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ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＰＲＡＣＴＩＣＥ技术实践 摘要：全光波长变换技术是ＤＷＤＭ（密集波分复用）系统中的一项关键技术，它不仅可以充分利用波长资源，提供操作 土的透明性和空闲波长调度的灵活性，还可以满足未来的动态路由分配需求。根据波长变换原理的不同可以把 ＷＣ（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ）分为基于光栅的ＷＣ、基于干涉仪的ＷＣ和基于混频的ＷＣ三大类．介绍了它们的技 术原理，阐述了其在ＤＷＤＭ网络中的应用。 关键词：全光波长变换：密集波分复用；应用 传统的波长变换技术是对所需变换波长的光信 光比会随着信号而变化。实际中主要是利用半导体 激光放大器（ＳＯＡ）的增益随输入信号而变化来实现 的，即利用交叉增益调制（ＸＧＭ）。其基本变换原理如 下：在携带信息需变换的输入信号（波长为 ）注入 ＳＯＡ的同时，波长为 的一个连续波（ＣＷ）探测信号 号首先进行光电变换，然后用此电信号来调制一个 波长为目标波长的激光器。由于其效率低下、能量损 失大等固有缺点，不能满足大型网络节点处使用的 要求，因此必须研究全光波长变换（ＡＯＷＣ）技术。 １全光波长变换的主要技术 从网络元件的角度，可以把ＷＣ器件视为一个 Ｐ ｎｏｂｅ也注入ＳＯＡ。当信号波长 ｓ为逻辑高电平 “ 时，此ＣＷ信号不会被放大，而当信号波长为逻 辑低电平“０”时，ＣＷ则得到放大。在输出端则用一窄 带的光滤波器（０ＢＰＦ）将 信号取出，这样一来，在 与 之间即存在一一对应关系，也就是获得了波 长由 至 的变换（注意此时获得的变换信号与 输入信号极性是相反的）。其基本结构见图２。如果 ＣＷ的波长和０ＢＰＦ都是连续可调的，那么就可以得 四端元件，即三个输入端：入射信号光 、探测信号 光 和控制信号，一个光输出端 。见图１。 图１ ＷＣ的基本结构 到一个可调的ＷＣ。 根据波长变换原理的不同可以把ＷＣ分为三大 类：基于光栅的ＷＣ、基于干涉仪的ＷＣ和基于混频 的ＷＣ。它们的原理虽然各不相同，但是都必须满足 包括比特率透明性、高的输出信噪比、稳定的消光 比、大的输入／输出波长间隔、１央的启动时间、适中的 图２光栅ＷＣ的基本结构 这种基于ＸＧＭ的光栅ＷＣ中，响应时间和系统 速率主要取决于载流子密度。早期的研究曾认为，响 应时间的极限约为０．５ ｎｓ：最近的研究证明，通过 输出功率和较低的成本等主要性能要求。 １．１光栅ＷＣ 光栅ＷＣ可以看为是一个这样的器件，它的消 加大入射的功率可以明显提高受激发射的载流子密 度，这样可以使响应时间减小至数十ＰＳ，而工作速 维普资讯 http://www.cqvip.com
