全光通信网（精选六篇）
全光通信网 篇1
关键词：全光通信网,WDM,EDFA,光交换
光纤通信的巨大容量和抗干扰等优越性能早已为人们所认识, 并正在逐步取代传统的电子通信而成为现代通信的主要方式。但光通信系统中的电子线路却极大地限制了光纤通信优势的充分发挥。
1 光纤通信面临的主要问题
在光纤通信系统中, 光纤作为一种很好的传输介质所具有的优良特性已被大家所共识, 但是, 只有当光纤通过适当的、合理的、科学的体系结构互联以后才能组成真正理想的网络体系, 以提供高速、宽带、高质量的业务服务。但光通信系统中的电子线路却极大地限制了光纤通信优势的充分发挥, 即出现光纤通信中所谓的“电子瓶颈”问题。而全光通信是解除“电子瓶颈”的最根本的途径。它的发展取决于实际通信的需要和有关技术的进步。这就是目前通信网络的发展目标——全光通信网络 (AON) 。
2 全光通信网的主要优点
未来的全光网是在网络中从发送端到接收端之间的信号通道始终保持着光的形式, 中间没有电转换的介入。信号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。
从技术上看, 目前全光通信网的发展趋势是“波分复用〈WDM〉+掺饵光纤放大器 (E DFA) ”, 能比传统的电信网提供更为巨大的通信容量, 概括起来主要有透明性、灵活性、扩展性、重组性、稳定性五大优点, 因此必将成为宽带通信网发展的目标。
3 实现全光通信网需解决的关键技术
3.1 全光传输技术
观察几十年通信的发展史很容易发现, 多路通信技术经历了几次大的变迁, 即频分多路 (FDM) 、时分多路 (TDM) 和波分多路 (W DM) 。
在模拟通信时代, 采用明线和电缆的多路载波电话就是利用频分多路技术。使用了很多年, 效果良好, 通信质量也满意。后来进入电的数字通信时代, 电话的模拟信号经过脉码调制 (PCM) 转换为数字信号, 即每一4K HZ频带的模拟电话转换为64Kb/s速率的数字电话。在信号转换后, 由若干路数字信号经过时分多路系统组成数字群。后来, 通信网过渡为数字通信网, 不仅电话信号数字化, 其它信息的信号都实行了数字化。就是说, 其它音频和视频信息都要分别从各自的模拟信号转换为数字信号, 甚至采用适当的压缩编码过程, 使它们的数字信号不致占用过高的数字速率。这样, 几种不同信息和不同速率的数字信号, 可以按需要经过时分多路技术复合在一起, 成为某级数字群, 传输到接收端后, 分解为各不同信息的数字信号。为了使光纤上WDM系统真正能够实现和推广使用, 必须对几种必要的光器件精心研制, 使各路信号之间在使用和传输过程中不出现互相串扰, 确保通信的正常可靠。这些关键器件包括发送端的激光管及其外部调制器、接收端的检测滤波器、以及系统的合波器/分波器等。另外, WDMM又需要新型光放大器, 使多路光载波连同各自的信号能在同一放大器内获得相等的增益, 避免过去那样传输一定距离后每路各自经过光/电转换、放大再生和电/光转换等的繁复装置, 从而使WDM在经济成本上获得优势。W DM系统真正在实际的光纤传输线路上装置运行, 效果良好。
3.2 全光中继技术
光纤通信采用WDM技术能实现超大容量、超高速的光传输。而掺饵光纤放大器 (ED FA) 的出现使全光中继成为了现实, 保证了WDM系统能够真正的实用化。
掺饵光纤放大器 (EDFA) 是90年代初发展起来的一种新型光放大器件, 它具有高增益、低噪声、宽频带, 以及对数据速率与格式透明等特点。它可以对波长在1530～1570nm的光信号同时放大, 放大增益可达30～40d B。EDFA不但结构简单, 与光纤耦合方便, 而且连接损耗小, 可用于100个信道以上的密集波分复用传输系统、接入网中的光图像信号分配系统、空间光通信, 以及用于研究非线性现象等。EDFA是目前光放大技术的主流, 它能简化系统, 降低传输成本, 增加中继距离, 提高光信号传输的透明性, 是实现全光网的关键器件, 而避免了过去使用再生中继机的光/电和电/光转换过程。
3.3 全光交换技术
通信网中传统的交换过程存在光变电、电变光, 而且它们的交换容量都要受到电子器件工作速度的限制, 使得整个光通信系统的带宽受到限制。在全光通信网络中, 我们必须在交换节点上直接进行光交换, 略去光/电、电/光的交换过程, 这样才能充分利用光通信的宽带特性, 体现全光通信高速率、大容量的特点。因此, 光交换被认为是未来宽带通信网最具潜力的新一代交换技术。
