紫外光通信工作原理

美國是世界上開展空間光通信最早的國家,主要研究部門是美國宇航局(NASA)和美國空軍。美國宇航局選擇噴氣推進(jìn)實驗室(JetPulsionLab-JPL)進(jìn)行衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的研制,1995年完成了激光通信演示系統(tǒng)(LaserCommunicationDemonstrationSystems-LCDS),數(shù)據(jù)率為750Mbps。

該室目前正在進(jìn)行激光通信演示系統(tǒng)(OpticalCommunicationdemonstration-OCD)研究,主要進(jìn)行航天飛機(jī)與地面間通信鏈路的性能演示,傳輸速率為100Mbps。在工業(yè)界的資助下,JPL還正在開發(fā)500Mbps激光通信設(shè)備,已完成分析和設(shè)計工作,一些關(guān)鍵子系統(tǒng)也已研制成功,并正在進(jìn)行子系統(tǒng)的工程組裝工作。JPL目前還正在研制高功率(315W)Nd-YAG激光器、窄帶激光濾波器及地面和空間的激光衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)絡(luò)。

此外,美國宇航局還支持JPL進(jìn)行其他衛(wèi)星通信計劃,如實現(xiàn)圖像功能的窄帶激光濾波器以及地面和空間的激光衛(wèi)星通信跟蹤網(wǎng)絡(luò)。 美國的戰(zhàn)略導(dǎo)彈防御組織(BMDO)也正在積極進(jìn)行空間激光通信的研制開發(fā)工作,該工程由空軍提供主要經(jīng)費(fèi),由MIT林肯實驗室進(jìn)行有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)的研究?，F(xiàn)已研制出激光通信終端設(shè)備,并進(jìn)行了作用距離42km、信息率1Gbps、誤碼率Pe為10-6的全天候跟瞄實驗。

林肯實驗室還研制出了窄帶并且具有空間搜索和跟蹤功能、達(dá)到量子限的收發(fā)光端機(jī),該端機(jī)采用單模光纖進(jìn)行內(nèi)部連接。新近又研制出藍(lán)綠光接收系統(tǒng)的快速原子諧振濾波器,相關(guān)合成技術(shù)的光多孔排列裝置,寬角多址系統(tǒng)的碼分多址技術(shù),高功率(315W)半導(dǎo)體激光功率放大器,1~2Gbps高速編碼芯片,摻鉺光纖功放/發(fā)信機(jī),10Gbps高速調(diào)制器和具有近量子

全光通信的實現(xiàn)將使上述問題迎刃而解。實現(xiàn)透明的、具有高度生存性的全光通信網(wǎng)是寬帶通信網(wǎng)未來發(fā)展目標(biāo)，而要實現(xiàn)這樣的目標(biāo)需要有先進(jìn)的技術(shù)來支撐，下面就是實現(xiàn)準(zhǔn)確、有效、可靠的全光通信應(yīng)采用的技術(shù)：

1、光層開銷處理技術(shù)：該技術(shù)是用信道開銷等額外比特數(shù)據(jù)從外面包裹Och客戶信號的一種數(shù)字包封技術(shù)，它能在光層具有管理光信道（Och）的OAM（操作、管理、維護(hù)）信息的能力和執(zhí)行光信道性能監(jiān)測的能力，該技術(shù)同時為光網(wǎng)絡(luò)提供所有SONET/SDH網(wǎng)所具有的強(qiáng)大管理功能和高可靠性保證。

2、光監(jiān)控技術(shù)：在全光通信系統(tǒng)中，必須對光放大器等器件進(jìn)行監(jiān)視和管理。一般技術(shù)采用額外波長監(jiān)視技術(shù)，即在系統(tǒng)中再分插一個額外的信道傳送監(jiān)控信息。而光監(jiān)控技術(shù)采用1510nm波長，并且對此監(jiān)控信道提供ECC的保護(hù)路由，當(dāng)光纜出現(xiàn)故障時，可繼續(xù)通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)（DCN）傳輸監(jiān)控信息。

