光网络技术的关键－DWDM

一、光网络的基本特点、结构与发展趋势简介

基本特点

现有网络由光传输系统和电子节点组成，光技术用于两个电子节点间的点对点传输，在每个电子节点中光信号都要转换成电信号由电子节点进行电处理，两个网络边缘节点之间的连接通常为多跳连接，这将会增大传输延迟，使电子节点的处理负担过重，限制网络节点的吞吐量。90年代以来，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，其本意是信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生和交换／选路，中间不经过任何光电转换，以达到全光透明性，实现在任意时间、任意地点、传送任意格式信号的理想目标。但是由于光器件技术的局限性，目前全光网络的覆盖范围还很小，要扩大网络覆盖范围，必须要通过光电转换来消除光信号在传输过程中积累的损伤（色散、衰减、非线性效应等），进行网络维护、控制和管理。因此，目前所说的"光网络"是由高性能的光电转换设备连接众多的全光透明子网的集合，是ITU-T有关"光传送网"概念的通俗说法。

光网络的结构

光网络的基本结构类型有星形、总线形（含环形）和树形等3种，可组合成各种复杂的网络结构。光网络可横向分割为核心网、城域／本地网和接入网。核心网倾向于采用网状结构，城域／本地网多采用环形结构，接入网将是环形和星形相结合的复合结构。光网络可纵向分层为客户层、光通道层（OCH）、光复用段层（OMS）和光传送段层（OTS）等层。两个相邻层之间构成客户／服务层关系。

●客户层：由各种不同格式的客户信号（如SDH、PDH、ATM、IP等）组成；

●光通道层：为透明传送各种不同格式的客户层信号提供端到端的光通路联网功能，这一层也产生和插入有关光通道配置的开销，如波长标记、端口连接性、载荷标志（速率、格式、线路码）以及波长保护能力等，此层包含OXC和OADM相关功能；

●光复用段层：为多波长光信号提供联网功能，包括插入确保信号完整性的各种段层开销，并提供复用段层的生存性，波长复用器和高效交叉连接器属于此层；

●光传送段层：为光信号在各种不同的光媒体（如G．652、G.653、G.655光纤）上提供传输功能，光放大器所提供的功能属于此层。

光网络的演变与发展

从光技术的应用发展程度来看，目前属于光网络发展的初始阶段，光技术主要用于两个电子节点间的大容量点对点传输，主要的功能是传送和复用。全光传输距离约为600km（具体由单信道速率决定），更长的距离需要加电再生中继器。交换／选路、监控和生存性处理等联网功能基本上由电子技术实现。随着光技术的不断发展，全光传输距离将越来越长，交换／选路、监控和生存性处理等功能将逐渐由光子技术实现，通过采用先进的光器件逐步取代光电转换设备，不断扩大光透明子网的覆盖范围，最终实现全光通信网络的理想目标。

从复用方式来看，目前DWDM方式正在大量使用，光传输系统的容量急剧提高，但这些固定式的电路复用方式不太适台数据业务，随着网络中数据业务的比重越来越大，光网络将向基于光分组的统计复用方式发展。

从组网方式来看，光网络将沿着"点到点→链→环→多环→网状网"的方向发展。应用大量的SDH系统来满足日益增长的带宽需求必将使已敷设的光纤很快耗尽，因此，大容量的DWDM点对点系统将被大量引入，并将逐步引入OADM构成链形和环形光网络，进一步的发展将是采用灵活的可编程OADM甚至OXC将多个单环连成多环光网络。随着网络带宽需求的不断增加，环形网络的配置将限制网络基础设施的进一步扩展，光网络将向能够进行灵活有效配置的全光网状网发展。光网络灵活性将按"静态→半动态→动态"的方向发展。

从应用领域来看，光网络将沿着"干线网→本地网→城域网→接入网→用户驻地网"的次序逐步渗透。

因此，无论是从光网络技术的发展来看，还是从复用方式和组网方式来看，DWDM技术在光网络的应用中有着极其重要的位置。

二、DWDM简介

要了解DWDM以前，我们先由认识WDM是什么开始。WDM（Wavelength-Division Multi- plexing，多工分波器）是个能将一个（组）波长分成许多个波长的分波器，而所谓的分波器就如同大家所熟知的三棱镜一样，它可以把射入棱镜的白光（一组波长）分成七色光（七种波长）。在最早的光通迅中，一条光纤仅设计给一个特定波长的光传递，由于WDM技术的开发，使一条光纤可以由传递一个讯号变成传递多个讯号，在相同的铺设成本下，将光纤的使用率提高数倍，故WDM的观念在光纤用于通迅后不久便被提出。但是经WDM分波之后，每个波段分到的能量都太小，完全无法用于光纤讯号传送。直到1994年，可适用于WDM的放大器掺铒放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）成功商用化之后，WDM的使用才被业界注意。由于WDM实现了技术的提升，一个WDM可将一个光源分出越来越多的波长（或称信道，channels），所以为了区别起见，能分出较少波长者称作CWDM（Coarse WDM），分出波长密度较高者称作DWDM（Dense WDM）。