光分插复用器 (OADM) 和光交叉连接器 (OXC) 都是全光网中的必不可少的交换设备, 其中光交叉连接器是核心器件, 它们与光纤组成了一个全光网络。OXC交换的是全光信号, 它在网络节点处, 对指定波长进行互连, 从而有效地利用波长资源, 实现波长重用, 也就是使用较少数量的波长, 互连较大数量的网络节点。当光纤中断或业务失效时, OXC能够自动完成故障隔离、重新选择路由和网络重新配置等操作, 使业务不中断, 即它具有高速光信号的路由选择、网络恢复等功能。OXC除了提供光路由选择外, 还允许光信号插入或分离出电网络层。
3.4 全光通信网的管理技术
基于WDM的全光通信网络完全不同于以前的电信网。光信号传输不同于电子信号的传输, 波长选择路由不同于电系统中的路由选择, 因此, 全光网对管理和控制提出了新的问题: (1) 现行的传输系统 (SDH体制) 有自定义的表示故障状态监控的协议, 这就存在着要求网络层必须与传输层一致的问题; (2) 由于表示网络状况的正常数字信号不能从透明的光网络中取得, 所以存在着必须使用新的监控方法的问题; (3) 在透明的全光网中, 有可能不同的传输系统共享相同的传输媒质, 而每一不同的传输系统会有自己定义的处理故障的方法, 这便产生了如何协调处理好不同系统、不同传输层之间关系的问题。
对于以上每一种问题都应有相应的处理方案。从现阶段的WDM全光网发展来看, 网络的控制和管理要比网络的实现技术更具挑战性, 网络的配置管理、波长的分配管理、管理控制协议、网络性能测试等都是网络管理方面需解决的技术问题。若没有行之有效的网管控制系统, 则全光网是无法商用的。
参考文献
[1]鲜继清, 张德民.现代通信系统.西安电子科技大学出版社, 2002:233.
[2]孙学康, 张金菊等.光纤通信技术.北京邮电大学出版社, 2000:297.
全光网络构建智慧园区 篇2
不过，在这个以网络融合和大带宽为特征的物联网时代，以往基于铜线的“一种业务、一张网络”的传统建网模式，已经不能适应园区多业务和大带宽发展的需要，统一的网络接入承载、敏捷地适应业务的变化、灵活的无线接入方式，这些都成为新的智慧园区建设的重要需求和考虑因素，因此，园区网建设正在从铜线阶段进入全光纤阶段。在多业务承载和全光成为园区网络建设的趋势下，日前，华为推出了敏捷园区全光网络解决方案，意在打造一个可靠、开放的园区信息化新平台，构建以人为本的智慧园区。
园区网面临三大挑战
在云计算、物联网应用不断深入园区的趋势下，智慧园区网的建设不同于以往简单的网络铺设，而产生了一些新的需求。首先就是开放，要满足企业园区中上下游合作伙伴互联，同时让员工和访客都能开放接入，并对ICT产业链合作开放；其次是弹性需求，园区网要能快速叠加新业务、满足新需求，快速接入不同的终端，全光接入各种园区场景；另一个重要的需求就是安全问题，园区网要能隔离网络攻击，并具有受控的权限分配。
在这些新的需求面前，园区网无疑面临着诸多挑战。华为企业业务BG基础网络总经理李向军总结认为，挑战主要来自以下三方面：一是如何构建弹性网络，对业务解耦。园区网除了要兼容既有的传统业务，更重要的是能满足未知的新业务；面对带宽需求每年增长40%的大趋势，园区网要有充足的带宽扩容空间，并能低成本扩容；另外，园区网要能全场景接入，适应各种不同的场合。二是当移动应用暴增时，园区网如何确保体验一致。在园区中，接入方式、接入地点、接入终端都在动态变化中，保证ICT的一致性体验是必须解决的问题。三是如何实现网络的安全管控，这主要来自安全管理、内部泄密、恶意攻击和资源滥用四个方面。
李向军认为，正是园区网面临的这些挑战，促使华为寻找更先进、更符合需求、更与时俱进的解决方案，而华为推出的全光网络解决方案恰恰能很好地应对这些挑战。
全光网络解决方案
李向军表示：“华为以打造高品质园区网络为目标，结合在园区通信领域的多年积累，推出了新一代敏捷园区全光网络解决方案。希望借助华为建设的园区网平台，帮助用户实现信息业务精细化、移动化、协作化。”
李向军介绍说，华为敏捷园区全光网络解决方案是点到多点的无源光网络架构，相比点到点的架构，可以节省骨干光纤70%，同时无源的架构减少了有源故障点，提高了网络的可靠性。其次，该方案实现了业务统一承载，并可弹性扩展。在业务上，它通过一张光纤网络不但可以承载POTS电话、TV业务、上网业务、专线业务、视频监控、控制业务，而且可以快速适应未来出现的各项新业务和新场景的要求，改变过去一种业务、一张网络的建网模式，从而节省建网成本和维护成本，实现新业务的快速部署。在带宽上，可以实现从单纤2.5G到10G、40G以及更高带宽的平滑扩展，而无需大规模改造无源光网络部分，从而以较少的投资，快速实现带宽升级，满足未来带宽快速增长的需求。
