光数据网络

按照今天的定义，IP over WDM 对数据网络和光网络可以提供的功能施加了限制。由单一协议栈而不是充分利用光层网络功能所带来的限制对于某些网络应用来说是非常严格的。

上述网络趋势需要一个光网络平台能够以独立于客户端信号的方式支持各种协议栈、网络架构以及保护和恢复选项。点对点 WDM 上的 POS 选择最适合高速数据网络中的某些网络应用，但肯定不是全部。此外，选择用于实施和部署这些未来数据网络的光平台必须确保可以轻松适应新的、意想不到的协议栈映射，并且它们可以从光层网络接收相同的网络功能，而无需中间协议转换。

光数据网络是一种替代方法，它并不试图减少协议栈和网络架构的异构性，而是利用异构性为每个特定应用和网络提供商细分市场提供定制的网络解决方案。光数据网络结合了服务层和传输层的网络功能。

光数据网络的主要组成部分

协议栈的多样性反映在 OTN 中支持的客户端信号类型的多样性上，通过数字包装器的使用来适应。真正的光网络功能的使用通过 OCh 路由、故障和性能监控、保护和恢复提供了额外的灵活性和稳健性，所有这些都是在每个 OCh 的基础上选择性执行的。所有这些元素组合在一起，形成了一个强大而灵活的网络解决方案，该解决方案面向未来，并对数据服务提供商的任何特定愿景开放。

该技术对于信道容量的升级、信道的增减、重路由和流量分配来说具有成本效益和更加灵活，支持所有类型的网络拓扑和保护系统以及同步。以下是主要组成部分 -

TP（应答器）
VOA（可变光衰减器）
MUX（多路复用器）
DEMUX（解复用器）
BA（增强放大器）
线路（OFC 介质）
LA（线路放大器）
PA（前置放大器）
OSC（光监控通道）

应答器

该单元是STM-n宽脉冲光信号与MUX/DEMUX设备之间的接口。该光信号可以位于同一位置或来自不同的物理介质、不同的协议和流量类型。它将宽脉冲信号转换为纳米（nm）量级、间距为1.6 nm的窄波长（光斑或色频）；发送到MUX。

在相反的方向上，DEMUX 的彩色输出被转换为宽脉冲光信号。两个方向的输出功率电平为 +1 至 –3 dBm。转换为 2R 或 3R 方法中的光到电和电到光（O 到 E 和 E 到 O）。

在2R中，进行再生和重新整形，而在3R中，进行再生、重新整形和重新定时。TP 可能取决于波长、颜色和比特率，或者两者均可调节（成本高昂且未使用）。然而，在2R中，任何比特率、PDH、STM-4或STM-16都可以是信道速率。该装置具有接收器灵敏度和过载点的限制。

尽管中间电气级不可访问，但 STN-n 的开销字节可用于监控目的。该装置还支持基于 ITU-T 建议 G.957 的光学安全操作 (ALS)。

可变光衰减器 (VOA)

这是一个类似于预加重的无源网络，需要调整 EDFA 频段上信号电平的均匀分布，以便无论系统中加载的通道数量如何，Mux 单元的各个通道光输出功率都保持相同。

光衰减器类似于用于降低信号电平的简单电位器或电路。每当必须运行性能测试时，就会使用衰减器，例如，查看改变链路中的信号电平对误码的影响。一种方法是采用精确的机械设置，其中光信号穿过具有不同暗度的玻璃板，然后返回光纤，如图所示。

玻璃板的灰度密度范围为一端为0%，另一端为100%。当板移动穿过间隙时，或多或少的光能被允许通过。这种类型的衰减器非常精确，可以处理任何光波长（因为无论波长如何，该板都会以相同的量衰减任何光能量），但其机械成本很高。

多路复用器 (MUX) 和解复用器 (De-MUX)

由于 DWDM 系统通过单根光纤从多个站点发送信号，因此必须采用某种方法来组合输入信号。这是在多路复用器的帮助下完成的，多路复用器从多根光纤中获取光波长并将它们会聚成光束。在接收端，系统必须能够分离出光束的传输波长，以便能够谨慎地检测它们。