DWDM元件

DWDM就如同字面上的意思一样，是一个分出波长密度相对WDM较高的多工分波器，当前在光通迅界常用的DWDM大多是在1530～1565nm的波段中，分出32个或更多的波长。在当前市售的DWDM中，阿尔卡特（Alcatel）已推出能分出256信道的DWDM，朗讯（Lucent）所属的贝尔实验室也已经研发出1022信道的DWDM。

能将光以数个波长分出的元件就是DWDM元件，当前实现DWDM的方式有三种，分别是：薄膜滤光片（Thin Film Filter，TFF）、光纤波导（Array WaveGuide，AWG）、以及光纤光栅（Fiber Bragg Gratting，FBG）。根据富士总研2000年的调查，目前DWDM滤波元件市场中，三种技术的元件销售数量比重分别为：TFF 96％、FBG 3％和AWG 1％。但若以DWDM滤波模块市场来说，三种技术销售数量比重分别为：TFF 86％、FBG 6％和AWG 8％。虽然从销售比重上可看出采TFF实现方式的DWDM是当前市场的主流产品，不过由于TFF在规格进一步提升上有一定的困难，所以AWG及FBG实现方式也越来越受市场重视。

TFF的原理是采镀膜的方式，以气相沉积的原理，将所需膜层一层层镀在薄平板玻璃（如Ohara WMS-02）上，当光线通过不同种的滤波片后，不同的波长便被分别滤出，达到分波的效果。以此种实现方式生产的DWDM对环境的要求较小，因此易于投入商用化；不过在信道数目的提升上，TTF则因膜层数的等比增加而不易实现，所以TFF常用于16信道以下的DWDM实现。

AWG是在矽晶圆上沉积二氧化矽膜层，续以微影制程及反应式离子蚀刻法定义出数组波导，最后加上保护层即可制成；AWG原理是利用波导的物理特性将不同波长的波分出，这种技术能一次分出较多信道，不过波导易受温度等环境的影响，在大量商业化前需较好的绝热封装，这也是光纤波导最困难的技术障碍。

FBG是以紫外线照射光纤，使光纤丝中的部分材质变化成近似布拉格绕射光栅，利用光学绕射的特性将不同波长的波分出；FBG虽为以上三种制成方法中技术中成本最低、光学色散损失最小、也是大部分业者在技术上有机会切入的制程，但因实现方式的技术专利权属于加拿大UTC与CRC两家公司所有，厂商须花费60万美金取得授权，且量产后每个元件还需给付售价2.5％的权利金，因此目前厂商对开发光纤光栅技术并不积极。

三种DWDM关键技术优缺点一览表：（略）

DWDM系统

DWDM系统一般包含两类：一类是DWDM分波前后所须的元件，如EDFA、Mux／DeMux（Multiplexer／DeMultiplexer，合波／分波多工器）便属此类；一类是DWDM的应用，如OADM（Optical Add／Drop Multiplexer，光塞取多工器）、OXC（Optical Cross Connects，光交换链接器）。

EDFA是DWDM系统中最重要的元件之一。以32信道的DWDM为例，光源经此DWDM后每信道的光能大约是原光源能量的1％，所以不需经光电转换便可放大光能量的EDFA对DWDM来说，是一个绝对必要的元件。在EDFA的制造上是以常规石英系光纤为母材掺进铒离子，由于铒离子的掺入，提供了一个1550nm的能带，使得原本的讯号和高功率泵激激光（pumping laser，波长980nm或1480nm，功率10～1500mW）得以提高光讯号的强度，而不需将光讯号转成电讯号后才得以放大。

Mux／DeMux是DWDM系统使用中不可或缺的两种元件。DWDM使光导纤维网络能同时传送数个波长的讯号，而Mux则是负责将数个波长汇集至一起的元件；DeMux则是负责将汇集至一起的波长分开的元件。当前Mux／DeMux的开发较不受重视，且一般能生产DWDM元件的厂商也多具备生产能力。但未来Mux／DeMux将朝向多信道数及高速开发以外，推测也会陆续朝包含衰减器、加／解密等增加追加价值的方向开发。

OADM是DWDM系统中一个重要的应用元件，其作用是在一个光导纤维传送网络中塞入／取出（Add-Drop）多个波长信道；置OADM于网络的结点处，以控制不同波长信道的光讯号传至适当的位置。塞入／取出波道固定的OADM已进入量产，不过可藉由外部命令控制塞入／取出波道的OADM仍在开发中。

OXC是下一代光通迅的路由交换机，用在因DWDM而生成的多波道数据路由及线路调度，其功能包含网络的路由器及电信的交换机。OXC设置于网络上重要的汇接点，汇集各方不同波长的输入，再将各讯号以适当的波长输送至合适的光导纤维中。它可提供光导纤维切换（Fiber switching，连接不同光导纤维，波长不转换）、波长切换 （Wavelength switching，连接不同光导纤维，波长经转换）、及波长转换（Wavelength conversion，输出至同一光导纤维，波长经转换）三种切换功能。OXC并提供路由恢复、波长管理、及话务弹性调度，准备在下一代IP Over DWDM的电信／网络体系结构中，直接以光讯号传送替换现有的电讯号交换／路由的地位。