另外，全光网络解决方案还实现了高效运维。在部署方面，对大量用户侧的ONU/ONT设备采用批量预配置和即插即用的部署方式，实现一次进站、集中软件调试，不但降低了现场安装和调试的难度，部署和调试效率更是提高了13倍。在网络维护方面，综合业务专家检查系统可以实时检测和快速定位故障；智能ODN跳线系统可实现远程控制光纤跳线，而无需手工操作，极大地降低了人工维护成本。在物联网时代，终端设备正在成几何级数增加，高效的部署和运维成为新的挑战，华为的这一解决方案可以有效地解决部署和运维中的诸多难题。
智慧园区的基石
据李向军介绍，华为作为光接入领域的领导者，仅2012年在ITU-T接入领域被接受的标准中贡献率已超过50%。有数据显示，2013年第三季度华为在光接入网络市场所占份额第一，并已连续7年在光接入全球市场份额保持第一。
华为敏捷园区全光网络解决方案目前已在全球帮助多家用户实现了智慧园区的建设，其中包括阿联酋的迪拜塔、西班牙Benetronica智慧园区、上海月星环球港、东风汽车集团、云峰山玉墅酒店等。
全光通信及其关键技术 篇3
一、全光通信及其特点
全光通信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采用全光网络交换技术。全光通信与传统的通信网络与现有的光纤通信系统相比, 具有独具的特点:
1、全光通信是历史发展的必然。
电子交换机代替了模拟传输, 在数字传输之后, 引入了数字交换。现在采用光传输技术是历史的螺旋上升, 光网络是下一步必然的发展对象。
2、降低成本。
在采用电子交换及光传输的体系中, 光/电及电/光转换的接口是必要的, 如果整个采用光技术可以避免这些昂贵的光电转换器材。
3、解决了“电子瓶颈”问题。
在目前的光纤系统中, 影响系统容量提高的关键因素是电子器件速率的限制。如电子交换速度大概为每秒几百兆位, 而只在大规模图像传输研究领域达Tbit/s的速率。
二、全光通信的关键技术
为了实现准确、有效、可靠的全光通信, 应采用以下关键技术:
1、光多址技术
光多址技术是光纤通信系统的关键技术之一。选用哪一种光多址方式直接影响到系统的频谱利用率、系统容量、设备的复杂度及成本等。光多址方式主要有光波分多址、光时分多址、副载波多址。
除以上多址技术以外, 随着光纤通信技术的发展, 还会出现其他的多址方式, 如利用不同的代码序列来区分各ONU的光码分多址, 利用不同的光纤或将光纤中的光速沿空间分割给不同的ONU来实现通信的空分多址方式等。当然, 其中也包括上述多址方式的混合多址方式, 如将光时分多址与光波分多址相结合, 可进一步提高系统容量。
2、全光信息再生技术
在光纤通信中, 光纤的损耗和色散严重影响通信质量。损耗导致光信号的幅度随传输距离按指数规律衰减, 这可以通过全光放大器来提高光信号功率。色散会导致光脉冲发生展宽, 发生码间干扰, 使系统的误码率增大, 严重影响了通信质量。因此, 必须采取措施对光信号进行再生。目前, 对光信号的再生都是利用光电中继器, 即光信号首先由光电二极管转变为电信号, 经电路整形放大后, 再重新驱动一个光源, 从而实现光信号的再生。这种光电中继器具有装置复杂、体积大、耗能多的缺点。而最近, 出现了全光信息再生技术, 即在光纤链路上每隔几个放大器的距离接入一个光调制器和滤波器, 从链路传输的光信号中提取同步时钟信号输入到光调制器中, 对光信号进行周期性同步调制, 使光脉冲变窄、频谱展宽、频率漂移和系统噪声降低, 光脉冲位置得到校准和重新定时。全光信息再生技术不仅能从根本上消除色散等不利因素的影响, 而且克服了光电中继器的缺点, 成为全光信息处理的基础技术之一。
3、网络管理控制
为了充分发挥光通信的优势, 必须研究开发行之有效的网络管理控制系统。网络的配置管理、信道的分配管理、管理控制协议、网络的性能测试等都是网络管理方面需要解决的技术。由于全光网络采用了先进的多址技术, 因此如何根据当前的业务负载及信道的使用情况来动态地分配信道资源, 对于全光网络尤为重要。只有高效地分配信道, 才可使系统达到最大容量和最佳通信质量。
4、光交换网络技术
