赫茨實(shí)驗(yàn)室研制了速度極高的光開關(guān),它可在160Gbit／s的光數(shù)據(jù)流中取樣。其工作原理是：利用波長分別為1302nm、1312nm的兩個(gè)光脈沖在半導(dǎo)體光放大器中產(chǎn)生的四波混頻可對照檢查155O nm的光信號脈沖取樣。這種高速開關(guān)適用于未來從光IP信號中直接提取路由地址,以便實(shí)現(xiàn)光IP（IP over Optical）。

　　基于微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS（Micro-elecromechan-ical systems）技術(shù)的微鏡陣列光開關(guān)技術(shù)也是目前發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。在光網(wǎng)絡(luò)中使用MEMS技術(shù)相對于傳統(tǒng)的電子設(shè)備具有低成本、快速、體積小、通信容量大,而且具有體積小、靈活可變、對比特率和協(xié)議透明、跨越電子限制提高網(wǎng)絡(luò)速度等優(yōu)點(diǎn)。但目前的開關(guān)速度還達(dá)不到要求。微機(jī)械技術(shù)還可做可變光衰減器,其工作原理是利用靜電引力改變微機(jī)械中的遮蔽片的位置,以遮蔽光纖的導(dǎo)光面積,從而改變光衰減。該器件可由光信號控制,可用以制作：光衰減器、光功率穩(wěn)定器、光功率均衡器和光波段開關(guān)。

　　另一種光開關(guān)是高分子數(shù)字交換器件。近來采用Polymer高分子材料制作的光波導(dǎo)器件正趨于成熟。高分子材料易于加工,成本低,在電極上施加電壓就可控制光信號通過或不通過光波導(dǎo)。目前存在問題是易于從襯底硅片上脫落、易吸水和老化問題。

　　2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類

　　光網(wǎng)絡(luò)可按照物理連接分為環(huán)網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)、星型網(wǎng)和總線結(jié)構(gòu)。環(huán)型拓樸與網(wǎng)狀拓?fù)湎啾扔泻芏鄡?yōu)點(diǎn),例如：鏈路分?jǐn)偟某杀镜?鏈路可共享,而且當(dāng)出現(xiàn)大的突發(fā)數(shù)據(jù)流時(shí)可同時(shí)使用工作光纖和保護(hù)光纖降低路由器的負(fù)荷,從而避免了在路由器端的緩存需要。

　　多波長網(wǎng)絡(luò)又可分為單跳網(wǎng)和多跳網(wǎng)。在單路網(wǎng)中從源端到目的地的數(shù)據(jù)流就像一個(gè)光流一樣穿過網(wǎng)絡(luò),在中間任何節(jié)點(diǎn)無需電的轉(zhuǎn)換。從光網(wǎng)絡(luò)選路方式上劃分有兩種典型的單跳網(wǎng)絡(luò)：廣播與選擇網(wǎng)（Broadcast and select network）以及波長選路網(wǎng)（Wavelength routed network）。

　　廣播與選擇網(wǎng)是通過無源星型耦合器件將多個(gè)節(jié)點(diǎn)按照星型拓樸結(jié)構(gòu)連接起來的�；�本原理是以廣播形式發(fā)送,接收端有選擇地濾波接收。這種網(wǎng)絡(luò)主要用于高速局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)。有兩種工作方式：固定波長光發(fā)送而使用可調(diào)諧的光接收或者接收波長固定而發(fā)送波長可調(diào)。廣播與選擇網(wǎng)有兩個(gè)不足之處：其一是浪費(fèi)了光功率。發(fā)射的光功享送到所有的接受器,不管這個(gè)接收器是否是通信對象。這樣,對實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)來說,增加了光分流引起的損耗。其二是可擴(kuò)展性差。N個(gè)節(jié)點(diǎn)至少需要用N個(gè)波長,增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)要增加一個(gè)波長,每一個(gè)接收器的可調(diào)諧范圍也要相應(yīng)增加一個(gè)波長,而且不能執(zhí)行波長重用。