3、信息再生技術(shù)：大家知道，信息在光纖通道中傳輸時，如果光纖損耗大和色散嚴(yán)重將會導(dǎo)致最后的通信質(zhì)量很差，損耗導(dǎo)致光信號的幅度隨傳輸距離按指數(shù)規(guī)律衰減，這可以通過全光放大器來提高光信號功率。色散會導(dǎo)致光脈沖發(fā)生展寬，發(fā)生碼間干擾，使系統(tǒng)的誤碼率增大，嚴(yán)重影響了通信質(zhì)量。因此，必須采取措施對光信號進(jìn)行再生。目前，對光信號的再生都是利用光電中繼器，即光信號首先由光電二極管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?jīng)電路整形放大后，再重新驅(qū)動一個光源，從而實現(xiàn)光信號的再生。這種光電中繼器具有裝置復(fù)雜、體積大、耗能多的缺點(diǎn)。而最近，出現(xiàn)了全光信息再生技術(shù)，即在光纖鏈路上每隔幾個放大器的距離接入一個光調(diào)制器和濾波器，從鏈路傳輸?shù)墓庑盘栔刑崛⊥綍r鐘信號輸入到光調(diào)制器中，對光信號進(jìn)行周期性同步調(diào)制，使光脈沖變窄、頻譜展寬、頻率漂移和系統(tǒng)噪聲降低，光脈沖位置得到校準(zhǔn)和重新定時。全光信息再生技術(shù)不僅能從根本上消除色散等不利因素的影響，而且克服了光電中繼器的缺點(diǎn)，成為全光信息處理的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

4、動態(tài)路由和波長分配技術(shù)：給定一個網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浜鸵惶仔枰诰W(wǎng)絡(luò)上建立的端到端光信道，而為每一個帶寬請求決定路由和分配波長以建立光信道的問題也就是波長選路由和波長分配問題（RWA）。目前較成熟的技術(shù)有最短路徑法、最少負(fù)荷法和交替固定選路法等。根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否提供波長轉(zhuǎn)換功能，光通路可以分為波長通道（WP）和虛波長通道（VWP）。WP可看作VMP的特例，當(dāng)整個光路都采用同一波長時就稱其為波長通道反之是虛波長通道。在波長通道網(wǎng)絡(luò)中，由于給信號分配的波長通道是端到端的，每個通路與一個固定的波長關(guān)聯(lián)，因而在動態(tài)路由和分配波長時一般必須獲得整個網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，因此其控制系統(tǒng)通常必須采用集中控制方式，即在掌握了整個網(wǎng)絡(luò)所有波長復(fù)用段的占用情況后，才可能為新呼叫選一條合適的路由。這時網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由和波長分配所需時間相對較長。而在虛波長通道網(wǎng)絡(luò)中，波長是逐個鏈路進(jìn)行分配的，因此可以進(jìn)行分布式控制，這樣可以大大降低光通路層選路的復(fù)雜性和選路所需的時間但卻增加了節(jié)點(diǎn)操作的復(fù)雜性。由于波長選路所需的時間較長，近期提出了一種基于波長作為標(biāo)記的多協(xié)議波長標(biāo)記交換（MPLS）的方案，它將光交叉互聯(lián)設(shè)備視為標(biāo)記交換路由器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制和管理。在基于MPLS的光波長標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)中的光路由器有兩種：邊界路由器和核心路由器。邊界路由器用于與速率較低的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行業(yè)務(wù)接入，同時電子處理功能模塊完成MPLS中較復(fù)雜的標(biāo)記處理功能，而核心路由器利用光互聯(lián)和波長變換技術(shù)實現(xiàn)波長標(biāo)記交換和上下路等比較簡單的光信號處理功能。它可以更靈活地管理和分配網(wǎng)絡(luò)資源，并能較有效地實現(xiàn)業(yè)務(wù)管理及網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)、恢復(fù)。

5、光時分多址（OTDMA）技術(shù)：該技術(shù)是在同一光載波波長上，把時間分割成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙（無論幀或時隙都是互不重疊的），然后根據(jù)一定的時隙分配原則，使每個光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）在每幀內(nèi)只按指定的時隙發(fā)送信號，然后利用全光時分復(fù)用方法在光功率分配器中合成一路光時分脈沖信號，再經(jīng)全光放大器放大后送入光纖中傳輸。在交換局，利用全光時分分解復(fù)用。為了實現(xiàn)準(zhǔn)確，可靠的光時分多址通信，避免各ONU向上游發(fā)送的碼流在光功率分配器合路時可能發(fā)生碰撞，光交換局必須測定它與各ONU的距離，井在下行信號中規(guī)定光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）的嚴(yán)格發(fā)送定時。