光交换是指光纤传送的信息直接进行交换。与电子数字程控交换相比, 光交换无需在光纤传输线路和交换机这间设置光端机进行光/电、电/光变换, 并且在交换过程中还能充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应的优点。光交换技术作为全新的交换技术, 与光纤传输技术相融合可形成全光通信网络, 从而将通信网和广播网综合在一个网中, 成为通信的未来发展方向。它主要有5种交换方式:空分光交换、时分光交换、波分光交换、复合型光交换及自由空间光交换。
除以上必须采取的关键技术外, 为了进一步提高全光通信的系统容量及获得最大的传输距离, 还可采用非线性 (光孤子) 传输技术、变换极限超短光脉冲的产生等技术。
三、光时分多址/光时分复用全光网络的探讨
目前, 对全光网络的研究比较广泛。总体上, 研究轻深入的全光网络是WDMA/WDM。其ONU到光交换局的上行信号采用WDMA方式, 光交换局到ONU的下行信号采用WDM。其光交换网络技术是利用波分光交换和空分光交换相结合的复合光交换方式。但是, 笔者认为, 从光纤通信的长期发展来说, 光时分多址/光时分复用 (OTDMA/OTDM) 全光网络具有更大的发展前途。因为该网络与WDMA/WDM全光网络相比, 具有更高的频谱利用率, 更容易实现信道的动态分配、更高的系统容量等优点。其网络拓扑结构建议多采用星型或树型。其下行采用OTDM实现信号传输, 并可在某些固定的传输控制信号, 如测距脉冲、同步脉冲、严格的发送定衣及控制ONU的激光器发送功率的脉冲信号等;上行采用OTDMA方式用以实现不同ONU的多址连接。其交换方式采用光时分交换方式。每一帧可分为16或32个时隙, 用以与各ONU相连。
结束语
光多址技术、全光时钟提取技术、全光信息再生技术、光放大技术、光线性 (光孤子) 传输技术等, 是将以电子技术为基础处理技术升级到光子技术的关键技术。随着光纤通信技术的发展, 可望在不久的将来定会出现实用化的全光信息处理系统, 到那时全新的光纤通信技术以及其他的光信息处理技术将会有质的飞跃。
参考文献
[1]韦乐平:《光同步数字传输网》, 人民邮电出版社, 1993年。
[2]李广成:《SDH管理系统的实现与原理》, 《电信科学》, 1996年。
下一代光网络“全光网”技术思考 篇4
关键词：全光网 技术思考
中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0055-01
下一代光网络“全光网”技术思考
马志刚
（辽宁省盘锦市辽河油田通信公司?辽宁盘锦?124010）
摘?要：全光网是指信息从源节点到目的节点的传输完全在光域上进行，即全部采用光波技术完成信息的传输和交换的宽带网络。它克服了原有电路交换节点的时钟偏移、漂移、串话、响应速度慢、固有的RC参数等缺点。目前，光纤通信系统与卫星通信和移动通信系统共同构成综合通信网络，已成为国家信息基础设施的支柱。
关键词：全光网 技术思考
中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0055-01
随着光纤通信技术的迅速发展，许多学者提出了“全光网络”的概念。光纤通信系统主要由3部分构成：光发送机、光纤传输线及光接收机。光发送机是将来自电发送机的电信号转换成光信号，藕合到光纤中进行传输，到达光接收机后，由光电探侧器再将光信号转换为电信号，经处理后送到电接收机。在长途通信系统中，光信号在光纤中受到损耗、色散的影响，质量变差，因此还需在中途进行中继，即对信号进行放大、整形，以获得高质量的信号。在光纤通信系统中，限制传输距离的因素是光纤的损耗和色散。除此之外，光纤的非线性效应也是影响光纤传输属性的重要原因。在应用光放大器从而在基本上解决了光纤损耗的现象之后，系统中无须在每个中继站进行信号定时再生，而直接将光信号放大，取代传统的经过光/电/光转换的电中继器，从而实现自始至终的光传输方式，其中加之光复用、光交换和光的信息处理技术，使之实现任何点到点之间的光信息的共有或交互传递过程，即实现全光通信。全光通信是技术迅猛发展所催化的产物，通过将骨干长途传输系统中再生站内光/电转换的数目减至最少，可以降低网络成本，这是驱动传输网向“全光”演变的重要因素。
1 全光网的特点
全光网是利用波长组网，在光域上完成信号的选路、交换等，它具有以下特点。
（1）通信容量特别大，适合于高速率的数字通信；
（2）传输损耗低，中继距离长；
（3）中继站无需幅度均衡措施，电路简单；
（4）多根光纤可以组成光缆，而且相邻光纤之间几乎没有串音，通信质量有保证；
（5）光沿光纤传播，没有大地电回路，没有接地问题，不受大地电流影响；