江苏通信ＪＩＡＮＧＳＵ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ 率可以高达１００ Ｇｂｊ ｔ／Ｓ。光栅ＷＣ的一个主要问 题是噪声大，目前的条件下获得的典型的噪声指数 在７～８ ｄＢ。此外，当波长变化是由短波长向长波长 应等机制会导致载流子光栅具有不同的载流子生存 周期和散射长度，Ｓ０Ａ中的ＦＷＭ是这三方面共同作 用的结果。图３说明了ＦＷＭ在频域上的关系，其中 泵浦光频率为 。，信号光频率为 ，两束新波长频 率分别为 ｃ＝２ ｐ一 ｓ＝ ｐ— ， ｓａ＝２ ｓ一 ｐ＝ ｓ＋ ，其 中 ＝ 一 。是信号光与泵浦光之间的失谐频差。 。— 变换时，消光比会有明显的劣化。同时必须考虑的其 他参数要求还有极化敏感性、放大器自发发射 （ＡＳ Ｅ）引起的信噪比（ＳＮＲ）的劣化等问题。尽管有这 样那样的缺点，但是由于基于ＸＧＭ的光栅ＷＣ具有 称为变换波， 称为卫星波。前者是信号光 结构简单、对输入波长不敏感和较高的变换效率等， 仍然是目前研究的最多的方案之一。 被载流子光栅散射的结果，后者是泵浦光被光栅散 射的结果。采用适当的０ＢＰＦ滤出含有信号光信息 的变换光，就实现了波长变换。 １．２干涉仪ＷＣ 为了克服利用ＸＧＭ的ＷＣ不可避免的消光比 下降较大的问题，应用ＳＯＡ中的交叉相位调制 （Ｘ ＰＭ）的ＷＣ也得到了研究。基于Ｘ ＰＭ的ＷＣ的基 本原理是，输入信号会引起载流子的耗尽，继而导 图３ ＦＷＭ波长变换示惹图 致载流子密度和折射率的变化，而折射率的变化 又可以作为相位调制映射在输入的探测信号上。 通过干涉仪可以把相位调制转换为强度调制，这 样一来干涉仪的特性包络就可以反映出信号码流 中的高低电平，虽然实现过程较ＸＧＭ复杂，但是 总体性能比ＸＧＭ要优越。此外，Ｘ ＰＭ还可以进行 ＦＷＭ的缺点是除了产生所需的变换波长外，还 会产生一卫星波长。这样一来，当信号波长和泵浦波 长的频率间隔较近时，卫星波长会对变换的波长产 生一定的串扰（Ｃ ｒ０Ｓ Ｓｔａ］ｋ）。此外，ＦＷＭ对极化比 较敏感，必须采取严格的措施保证相位的严格匹配， 定的信号再生，改进级联特性。干涉仪可以采用 马赫一曾德或者是迈克尔逊干涉仪，此外也可以 才能获得较高的变换效率。ＦＷＭ最大的优点是其比 特性，也就是说，对信号而音是完全透明的，这 采用非线性光纤环镜（Ｎ０ ＬＨ：ｎｏｎ］ｊ ｎｅａ ｒ ｏｐｔｊ－ Ｃａ１ ｆｊ ｂｅ ｒ ｍｊ ｒ ｒ０ ｒ）。 点是非常有吸引力的。 ２ ＷＣ在ＤＷＤＭ网络中的应用 在未来的ＤＷＤＭ网络中，在多个ＤＷＤＭ网络交 汇的节点处，业务量非常大，波长也会发生阻塞和）中 干涉仪ＷＣ较光栅ＷＣ有许多优点，包括输出信 号不需要反转、极化等，此外还具有ＸＧＭ不可 比拟的高消光比和部分再生的功能。不足之处是结 构比较复杂，而且需要对ＳＯＡ进行精确的控制。 突。此时ＷＣ可以用以改善节点的阻塞状况，并且能 够提供更佳的链路可用性。考虑至Ⅱ阻塞经常发生在 信号需要进行交换的节点处，因此很自然地考虑将 ＷＣ与光交换放置在一起。此时主要考虑结构问题， 当然还有诸如性能、通用性和价格等因素。早期 的研究中是把每一波长专用的ＷＣ分别置于每一个 １．３混频ＷＣ 混频是一种非线性效应，因此也受到极化和相 位匹配等的。混频通常是发生在非线性元件如 Ｌｊ Ｎｂ０３或在ＳＯＡ内。目前研究较多的是基于四波 混频（ＦＷＭ）的ＷＣ。对于ＳＯＡ中ＦＷＭ的经典解释是： 两束不同波长的光在非线性有源介质中相互作用， 介质中的载流子根据入射光强分布形成载流子光 输出ｎ。如果是对于一个ＭｘＭ的光交换节点，其中 涉及的波长总计有／＼／个，那么所需的ＷＣ总数就是 ＭｘＮ个。例如，对于图３中的２ｘ２交换节点，网络中 栅，入射光被光栅散射，形成新的波长。在Ｓ０Ａ中的 载流子浓度脉动、动态载流子热效应和频谱烧洞效 总计有４个波长，那么所需ＷＣ的总数就是８个。 在图４中，光信号首先经解复用器分为不同波 维普资讯 http://www.cqvip.com