　　與之相反,波長選路網(wǎng)關(guān)鍵元素是波長途擇交換器,它也分為兩種：波長遠(yuǎn)路交換方式和波長轉(zhuǎn)換交換方式。前者是通過改變WDM路由動態(tài)地在通信間交換數(shù)據(jù)信號。后者通過波長轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)倒換到另一個(gè)波長通道上。

　　若在節(jié)點(diǎn)中采用光開關(guān)、波長轉(zhuǎn)換器、可調(diào)諧濾波器、陣列波導(dǎo)路由器等光子器件,就可構(gòu)成靈活的、可擴(kuò)展的、可重構(gòu)的光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　3 波長路由

　　光網(wǎng)絡(luò)是由光通路將波長路由器和端節(jié)點(diǎn)相互連接而構(gòu)成的。顯然每個(gè)鏈路可支持好多信號格式,但它們都被限定在波長粒度上。波長交換機(jī)（或波長路由器）構(gòu)成形式有以下幾類：

　　· 非重構(gòu)交換機(jī)：每個(gè)輸入端口和輸出端口對應(yīng)關(guān)系是固定的而且波長一致,一旦建成就無法改變。

　　· 與波長元關(guān)型可重構(gòu)交換機(jī)：輸入端口和輸出端口的對應(yīng)關(guān)系可以動態(tài)重構(gòu),但這種關(guān)系與波長無關(guān)。即每一個(gè)輸入信號都有一些固定的輸出端口。

　　· 波長選擇型可重構(gòu)交換機(jī)：它同時(shí)兼有端口的動態(tài)重構(gòu)和依據(jù)輸入波長的選路功能。

　　給定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浜鸵惶仔枰�在網(wǎng)絡(luò)上建立的端到端光信道,而為每一個(gè)帶寬請求決定路由和分配波長就是波長途路由問題。光網(wǎng)絡(luò)中波長路由問題主要有3類：

　　一是在不使用全光波長變換模塊時(shí),實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)波長和路由的動態(tài)分配（RWA）問題,解決途徑是確定優(yōu)化判據(jù)、波長和路由的分配算法。也包括在所需系統(tǒng)代價(jià)最小的情況下故障恢復(fù)路由的動態(tài)自愈恢復(fù)算法。

　　二是在有全光波長變換模塊時(shí),利用波長變換模塊如何降低波長堵塞的算法研究,包括使用波長變換模塊后系統(tǒng)性能增加和波長路由光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)尺寸的關(guān)系。

　　另外要實(shí)現(xiàn)真正的自適應(yīng)路由和波長分配,還必須考慮業(yè)務(wù)流量制約下的選路問題。最理想的情況是DWDM光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測光信道上的業(yè)務(wù)流量,根據(jù)使用情況按照相應(yīng)算法增加／減少光信道數(shù)量和提高／降低光信道數(shù)據(jù)速率。

　　光網(wǎng)絡(luò)獨(dú)一無二的屬性是可以實(shí)現(xiàn)波長路由,通過網(wǎng)絡(luò)中的信號路徑由波長、源信號、網(wǎng)絡(luò)交換的狀態(tài)信息以及選路中的波長改變信息等來共同決定。圖2表示了一種基于波導(dǎo)光柵路由器（WGR）的波長選路網(wǎng)中光路的建立過程。WGR節(jié)點(diǎn)通過波長路由算法分配波長,波長轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用可增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

　　波長分插復(fù)用（WADM）可與路由器直接連接,使得在兩者之間建立光路徑成為可能。由于Internet數(shù)據(jù)在發(fā)達(dá)和接收信道上具有很高的不對稱性,因此依據(jù)對稱的話音業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的現(xiàn)有通信系統(tǒng)不能適應(yīng)這種非對稱業(yè)務(wù)。而直接將路由器與分立波長相連的一個(gè)優(yōu)勢是光學(xué)系統(tǒng)能夠直接根據(jù)Internet數(shù)據(jù)的流量情況在以波長為基礎(chǔ)的光域上執(zhí)行相應(yīng)的流量疏導(dǎo)功能。