（6）不受电磁、静电及人为干扰，特别适用于电气铁路和电力线路的通信应用；
（7）没有电火花产生，在易燃、易爆场合使用（例如矿井中）安全可靠；
（8）窃听困难，保密性好；
（9） SiO2原料丰富，取之不竭；
（10）系统尺寸小、重量轻、易于敷设和处理，经济效益高。
由于在光域上对多功能光联网能力的迫切需要，国际上许多标准化组织和互操作论坛都致力于对可重构光网络的需求和结构的研究。除ITU-T外，包括ANSI TI X1.5协会、光互联网论坛（OIF）和IEfF在内的标准化组织也都积极致力于与之相关的动态可重构光网络项目的研究工作。目前，ANSI TIX1.5协会的工作主要集中在建立光通路och层网络所需使用的信令协议和开发所必须具有的自动控制功能两个方面。而光互联网论坛主要从事发展和促进不同光互联网系统之间的互操作性，并负责对可重构互联网的不同结构框架进行评估。OLF的结构工作组于1999年10月19日在加利弗尼亚举行的技术会上，决定将致力于定义在光互联网系统中提供快速维护和有效恢复功能的信令协议。总之，要成功地实现光域上的光联网技术，很大程度上依赖于在可重构、可编程的多功能波长分插复用（WADM）的光交叉连接（OXC）等光网络节点设备上增加与之相称的控制层技术。
2 全光网络核心技术
2.1 光时分复用
光时分复用（OTDM）是用多个电信道信号调制具有同一个光频的不同光通道（光时隙），经复用后在同一根光纤中传输的技术。光时分复用是一种构成高比特率传输很有效的方法，它在系统发送端对几个低比特率数据进行光复用，在接收端用光学方法把它解复用出来。
2.2 光交换技术
光交换技术是实现全光通信的关键技术之一。与电子交换相比，光交换无须在光传输线路和交换机之间设置光/电或电/光变换，不存在“电子瓶颈”问题，它能充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应等优点。综合迄今为止的研究成果，已有的光交换方式大致可分为5种：光空分交换、光时分交换、光波分交换、复合型光交换和自由空间光交换。因自由空间光交换具有在1mm范围内高达10μm量级的分辨率等显著特点而被认为是一种很有前途的新型光交换方式。但由于不少关键技术还没有完全突破，例如光逻辑控制（通过光信号自身的处理去控制光信号的交换）等技术还没有得到很好的解决，所以光交换技术的真正实用化还尚需时日。
2.3 光交叉连接
光交叉连接（OXC）是全光网中的核心器件，它与光纤组成了一个全光网络。OXC交换的是全光信号，它在网络节点处，对指定波长进行互连，从而实现波长重用。当光纤中断或业务失效时，OXC能够自动完成故障满离、重断选择路由和网络、重新配里等操作，使业务不中断.即它具有高速光信号的路由选择、网络恢复等功能。
通常OXC有3种实现方式：光纤交叉连接、波长交又连接和波长变换交叉连接。其中，光纤交叉连接以一根光纤上所有波长的总容量为基础进行交又连接，容量大但不灵活。波长交叉连接可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用相同波长的任何光纤上，现在也有人将这种波长交叉连接称为无源光路由器它的波长可以通过空间分割实现重用。波长变换交叉连接可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用不同波长的任何光纤上，具有最高的灵活性。它和波长交叉连接的区别是可以进行波长转换。
3 全光网络发展目标
全光网络发展目标将分两个阶段完成。第一阶段为全光传送网，即在点对点光纤传输系统中，全程不需要任何光/电转换。在这一阶段中，全光中继、光的上下复用技术和波分技术是其关键技术。第二阶段目地是要建成完整的全光网。建成用户全程光传送网只是第一步，在后续的工作中有很多的信号处理、数据储存、信息交换以及多路复用及复用、业务分布循环等功能都需要光子科技来处理，完成端口到端口的光传送、交换和处理等功能。在这一阶段中，涉及全光交换、光交叉连接、光插分复用、波长转换以及信道争夺解决和同步等关键技术。
4 结语
全光网的巨大优势，加之互联网泡沫的刺激、超大容量WDM技术纪录不断刷新，应运而生的“全光网”概念迎合了人们的这种需要。它寄托了人们简化网络结构、增加通信容量、延长通信距离的美好愿望和理想。
参考文献
[1] 陈雪.光网络专辑无源光网络技术[M]. 北京邮电大学出版社，2006.
[2] 顾畹义.光纤通信系统修订版[M].北京邮电大学出版社，2006.