解复用器通过将接收到的光束分离为其波长分量并将它们耦合到单独的光纤中来执行此功能。

多路复用器和解复用器在设计上可以是无源的也可以是有源的。无源设计使用棱镜、衍射光栅或滤波器，而有源设计将无源器件与可调谐滤波器相结合。

这些设备的主要挑战是最大限度地减少串扰并最大限度地提高通道间隔（两个相邻通道之间的波长差）。串扰是衡量通道分离程度的指标，而通道分离是指区分每个波长的能力。

复用器/解复用器的类型

棱镜型

可以使用棱镜来完成简单形式的波长复用或解复用。

一束平行的多色光照射在棱镜表面上，每个分量波长被不同地折射。这就是彩虹效应。在输出光中，每个波长都与下一个波长分开一个角度。然后，透镜将每个波长聚焦到需要进入光纤的点。这些组件可以反向使用，将不同的波长复用到一根光纤上。

衍射光栅类型

另一种技术基于衍射和光学干涉原理。当多色光源照射到衍射光栅上时，每个波长都会以不同的角度衍射，因此到达空间中的不同点。使用透镜，这些波长可以聚焦到单根光纤上，如下图所示。布拉格光栅是一种简单的无源器件，可用作波长选择镜，广泛用于DWDM系统中的分插通道。

布拉格光栅是通过使用紫外激光束通过相位掩模照射单模光纤的纤芯而制成的。该光纤掺杂有磷、锗或硼，使其具有光敏性。光线穿过掩模后，会产生条纹图案，并将其“打印”到光纤中。这产生了纤芯玻璃折射率的永久周期性调制。成品光栅反射布拉格波长（等于高折射率区域和低折射率区域之间光学间距的两倍）的光并透射所有其他波长。

可调谐布拉格光栅

布拉格光纤光栅可以粘合到压电元件上。通过向元件施加电压，元件会拉伸，从而光栅被拉伸并且布拉格波长移动到更长的波长。目前的器件可以为 150v 输入提供 2 nm 的调谐范围。

阵列波导光栅

阵列波导光栅 (AWG) 也基于衍射原理。AWG 设备有时称为光波导路由器或波导光栅路由器，由弯曲通道波导阵列组成，相邻通道之间的路径长度具有固定差异。波导连接到输入和输出处的腔体。

光复用器

当光进入输入腔时，发生衍射并进入波导阵列。因此，每个波导的光学长度差异会在输出腔中引入相位延迟，其中耦合光纤阵列。该过程导致不同波长在不同位置（对应于输出端口）具有最大干扰。

多层干涉滤光片

另一种技术在称为薄膜滤波器或多层干涉滤波器的设备中使用干涉滤波器。通过将由薄膜组成的滤光片放置在光路中，可以对波长进行解复用。每个滤光片的特性是它透射一种波长，同时反射其他波长。通过级联这些设备，可以对许多波长进行解复用。

滤波器以适中的成本提供良好的稳定性和通道之间的隔离，但插入损耗较高（AWG 表现出平坦的光谱响应和低插入损耗）。过滤器的主要缺点是它们对温度敏感，并且可能无法在所有环境中实际使用。然而，它们的一大优点是它们可以设计为同时执行复用和解复用操作。

OM 的耦合类型

耦合 OM 是与焊接在一起的两个或多个光纤相互作用的表面。一般用于OM，其工作原理如下图所示。

耦合OM只能执行复用功能，制造成本低。其缺点是插入损耗较高。目前ZTWE的DWDM设备所使用的光调制器采用的是耦合光调制器。OD采用AWG元件。

增强放大器（光放大器）

由于衰减，光纤段在必须再生之前完整地传播信号的时间是有限的。在光放大器 (OA) 出现之前，每个传输的信号都必须有一个中继器。OA 使得一次性放大所有波长成为可能，并且无需光-电-光 (OEO) 转换。除了用于光链路（作为中继器）之外，光放大器还可以用于在复用之后或解复用之前提高信号功率。