　　4 網(wǎng)絡(luò)同步和安全性

——由于DWDM系統(tǒng)提供的相互不存在時(shí)間關(guān)系的不同波長的復(fù)用,因此不需類似于SONET中的時(shí)鐘系統(tǒng)。然而要保證傳輸質(zhì)量,也許在WDM系統(tǒng)中仍需要同步技術(shù)。

　　光纖可非常容易地實(shí)現(xiàn)安全性連接。量子密碼（Quantunm cryptography）技術(shù)使用最基本的量子互補(bǔ)（quantum complementarity：基于粒子與波在行為上互斥的同時(shí)又是完全描述一種現(xiàn)象的密不可分的兩個(gè)要素）原理就是其中之一,它允許相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)用戶使用共享的隨機(jī)比特序列作為密碼通信的密匙。十分復(fù)雜的傳統(tǒng)加密措施是通過復(fù)雜和強(qiáng)度很大的數(shù)學(xué)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)的,與其相比分布量子密碼QKD（Quantum Key Distribution）技術(shù),正像它的名字所表示的那樣提供了一種新型的基于基本的物理原理來保護(hù)和加密有用信息的有效方法。

　　5 功率均衡技術(shù)

　　與點(diǎn)到點(diǎn)WDM系統(tǒng)相比,WDM光網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中同一參考點(diǎn)各信道的功率不同。在端到端WDM系統(tǒng)中,信號發(fā)送端處各波長的功率是相等的。而在光網(wǎng)絡(luò)中,從本地節(jié)點(diǎn)上路的光信號與其它傳輸了不同距離、從而有不同光功率的一些信號復(fù)用在一起傳輸。即使是復(fù)用在一起傳輸?shù)墓庑盘?傳輸一段距離后,由于EDFA、光濾波器和光開關(guān)等器件對各波長的響應(yīng)略有不同,它們的功率也可能不同。不同功率的波長信號經(jīng)過級聯(lián)EDFA系統(tǒng)后,某些波長的功率將可能進(jìn)一步降低,使該信道性能惡化。此外由于光網(wǎng)絡(luò)的上下話路、重新配置或網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)等原因。使進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的各個(gè)波長通道的光功率也存在差異,由于光信號要經(jīng)歷多個(gè)節(jié)點(diǎn)和鏈路,各個(gè)波長通道之間的光功率差異產(chǎn)生累積,導(dǎo)致各個(gè)光信道的信噪比下一致,使得系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量受到影響,甚至使某些信道劣化到不可接受的水平。因此在光網(wǎng)絡(luò)中有必要在節(jié)點(diǎn)對每個(gè)波長的光功率進(jìn)行均衡,以保證通信質(zhì)量。