6、光突發(fā)數(shù)據(jù)交換技術(shù)：該技術(shù)是針對目前光信號處理技術(shù)尚未足夠成熟而提出的，在這種技術(shù)中有兩種光分組技術(shù)：包含路由信息的控制分組技術(shù)和承載業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組技術(shù)。控制分組技術(shù)中的控制信息要通過路由器的電子處理，而數(shù)據(jù)分組技術(shù)不需光電/電光轉(zhuǎn)換和電子路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，直接在端到端的透明傳輸信道中傳輸。

7、光波分多址（WDMA）技術(shù)：該技術(shù)是將多個不同波長且互不交疊的光載波分配給不同的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU），用以實現(xiàn)上行信號的傳輸，即各ONU根據(jù)所分配的光載波對發(fā)送的信息脈沖進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生多路不同波長的光脈沖，然后利用波分復(fù)用方法經(jīng)過合波器形成一路光脈沖信號來共享傳輸光纖并送入到光交換局。在WDMA系統(tǒng)中為了實現(xiàn)任何允許節(jié)點(diǎn)共享信道的多波長接入，必須建立一個防止或處理碰撞的協(xié)議，該協(xié)議包括固定分配協(xié)議、隨機(jī)接入?yún)f(xié)議（包括預(yù)留機(jī)制、交換和碰撞預(yù)留技術(shù)）及仲裁規(guī)程和改裝發(fā)送許可等。

8、光轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)：在全光通信系統(tǒng)中，對光信號的波長、色散和功率等都有特殊的要求，為了滿足ITU-T標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，必須采用光-電-光的光轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)對輸入的信號光進(jìn)行規(guī)范，同時采用外調(diào)制技術(shù)克服長途傳輸系統(tǒng)中色散的影響。光纖傳輸系統(tǒng)所用的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要有直接調(diào)制的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊和外調(diào)制的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊兩種。外調(diào)制的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊包括電吸收（EA）調(diào)制和LiNbO3調(diào)制等。在光纖傳輸系統(tǒng)中，選用那種光發(fā)模塊要根據(jù)實際傳輸距離和光纖的色散情況而定。在全光通信系統(tǒng)中，可以采用多種調(diào)制類型的光轉(zhuǎn)發(fā)模塊，色散容限有1800/4000/7200/12800ps/nm等諸多選擇，滿足不同的傳輸距離的需求，為用戶提供從1km至640km各種傳輸距離的最佳性能價格比解決方案，并且光轉(zhuǎn)發(fā)單元發(fā)射部分的波長穩(wěn)定度在0~60°C范圍內(nèi)小于±3GHz。

9、副載波多址（SCMA）技術(shù)：該技術(shù)的基本原理是將多路基帶控制信號調(diào)制到不同頻率的射頻（超短波到微波頻率）波上，然后將多路射頻信號復(fù)用后再去調(diào)制一個光載波。在ONU端進(jìn)行二次解調(diào)，首先利用光探測器從光信號中得到多路射頻信號，并從中選出該單元需要接收的控制信號，再用電子學(xué)的方法從射頻波中恢復(fù)出基帶控制信號。在控制信道上使用SCMA接入，不僅可降低網(wǎng)絡(luò)成本，還可解決控制信道的競爭。

10、空分光交換技術(shù)：該技術(shù)的基本原理是將光交換元件組成門陣列開關(guān)，并適當(dāng)控制門陣列開關(guān)，即可在任一路輸入光纖和任一輸出光纖之間構(gòu)成通路。因其交換元件的不同可分為機(jī)械型、光電轉(zhuǎn)換型、復(fù)合波導(dǎo)型、全反射型和激光二極管門開關(guān)等，如耦合波導(dǎo)型交換元件鑰酸鉀，它是一種電光材料，具有折射率隨外界電場的變化而發(fā)生變化的光學(xué)特性。以鈮酸鉀為基片，在基片上進(jìn)行鈦擴(kuò)散，以形成折射率逐漸增加的光波導(dǎo)，即光通路，再焊上電極后即可將它作為光交換元件使用。當(dāng)將兩條很接近的波導(dǎo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)合，通過這兩條波導(dǎo)的光束將發(fā)生能量交換。能量交換的強(qiáng)弱隨復(fù)合系數(shù)。平行波導(dǎo)的長度和兩波導(dǎo)之間的相位差變化，只要所選取的參數(shù)適當(dāng)，光束就在波導(dǎo)上完全交錯，如果在電極上施加一定的電壓，可改變折射率及相位差。由此可見，通過控制電極上的電壓，可以得到平行和交叉兩種交換狀態(tài)。