浅论全光通信技术的发展 篇5
1 全光通信技术及其通信特点
1.1 全光通信网系统
全光通信网系统是指, 从源节点到终端用户节点的整个数据链路见的数据传输与交换都在光路中进行, 去掉电信号的接入, 实现端到端的全广域信息传输。尤其是在各个节点中也要采用全光网络数据交换技术。全光通信系统主要包含以下几部分:光源、光域调制解调器、光信息传输网络、光交换节点网络等。具体的实现可用两部分传输进行描述:第一部分为光信号在网络中的传输, 即在整个传输系统中, 信号全部为光信号, 没有电信号的介入。这种通信方式可以避免因数据传输过程中的信息转换而产生的信息丢失或改变, 还能够充分发挥光纤通信的超宽频带优势和抗电磁干扰优势, 实现信息的高速有效传输。第二部分为光信号在通信网络中的信息处理, 即在完成点到点的光传输后还可以在整个网络中实现光信号的存储、处理与交换, 替代当前的电信号处理技术。通过组合光通信的信号传输和信号处理形成完整的全光通信技术。但是就当前技术的限制, 第二部分还无法实现, 因此目前所提及的全光通信技术主要是针对第一部分而言的。
1.2 全光通信技术特点
全光通信相较于传统通信与现有光通信而言, 具备更强的可管理性、更简便的信息传输灵活性、更易操作的网络透明性。具体而言:⑴全光通信网络由于整个信息传输都在广域内进行, 而光通信网络中的信息传输具有电通信网络或者混合网络所无法比拟的传输容量, 故全光通信网络能够提供巨大的带宽。⑵因为全光通信网络中的信息传输具有传输码率、数据帧格式、调制方式等方面的透明性, 故可以采用不同的波分复用技术和通信协议对数据进行传输, 增强了通信网络的透明性。⑶由于全光通信网络可以在全网的任意节点对某个波长的光信号进行抽出或者加入操作, 故全光通信网络具有了更强的组网灵活性和网络可扩展性。⑷由于全光通信网络拥有更好的系统稳定性和网络兼容性, 故其可在未来的宽带综合数据网中进行网络融合和网络升级。⑸鉴于全光通信网络中使用的光通信器件多为无源器件, 且消除了混合网络中的光电转换过程, 故全光通信网络具有更高的可靠性和更为快速的传输速率。
2 全光通信技术的发展现状和存在问题
2.1 全光通信技术的发展现状
由1.1节可知, 目前的全光通信技术还停留在光信号传输过程中, 故其技术的发展还有很长的路要走。
现阶段的全光网通信技术中的信号调制方面和交换方面主要以波分复用技术为核心, 该技术主要应用不同的滤波器实现光的复用, 但是这些技术的实现需要昂贵的设备, 还无法完全应用到实际应用中。
而在传输方面主要以掺铒光纤放大器与波分复用、光纤色散补偿相结合的技术为主。因为长距离的光通信会引发光纤损耗和光纤色散现象。面对光纤损耗可以通过光放大器进行恢复, 对于光的色散则容易引起码间干扰、模式分配噪声、频率啁啾声等信号损害。为弥补光纤的色散补偿, 必须采用一定的补偿设备和技术手段, 如利用新型的非零色散位移光纤或者采用色散管理技术等实现色散的消除或者补偿。
2.2 全光通信技术发展中存在的问题
虽然全光通信具有非常多的技术优点和吸引力, 但是由于一些最为关键的技术还未得到切实解决, 故在全光通信技术的发展中还存在很多问题。首先是在光放大部分。虽然已有商用的掺饵光纤投入生产, 但是其波长范围主要集中在1530纳米到1560纳米之间, 这就对传输信号的可用波长进行了限制, 导致无法实现理论中的高带宽。并且由于目前的掺饵光纤存在着诸多问题, 更加限制了对其的应用。其次是在节点交换部分。全光通信会在通信网中引入大量的光开关和滤波器, 这些设备都会为信号带来不同程度的串扰, 更为严重的是这些串扰在传输过程中会产生积累。这些积累在不同波长之间的串扰或者同波长之间的串扰都会为光信号的传输带来增益损耗。另外, 由于光通路需要严格的设备连接, 光滤波器的级联也会限制传输的带宽。最为主要的是, 目前的全光通信技术还没有一套成熟的运行控制与管理方案。
参考文献
[1]刘爱莲, 龙华, 谢涛.全光通信技术及发展现状[J].云南民族大学学报 (自然科学版) , 2005, 14 (1) .[1]刘爱莲, 龙华, 谢涛.全光通信技术及发展现状[J].云南民族大学学报 (自然科学版) , 2005, 14 (1) .
[2]叶春霞.全光通信及其关键技术[J].中国西部科技, 2011, 10 (7) .[2]叶春霞.全光通信及其关键技术[J].中国西部科技, 2011, 10 (7) .
[3]张书贤.全光网络技术及其发展前景[J].通信管理与技术, 2006 (2) .[3]张书贤.全光网络技术及其发展前景[J].通信管理与技术, 2006 (2) .
[4]沈淑红, 甘丽, 陈颖.全光网的发展前景及关键技术[J].牡丹江教育学院学报, 2007 (3) .[4]沈淑红, 甘丽, 陈颖.全光网的发展前景及关键技术[J].牡丹江教育学院学报, 2007 (3) .