　　光網(wǎng)絡(luò)中通道的不均衡性可嚴(yán)重惡化網(wǎng)絡(luò)性能,因此通道的均衡性是光網(wǎng)絡(luò)性能好壞的重要依據(jù),目前已經(jīng)提出了許多均衡方案,如AOTF濾波器、MZ濾波器、F-P濾波器調(diào)諧方案,以及衰減器調(diào)諧方案等,這些方案都是利用光元源器件如可調(diào)衰減器以及有源器件如SOA的基于通道級均衡。一種方法是在終端機(jī)上的OMUX盤對輸入的多路光信號進(jìn)行中斷檢測,這一消息被監(jiān)控系統(tǒng)處理后,將通過監(jiān)控信道通知到全線各站點(diǎn),控制各站的光放大器的輸出動率。另一種方法是在各種光放大器盤上均設(shè)計(jì)有輸入、輸出光信號監(jiān)視點(diǎn),通過監(jiān)控子架,實(shí)現(xiàn)對線路信號中各波長通道的集中監(jiān)視和分析,即從光放大器盤的光監(jiān)視點(diǎn)引入光信號,進(jìn)行在線分析,可獲知任一波長通道的工作狀態(tài),如光功率大小、光波長值、光通路的信噪比等重要參數(shù)。當(dāng)功率監(jiān)測點(diǎn)位于0XC／OADM中功放EDFA之前,監(jiān)測并調(diào)整各個(gè)信道中的信號功牢或信號與噪聲的總功率時(shí),這種方案對于各個(gè)通道的不均勻性具有很好的均衡效果。但是,如果整個(gè)復(fù)用段的光功率發(fā)生波動,會導(dǎo)致所有受影響的通過都進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,這不僅增加了調(diào)整時(shí)間,還使調(diào)節(jié)過程復(fù)雜化。鏈路支持的波長數(shù)目增多時(shí)情況尤為突出。此外,在特定情況下（若通過均衡能力已經(jīng)達(dá)到極限）,僅靠通道級均衡無法實(shí)現(xiàn)功率均衡。因此為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對各個(gè)光通道的影響,WDM光網(wǎng)絡(luò)中光功率均衡是WDM光網(wǎng)絡(luò)一個(gè)重要研究內(nèi)容。

　　6 開銷處理

　　光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要支持光聯(lián)網(wǎng),必然要有對光通路的OAM（操作、管理與維護(hù)）信息,因此就必須具有開銷處理能力。目前對開銷的載送方式有隨路和共路兩種,各有優(yōu)缺點(diǎn)。而提供開銷的方法有3種：副載波調(diào)制（SCM）,例如利用引示音（Pilot Tones）;光監(jiān)視通道（OSC）;數(shù)字“包封器”（Digital“Wrapper”）。

　　WDM系統(tǒng)如何與IP網(wǎng)結(jié)合以傳送IP信息（通稱IP 0ver WDM）,是一個(gè)極其重要的問題,因?yàn)椴痪玫膶�來IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)會占主要地位。當(dāng)不使用SONET／SDH設(shè)備而要實(shí)現(xiàn)直接的IP 0ver WDM,則需要考慮在原來的SONET／SDH中執(zhí)行的某些功能（如各種開銷字節(jié)的處理）如何在新型系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)。目前一種方案是：光的通過開銷有兩部分,一部分在光容器幀結(jié)構(gòu)內(nèi),它對應(yīng)SONET／SDH的段開銷,另一部分不在幀內(nèi),而是用調(diào)制的導(dǎo)頻（pilot tone）另外傳送,光層只具有WDM的復(fù)用功能。

　　光聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供在光層上的傳送組網(wǎng)技術(shù),例如在光通路（OCh）層上作OCh的快速路由和交換;為了以光通路組網(wǎng),就需要具有管理頻（率）隙（slot）的能力（正像在現(xiàn)有網(wǎng)中管理時(shí)隙一樣）,這里一個(gè)頻隙就是一個(gè)光通路。

　　7 同頻串?dāng)_

　　在傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中,由于波長選擇器件（如波分復(fù)用器／解復(fù)用器和可調(diào)諧光濾波器）性能的不完善,相鄰波長信道之間會產(chǎn)生串?dāng)_,這種串?dāng)_被稱為異頻串?dāng)_。它是一種加性串?dāng)_,表現(xiàn)為在信號上疊加了一定功率的噪聲,惡化了信號的消光比。構(gòu)成光網(wǎng)絡(luò)時(shí)這種串?dāng)_的影響下去積累,且在接收機(jī)前加光濾波器可以將其濾掉,因此對系統(tǒng)的影響較小。

