的公司把现有的OADM、OXC都称为光交换系列（Optical Switching），有的又称之为光路由器（Optical Router），所以目前的光交换/光路由大多以OXC甚至OADM暂时充当。和电交换技术类似，目前，采用极短脉冲的超高速ATM全光交换较为普遍，交换容量可达64Gp/ｓ，最近已有实验样机。对于全光交换技术，可分成光路交换技术和分组交换技术。光路交换又可以分成3种类型，即空分（SD）、时分（TD）和波分/频分（WD/FD）光交换，以及由这些交换组合而成的结合型。
2.1SD光交换
空分光交换是由开关矩阵实现的，开关矩阵节点可以由机械、电或光来控制，并按要求建立物理通道，使输入端任一信道与输出端任一信道相连，完成信息交换。各种机械、电或光控制的相关器件均可用作空分光交换。构成光矩阵的开关以铌酸锂定向耦合器最为引人注目。
空分交换按光矩阵开关所使用的技术又分成两类，一类是基于波导技术的波导空分，另一类是使用自由空间光传播技术的自由空分光交换。光分组交换中，异步传送模式是近年来广泛研究的一种方式。最近，日本开发了两种空分光交换系统：多媒体交换系统和模块光互连器。两种系统均采用8×8二氧化硅光开关。多媒体光交换系统支持Ｇ4传真、10Mp/ｓ局域网和400Mp/ｓ的高清晰度电视。
2.2TD光交换
时分光交换系统可以与光传输系统很好配合以构成全光网络，所以时分光交换技术研究开发进展很快，而且其交换速率几乎每年提高一倍，目前已研制出几种时分光交换系统。1985年日本NEC成功地实现了256Mb/ｓ（4路64Mb/ｓ）彩色图像编码信号的光时分交换系统。它采用1×4铌酸锂定向耦合器矩阵开关作选通器，双稳态激光二极管作存储器（开关速率1Gb/ｓ），组成单级交换模块。90年代初又推出了512Mb/ｓ试验系统。1996年推出了世界上第一台采用光纤延迟线和4×4铌酸锂光开关的32Mp/ｓ时分复用交换系统。实现光时分交换系统的关键部件是开发高速光逻辑器件，目前世界各国研究机构正加紧对此进行研究。
2.3WD/FD光交换
波分光交换，即光信号通过不同的波长，选择不同的网络通路来实现，用波长开关进行交换。波分光交换网络由波长复用器/去复用器、波长选择空间开关和波长互换器（波长开关）构成。波分光交换能构充分利用光路的宽带特性，不需要高速率交换，技术上较容易实现。1997年采用高速MI（Michelson Interferometer）波长转换器的20Gb/ｓ波分复用光交换系统已制造成功。目前已研制成波分复用数在10左右的波分光交换实验系统。最近开发出一种太比级的波分光交换系统，它采用的波分复用数为128，最大终端数达2048，复用级别相当于1.2Tb/ｓ的交换吞吐量。
3.光交换技术发展现状
90年代以来，世界各大电信厂商竞相研究和试制用于光传送网络节点的OXC，其中，部分设备已经通过现场实验，并取得很大成功。构成OXC结构的方式很多，但其中的关键在于开发先进的光器件，其中包括光交换器件和光波长转换器件。可实现光交换的器件有很多种，在光开关方面有机械光开关、聚合物光开关和半导体光开关等；在光波长转换方面有用AWG无源器件、波长可选择激光器的光－电－光转换器件以及利用4波混频效应的半导体激光放大器（SOA）；实现光－光转换的全光波长转换器件等。OXC作为全光网络中的交换节点，研制开发OXC设备已成为通信领域的热点之一，美国、日本以及欧洲的少数著名公司已经完成了OXC传输设备的一些现场实验，在系统与网络间的兼容性、OXC设备的级联特性、系统的保护交换能力、网络管理等方面取得了不少成功的经验。阿尔卡特研究中心在1000公里的无色散位移光纤上用WDM传送方式对无代价的OXC级联进行了实验，速率为2.5Gbps，实验中采用3个4×4的8信道OXC设备。本世纪初，美国世界通信公司建成了第一条OXC运行网络，该网络是美国3家公司联合进行的现场试验，此OXC网络为多模系统，可接收72个收/发往返信号，提供100ms的交换，插入损耗小于2.5dB。在2001年我国首家全光通信技术示范网—上海全光通信示范网正式投入应用。
今后的高速宽带网络一定是全光网络加IP业务网的格局。国内外的电信设备供应商和IP设备供应商都在加紧研制开发系列化的光交换／光路由产品。Monterey Networks公司的Monterey 20000 波长路由器可从初始的256×256波长端口扩展到160Tbit以上无阻塞波长端口，光波长承载2.5Gbps和10Gbps信号。Monterey 20000 波长路由器由一个中心交换子系统和多个分配输入／输出子系统组成。Cisco公司的ONS 15900波长路由器基本结构和Monterey 20000的结构相类似。中心交换子系统支持640Gbps的交换速率。每个NEBS机架中支持256个2.5Gbps或64个10Gbps速率的波长。上述产品都运用了波长路由协议（WaRP），端到端的恢复时间均为50毫秒。两种设备均支持1300nm和1550nm双窗口。国内也正在从事OXC和OADM的研发工作。
深信我国的全光网交换技术，在上海全光通信示范网的基础上，不断进取和创新，在消化、移植国外先进技术同时，有不断创新和开发具有自己独立知识产权技术和产品，全光网技术和产品的研发已处于国际前沿领域，为此我国全光网交换技术一定会有高速发展，并一定能在国际全光网领域赶超世界先进水平。
简介：
周志敏（1957年—），男，山东蓬莱市人，高级工程师，1985年毕业于哈尔滨建筑大学（现哈尔滨工业大学）自动化专业，主要从事电力和自动化系统抗干扰技术及管理工作。
摘自 光纤新闻网
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