全光通信网 篇6
随着通信业务的快速增长,光纤通信网正在向高速率、宽带宽和大容量的全光通信网络发展,传统的基于光-电-光转换的信号处理方式已难以适应这种趋势,而作为一种重要的全光信号处理技术,全光逻辑异或门受到广泛关注,且基于各种不同方案的全光异或门已多见报道。
现有的光通信保密系统仍采用基于电信号处理的流密码加解密技术,由于受到电子“瓶颈”的限制,其加解密速率较低,实验室最高速率仅为2.5 Gbit/s。发生突发事件时,现有光通信网络的业务量将可能成几十倍甚至上百倍的剧增,传统的基于电信号处理的加解密技术难以适应超高速和超大容量的业务需求,也无法完全兼容下一代全光通信网络,而基于全光信号处理的加解密技术的速率可以超过100 Gbit/s。同时,现有的光纤通信网在光域内对数据光信号没有采取任何的安全处理,光纤信道只负责信号传送,即将比特光码从一个节点透明地传送到下一个节点。另外,我国光纤通信网中的SDH(同步数字体系)和DWDM(密集波分复用)技术体制均来自于国外,其接口协议、性能参数和码流特性等均对外公开,这对于光通信网而言是一个致命的缺陷。随着光纤通信网攻击与窃听技术的迅速发展,直接窃取光纤传输数据、光网络管理系统信息被修改和光网络节点设备被攻击的可能性已经成为现实,光网络随时面临安全威胁,无法保证数据信息的安全。因此,对基于全光信号处理的加解密技术的需求迫在眉睫。本文采用全光信号处理的方法,提出基于全光异或门的加解密技术,对数据信号进行全光安全处理。
1 全光异或加解密原理
异或运算具有可逆性,即A⊕B=C,C⊕B=A。全光异或加解密的基本原理就是先用光密钥序列对光数据序列进行加密得到密文,然后再用相同的光密钥序列对密文序列进行解密恢复出原始的明文数据序列。图1所示为全光异或加解密原理框图,图中两个光伪随机密钥产生器生成完全相同的伪随机光密钥序列,全光异或门完成对明文数据序列的加密和解密运算,光纤信道完成对密文数据的传输功能,保密信道用于传递种子密钥。
2 全光异或加密方案的实现
全光异或加密方案的实现主要是利用介质的非线性效应,例如HNLF(高非线性光纤)、SOA (半导体光放大器)等的非线性特性。基于这些非线性介质的异或加密方案主要有两种:一种是基于介质本身的非线性效应实现异或加密,另一种是基于非线性介质所辅助的干涉仪结构实现异或加密。
2.1 基于HNLF克尔效应的全光异或加密方案
图2所示为基于HNLF克尔效应的全光异或加密方案框图[1]。在HNLF输入端,控制信号光A、B和连续探测信号光C同时注入HNLF,其中A、B的偏振方向相互垂直,且它们分别与C的偏振方向成45°夹角。在HNLF输出端设置一个方向与C的初始偏振方向相互垂直的偏振检偏器。若A和B同为“0”,则C得不到调制,其偏振方向保持不变,经过检偏器后输出“0”;若A和B一个为“1”,另一个为“0”,则光纤的克尔效应将导致“1”码信号偏振方向与“0”码信号偏振方向的折射率差异,这种双折射效应使得C的偏振方向发生旋转,经过检偏器后输出“1”;若A和B同为“1”,则由它们所引起的双折射效应相互抵消,C的偏振方向保持不变,经过检偏器后输出“0”。指定信号A、B分别代表数据光信号和密钥光信号,则上述操作就实现了对数据光信号的异或加密运算。
由于HNLF具有超快的响应速度(飞秒量级)和极高的非线性效应,因此该加密方案的运算速率理论上可以达到100 Gbit/s以上。文献[2]中采用高非线性氧化铋玻璃光纤,通过实验成功验证了基于光纤FWM(四波混频)效应的全光CDMA(码分多址)加解密系统。然而在该加密方案中,光纤的使用导致异或门体积相对较大,结构复杂,难以集成。
2.2 基于SOA-XGM的全光异或加密方案
图3所示为基于SOA- XGM(交叉增益调制)效应的异或加密方案框图。SOA中的XGM来自于它的增益饱和效应,两路波长相同的光信号A、B分别作为数据光信号和密钥光信号,经过放大形成强泵浦光后分别从SOA1和SOA2的右端输入对它们进行增益调制,使得SOA1实现A和B非的与逻辑运算功能,SOA2实现A非和B的与逻辑运算功能。两路信号在1端口耦合相加,输出即为密钥B对数据A的异或加密结果。
该加密方案无需输入额外的光束,且对偏振不敏感,但由于XGM效应引起的啁啾特性,该方案难以获得高消光比的加密运算结果。文献[3]中提出并验证了基于SOA-XGM的异或门全光加解密系统,对10 Gbit/s的数据信号进行了全光加解密运算,加解密输出消光比分别为7和5.5 dB。
2.3 基于SOA-MZI的全光异或加密方案
图4所示为基于SOA-MZI(马赫-曾德干涉仪)的全光异或加密方案结构示意图。
波长同为λS的数据信号光A和密钥信号光B分别输入到MZI的端口1和端口2,波长为λCW的连续探测光C输入到端口3(X型耦合器)。数据A和密钥B分别调制上下两个SOA的载流子浓度引起折射率的变化,这将导致连续探测光C通过上下两个SOA时产生相位调制。当A和B一路为“0”,另一路为“1”时,不同的相位调制产生π的相位差,连续光在端口4发生相长干涉,输出为“1”;当A和B都为“0”或者都为“1”时,相位差为0,连续光发生相消干涉,端口4输出为“0”,从而实现了密钥B对数据A的异或加密功能[4]。
该加密方案是目前结构最紧凑、性能最稳定的方案之一,已有多篇文献报道了这种全光异或加密方案。文献[5]中采用该加密方案对10 Gbit/s的数据光信号进行了全光加解密运算,解密输出信号消光比约为11 dB。然而在该加密方案中,SOA的载流子恢复时间较长(约100 ps),限制了信号处理速度,且难以获得较高的输出消光比。