　　而在以波分復(fù)用傳輸和波長交叉連接（OXC）為基礎(chǔ)的WDM光網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)不同輸入鏈路中同一波長（頻率）的信號被送入同一光開關(guān),根據(jù)需要完成光交叉連接后,再送入相應(yīng)的波分復(fù)用器中。由于器件性能的不完善,一個(gè)信道的信號經(jīng)過交叉器件后會包含其它信道的串?dāng)_。當(dāng)多個(gè)信道重新耦合到一起時(shí)異頻串?dāng)_就會轉(zhuǎn)化為同頻串?dāng)_,即與信號光頻率相同的串?dāng)_。它可以是不同鏈路中相同波長間的串?dāng)_或同一信號與自身的串?dāng)_。當(dāng)光通道經(jīng)過多個(gè)OXC時(shí),由于每個(gè)OXC中波長選擇器件的作用,異頻串?dāng)_不會隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而積累。而同頻串?dāng)_和信號在同一個(gè)波長信道內(nèi),不受波長選擇器件的影響,將隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而下斷積累。因此同頻串?dāng)_需要著重研究。

　　OXC引入的同頻串?dāng)_可以分為相于串?dāng)_（串?dāng)_光的相位與主信號相關(guān)）和非相干串?dāng)_（串?dāng)_光的相位與主信號不相關(guān)）。當(dāng)主信號的一部分能量經(jīng)過OXC變成串?dāng)_時(shí),串?dāng)_光信號與主信號可能相干。這主要由串?dāng)_光信號和主信號的傳輸時(shí)延差與激光器的相干時(shí)間決定。當(dāng)傳輸時(shí)延差小于激光器相干時(shí)間時(shí),這種同頻串?dāng)_就成了相干串?dāng)_。為了減小串?dāng)_對系統(tǒng)的影響,在設(shè)計(jì)OXC時(shí)應(yīng)該使不同光路的時(shí)延差大于激光器的相干時(shí)間。

　　總之,WDM大容量系統(tǒng)的試用階段即將過去,大規(guī)模或全面采用WDM光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時(shí)候已經(jīng)到來。發(fā)達(dá)國家和大公司正在規(guī)劃怎樣組建WDM網(wǎng),WDM網(wǎng)如何管理,需要什么協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn),因特網(wǎng)或IP網(wǎng)又如何與WDM結(jié)合等。同時(shí),我們也對已經(jīng)取得相當(dāng)成績的中國光通信事業(yè)的發(fā)展充滿信心。

　　8 結(jié)束語

　　高速、大容量信息網(wǎng)絡(luò)是國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心,而WDM光纖網(wǎng)絡(luò)由于波長可復(fù)用空間很大,多種業(yè)務(wù)透明性很好,響應(yīng)速度很快,能夠滿足寬帶多業(yè)務(wù)的綜合需求,同時(shí)光網(wǎng)絡(luò)具有抗電磁干擾和雷電影響的能力具有高度的信息安全性。因DWM與DWDM是實(shí)現(xiàn)Tb／s量級乃至更高容量的信息傳輸和構(gòu)建新型網(wǎng)絡(luò)的最佳手段,光纖技術(shù)的最新進(jìn)展已經(jīng)使得石英光纖在1．3～1．5μm的二個(gè)低損耗窗口打通并連成一個(gè)區(qū)域,未來的WDM將在1．3～1．6μm的全波窗口中進(jìn)行。這樣一來,WDM光纖為我們提供的信息傳輸容量是巨大的,為光纖網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了幾乎取之下盡的資源。

　　值得注意的一點(diǎn)是,目前的波分復(fù)用系統(tǒng)還是賣方市場,這就妨礙了不同系統(tǒng)間的互操作性。未來的若干年基于IP 0ver WDM的不同網(wǎng)絡(luò)解決方案將呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢,而WDM技術(shù)將作為真正光網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的基石,通過充分挖掘光纖的帶寬潛力提供了邁向太比特光網(wǎng)絡(luò)的陽光大道。