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＰＲＡＣＴＩＣＥ技术实践 长的信号，然后经一个无阻塞的空间光交换将不同 大地节约变换器的数量和减小变换器的动作时 延 经过波长变换的信号再通过一个较小的光交 换（ＳＷ）送至所需的输出口。这种结构的主要缺点 在于当网络规模较大，需要变换波长的信号数量 较多时，会导致所需的光交换的大型化和复杂化， 波长的光信号分配至所需的输出口，然后由专用的 ＷＣ根据需要将其转换为所需的光波长，再经过复用 器输出。在图４的结构中，可以明显看出其优点主要 是结构简单，而且出现阻塞的几率极低，但是最大的 缺点就是效率低。这主要是因为每一ＷＣ不是始终 继而导致效率和性能的下降。但是就目前而言，增 加ＷＣ的费用远大于增加小交换和复用器的成本。 也就是说，图中的结构是在综合考虑了网络结构、 路由算法、性能指标等因素下的一个折中方案。图 ６与图５相比略有变化，主要体现在对于每一输 出链路都有自己专用的变换池，相似的是仍然需 在起作用，而是总是存在空闲时间，因此必须研究其 他结构方案，以充分利用有限的ＷＣ资源。图５为节 点共享方案，图６为链路共享方案。 蓄 嚣 备嚣 无阻塞 的空问 光交抉 输出 要大型的光交换来进行控制。 在多个结点的ＤＷＤＨ网络中，ＷＣ的使用可以改 善网络的连接性和可扩展性。在这样一个网络中，为 了在源与宿之间建立起明确的光通道（Ｃ ＬＰ：Ｃ１ ｅａ ｒ ———一ＩＤ 蓄 嚣 备嚣 输出 ］１ ｇｈｔ Ｐａｔｈ），如果不使用ＷＣ的话，就必须保证端 到端之间每一波长的可用性，这在实际实施时往往 难以保证。在某些特定节点处，当所需的波长已经被 图４每波长采用专用ＷＣ的结构 占用，而恰好又有空闲波长的时候，ＷＣ的使用会带 来极大的好处，从而提高光通道的可用性。此时的光 茎 甭鳊 —— ＿－ 舞 ＿－ ■■■■＿ 磊 嚣 输出 通道认为是不连续的，所以对进行ＷＣ的节点的选 择和在多个ＷＣ级联使用等情况下，对网络性能的 影响必须加以仔细选择。 光交换 ———◆ ＿． 对于不同拓扑结构的网络，有无ＷＣ的情况下 输出 鐾 ＿ｌ一． 霎 ＿． 着 系统性能的变化已经有了不少的研究结果。ＷＣ的使 用可以减少网络阻塞，但是必须综合考虑网络拓扑 结构、网络连接状况、可用波长数量、路由算法等因 图５节点共享ＷＣ光交换的基本结构 素，以获得性能改善的优化值。对于一个大型的网孔 型的ＤＷＤＭ网络，由于源到宿之间必然存在多跳，因 篙 嚣 －－・一ｉＤ－ 瓣 …ｒ＿＿＿＿＿＿一 ｒ备 嚣 输出 此ＷＣ的应用可以很明显的改善系统性能。 ３ 结束语 目前，ＷＣ距离实用化还有一定的差距，各项 输出 蠢 －－－一ＩＩ 嚣 ■■■■＿ 囊 性能还需要进一步完善。ＷＣ的极化敏感性、级联 使用时带来的信号劣化等指标还需进一步研究。 图６链路共享ＷＣ光交换的基本结构 ＷＣ的引入虽然会改善网络的性能，但是也必然会 带来其他的问题，特别是对于整个网络的管理和 图５中，节点的所有ＷＣ都集中在一变换器 池（ｃｏｎ ｖｅ ｒｔｅ ｒ ｂａ ｎ ｋ）中。在这种结构中，只有需 控制，以及如何保证端到端的Ｑ０Ｓ等，还有许多 工作要做。 ◆ 要变换的波长才会被接入变换池中，这样可以极