3 全光异或加解密仿真实验
全光异或加解密原理如图1所示。本文采用光通信系统设计软件OptiSystem搭建了基于SOA-MZI全光异或门的加解密系统仿真模型,对速率为20 Gbit/s的RZ(归零)码数据光信号进行了全光异或加解密仿真实验。实验中所用到的密钥序列和明文数据序列都是由连续波激光器经过马赫-曾德电光调制器得到的RZ码光脉冲序列,当驱动电光调制器的电信号分别是速率为20 Gbit/s的RZ电脉冲密钥序列和数据序列时,经调制就产生了20 Gbit/s的RZ码光密钥序列和光数据序列。
实验过程中发现,加密所得密文信号在正确的波形旁边总会出现多余的小峰,输出消光比较低,不利于光解密单元对信号的判决检测,导致解密效果下降甚至无法解密。因此,本文基于HNLF的SPM(自相位调制)效应设计了一个优化结构置于光加密单元之后对加密结果进行优化,主要利用了HNLF的高非线性特性,它取决于光纤的非线性参量γ值[6]:γ=2πn2/(λAeff),式中,n2为光纤的非线性折射率系数,λ为光波波长,Aeff为光纤某个模式的有效模场面积。通过减小有效模场面积或者增大非线性折射率系数,可使光纤的非线性参量值γ增大,从而实现高非线性特性。图5所示为基于HNLF的优化结构原理框图。常规的密文信号经过端口1被分成功率相等的两路,一路经过一个π相位偏移器,另一路经过一段HNLF,合理设置链路参数,使得此路密文信号在HNLF中发生SPM效应。两路密文信号在端口2处发生干涉,将高功率的“1”码信号进一步增强,将低功率的“0”码信号抑制,从而实现优化功能[7]。
设数据序列为“011010111011011101011011”,伪随机密钥序列为“010010000001010101000001……”,加密所得密文数据信号波形如图6所示,其二进制序列为“001000111010001000011010……”,仿真结果与理论结果完全相同,加密成功,但是消光比较低,仅为10 dB左右。设定优化方案中的HNLF长度为50 m,非线性折射率为6.0×10-20 m2/W,有效模场面积为1 μm2。图7所示为优化后的密文信号波形图,消光比达28 dB。
为了更好地比较优化前后的系统性能,在仿真链路中设置了眼图仪。图8所示为优化前的密文数据信号眼图,图9所示为优化后的密文数据信号眼图。可见经过优化,密文信号的眼图质量变得更好了,去除了多余的小峰,提高了加密输出消光比。
4 结束语
本文论述了几种典型的全光加密方案,介绍了它们各自的工作原理、特点及研究进展,通过OptiSystem软件对20 Gbit/s的RZ码数据光信号进行了全光加解密仿真运算,发现所得密文信号在正确的波形旁边总会出现多余的小峰,输出消光比较低,导致解密效果下降甚至无法解密。因此,基于光纤SPM效应设计了一个优化结构对输出密文信号进行再次处理,很好地克服了上述问题,去除了多余的小峰,提高了输出消光比,优化了加解密性能。目前,基于全光信号处理的加解密技术尚处于理论研究和仿真实验阶段,还没用实用化。随着光通信业务量的剧增和光纤传输网攻击与窃听技术的迅速发展,全光加解密技术必将成为光纤传输网的一种可靠保障,使整个光通信保密系统的运算速率更高,传输更安全。
参考文献
[1]Yu C Y,Christen L,Luo T,et al.All-Optical XORGate Using Polarization Rotation in Single HighlyNonlinear Fiber[J].IEEE PHOTONICS TECHNOL-OGY LETTERSS,2005,17(6):1232-1234.
[2]Fok M P,Prucnal P R.All-Optical Encryption forNetwork with Interleaved Waveband Switching Modu-lation[A].OFC 2009[C].San Diego,California,USA:OSA,2009.OThI2.
[3]Jung J Y,Son C W,Lee S,et al.Demonstration of10Gbps all-optical encryption and decryption systemutilizing SOA XOR logic gates[J].Opt Quant Elec-tron,2008,40:425-430.
[4]黄德修,张新亮,黄黎蓉.半导体光放大器及其应用(第一版)[M].北京:科学出版社,2012.177-178.
[5]Nielsen M L,Buron J D,Dagens B.Demonstration ofan all-optical 3-input XOR-gate and a data encryption/decryption scheme at 10 Gb/s based on all-activeMach-Zehnder interferometers[A].Optical Ampli-fiers and Applications(OAA)2002[C].USA:OSATrends in Optics and Photonics Series,2002.OTuD3.
[6]贾东方,余震虹.非线性光纤光学原理及应用(第二版)[M].北京:电子工业出版社,2010.670-673.