11、光放大技術(shù)：為了克服光纖傳輸中的損耗，每傳輸一段距離，都要對信號進(jìn)行電的“再生”。隨著傳輸碼率的提高，“再生”的難度也隨之提高，成了信號傳輸容量擴(kuò)大的“瓶頸”。于是一種新型的光放大技術(shù)就出現(xiàn)了，例如摻鉺光纖放大器的實用化實現(xiàn)了直接光放大，節(jié)省了大量的再生中繼器，使得傳輸中的光纖損耗不再成為主要問題，同時使傳輸鏈路“透明化”，簡化了系統(tǒng)，成幾倍或幾十倍地擴(kuò)大了傳輸容量，促進(jìn)了真正意義上的密集波分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展，是光纖通訊領(lǐng)域上的一次革命。

12、時分光交換技術(shù)：該技術(shù)的原理與現(xiàn)行的電子程控交換中的時分交換系統(tǒng)完全相同，因此它能與采用全光時分多路復(fù)用方法的光傳輸系統(tǒng)匹配。在這種技術(shù)下，可以時分復(fù)用各個光器件，能夠減少硬件設(shè)備，構(gòu)成大容量的光交換機(jī)。該技術(shù)組成的通信技術(shù)網(wǎng)由時分型交換模塊和空分型交換模塊構(gòu)成。它所采用的空分交換模塊與上述的空分光交換功能塊完全相同，而在時分型光交換模塊中則需要有光存儲器（如光纖延遲存儲器、雙穩(wěn)態(tài)激光二極管存儲器）、光選通器（如定向復(fù)合型陣列開關(guān)）以進(jìn)行相應(yīng)的交換。

13、無源光網(wǎng)技術(shù)（PON）：無源光網(wǎng)技術(shù)多用于接入網(wǎng)部分。它以點(diǎn)對多點(diǎn)方式為光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）P這間提供光傳輸媒質(zhì)，而這又必須使用多址接入技術(shù)。目前使用中的有時分多址接入（TDMA）、波分復(fù)用（WDM）、副載波多址接入（SCMA）3種方式。PON中使用的無源光器件有光纖光纜、光纖接頭、光連接器、光分路器、波分復(fù)用器和光衰減器。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用總線形、星形、樹形等多種結(jié)構(gòu)。

全光通信網(wǎng)的概念圖如圖1所示。由圖可見,這種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部是透明的光網(wǎng)絡(luò),能容納多種業(yè)務(wù)格式。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過選擇合適的波長進(jìn)行透明的發(fā)送或接收。通過對光交叉連接(0XC)的適當(dāng)配置,可以進(jìn)一步擴(kuò)展透明光傳輸?shù)木嚯x。在全光網(wǎng)的外部還有一個通用網(wǎng)絡(luò)控制部分,用來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu),使得波長和容量能在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行動態(tài)分配,以適應(yīng)通信和業(yè)務(wù)性能不斷變化的需要。

全光網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。按照分層的概念,全光網(wǎng)絡(luò)一般由業(yè)務(wù)層、適配層和光層組成。而光傳輸網(wǎng)又可以垂直劃分為3個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)層,即光通路層、光復(fù)用段層和光傳輸段層。光通路層為透明傳輸各種不同格式的客戶層信號的光通路提供端到端的聯(lián)網(wǎng)功能;光復(fù)用段層為多波長光信號提供聯(lián)網(wǎng)功能;光傳輸段層為光信號提供在各種不同類型的光傳輸媒質(zhì)中傳輸?shù)墓δ堋Ｕ麄€光傳輸網(wǎng)由光纖構(gòu)成的物理媒質(zhì)層所支持。

全光網(wǎng)絡(luò)由于從端到端采用透明的光通路連接,因而具有結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)、可靠性高以及具有網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn);它以波長選擇路由,對傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式及調(diào)制方式均具有透明性,可提供多種協(xié)議的業(yè)務(wù)。此外,由于它能根據(jù)業(yè)務(wù)量需求的變化改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有網(wǎng)絡(luò)的可重組性,因而有利于網(wǎng)絡(luò)資源的充分利用。

圖1全光網(wǎng)絡(luò)概念圖

圖2全光網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)

NMS:網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

EMS:網(wǎng)元管理系統(tǒng)

TM:終端復(fù)用

WDM:波分復(fù)用器

OADM:光分插復(fù)用器

OXC:光交叉連接