光放大器的类型

在每条光路中，光放大器都用作单工模式的中继器。一根光纤用于发送路径，第二根光纤用于返回路径。最新的光放大器将同时在两个方向上运行。如果采用两种不同的比特率，我们甚至可以在两个方向上使用相同的波长。因此，单根光纤可用于双工操作。

光放大器还必须具有足够的带宽以通过在不同波长下工作的一系列信号。例如，光谱带宽为 40 nm 的 SLA 可以处理大约 10 个光信号。

在565 mb/s系统中，对于500公里的光链路，需要5个SLA光放大器，间隔83公里。每个放大器提供约 12 dB 的增益，但也会向系统引入噪声（BER 为 10-9）。

SLA 放大器有以下缺点 -

对温度变化敏感
对电源电压变化敏感
对机械振动敏感
不可靠
容易串扰

掺铒光纤放大器 (EDFA)

在 DWDM 系统中，使用了 EDFA。铒是一种稀土元素，在激发时会发出 1.54 微米左右的光，这是 DWDM 中使用的光纤的低损耗波长。微弱信号进入掺铒光纤，使用泵浦激光器将 980 nm 或 1480 nm 的光注入其中。

这种注入的光刺激铒Atomics以额外的 1550 nm 光的形式释放其储存的能量。信号越来越强。EDFA 中的自发发射还会增加 EDFA 的噪声系数。EDFA 的典型带宽为 100 nm，沿光路每隔 80-120 公里需要使用 EDFA。

由于相邻通道之间的非线性相互作用， EDFA 还会受到称为四波混频的影响。因此，增加放大器功率以增加中继器之间的距离会导致更多串扰。

拉曼放大器

如前所述，SLA 和 EDFA 放大器在 WDM 中的使用受到限制，现代 WDM 系统正在转向带宽约为 300 nm 的拉曼放大。这里，泵浦激光器位于光纤的接收端。串扰和噪声大大降低。然而，拉曼放大需要使用高泵浦激光器。

光纤中的色散实际上有助于最大限度地减少“四波混合”效应。不幸的是，早期的光链路通常使用零色散光纤，以尽量减少长距离色散，当这些相同的光纤升级为承载 WDM 信号时；它们不是宽带光信号的理想介质。

正在开发用于 WDM 用途的特殊单模光纤。它们具有交替的正色散光纤和负色散光纤，因此总色散加起来为零。然而，各个段提供色散以防止四波混合。

线路放大器

它是一个两级 EDFA 放大器，由前置放大器 (PA) 和增强放大器 (BA) 组成。如果没有两级，就不可能根据 EDFA 原理将信号放大到 33 dB（以避免自发发射产生的噪声）。线路放大器 (LA) 分别补偿长距离和超长距离系统 22 dB 或 33 dB 的线路损耗。它完全是一个光学舞台设备。

线路 (OFC) 媒体

这是 DWDM 信号传输的光纤介质。衰减和色散是决定传输距离、比特率容量等的主要限制因素。通常，长距离和超长距离系统的跳长线损分别取22dB和33dB。

无需中继器 (LA) 的超长距离线路波长可达 120 公里。然而，级联多个中继器时，长度可达600公里，使用色散补偿模块可进一步增加至1200公里。经过这样的距离后，需要在电级进行再生，而不是仅在光级进行中继器。

前置放大器 (PA)

该放大器单独用于终端连接 DEMUX 和线路，以接收来自远程站的信号。因此，衰减的线路信号在进入DEMUX单元之前被放大到+3dBm至10dBm的水平。

光监控通道

在较低光学级别的单独波长（根据 ITU-T 建议 G-692 为 1480 nm）上传输附加数据（2 mbps：EOW、通过接口的用户特定数据等）的功能，无需任何光学安全措施，并附有和独立于主 STM-n 光业务信号，由 OSC 执行。选择性和综合频道的 EOW（0.3 至 3.4 KHz）在 8 位 PCM 代码中为 64 kbps。