光資料網路

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目前定義的基於 WDM 的 IP 協議對資料網路和光網路的能力提出了限制性觀點。單一協議棧帶來的限制，以及沒有充分利用光層網路能力，對於某些網路應用來說非常嚴格。

上述網路趨勢需要一個光網路平臺，該平臺能夠以獨立於客戶訊號的方式支援各種協議棧、網路架構以及保護和恢復選項。對於高速資料網路中的一些網路應用，點對點 WDM 上的 POS 是最佳選擇，但肯定不是所有應用都適用。此外，用於實現和部署這些未來資料網路的光平臺必須確保能夠輕鬆適應新的、意想不到的協議棧對映，並且能夠從光層網路獲得相同的網路功能，而無需進行中間協議轉換。

光資料網路是一種替代方法，它並不試圖減少協議棧和網路架構的異構性，而是利用這種異構性為每個特定的應用和網路提供商細分市場提供定製的網路解決方案。光資料網路結合了服務層和傳輸層的網路功能。

光資料網路的主要組成部分

透過使用數字封裝器來適應OTN中需要支援的多種客戶訊號型別所反映的協議棧多樣性。真正的光網路功能透過 OCh 路由、故障和效能監控、保護和恢復提供額外的靈活性和魯棒性，所有這些都在選擇性的每個 OCh 基礎上執行。所有這些元素組合在一起，構成了一個功能強大且靈活的網路解決方案，具有面向未來的特性，並對資料服務提供商的任何特定願景開放。

這項技術在升級通道容量、新增/刪除通道、重新路由和流量分配、支援所有型別的網路拓撲和保護系統以及同步方面具有成本效益和更高的靈活性。以下是主要元件：

• 轉發器 (TP)
• 可變光衰減器 (VOA)
• 多路複用器 (MUX)
• 解複用器 (DEMUX)
• 放大器 (BA)
• 線路 (OFC 介質)
• 線路放大器 (LA)
• 預放大器 (PA)
• 光監控通道 (OSC)

轉發器

該單元是 STM-n 寬脈衝光訊號與 MUX/DEMUX 裝置之間的介面。此光訊號可以是共址的，也可以來自不同的物理介質、不同的協議和流量型別。它將寬脈衝訊號轉換為約奈米 (nm) 量級的窄波長（點或彩色頻率），間距為 1.6 nm；傳送到 MUX。

在反方向上，來自 DEMUX 的彩色輸出被轉換為寬脈衝光訊號。雙向輸出功率電平為 +1 至 –3 dBm。轉換是光電和電光 (O 到 E 和 E 到 O) 的 2R 或 3R 方法。

在 2R 中，進行再生和重塑，而在 3R 中，進行再生、重塑和重新定時。TP 可以是波長顏色和位元率相關的，也可以是兩者都可調的（成本高且未使用）。但是，在 2R 中，任何位元率、PDH、STM-4 或 STM-16 都可以是通道速率。該單元的接收靈敏度和過載點有限制。

雖然中間電氣級不可訪問，但 STN-n 的開銷位元組用於監控目的。該單元還支援根據 ITU-T 建議 G.957 進行光安全操作 (ALS)。

可變光衰減器 (VOA)

這是一種無源網路，類似於預加重，用於調整 EDFA 頻段上的訊號電平均勻分佈，以便 Mux 單元的單個通道光輸出功率保持不變，而與系統中載入的通道數量無關。

光衰減器類似於用於降低訊號電平的簡單電位器或電路。當必須執行效能測試時，例如檢視位元誤位元速率如何受鏈路中訊號電平變化的影響時，使用衰減器。一種方法是在光訊號透過具有不同暗度量的玻璃板然後返回光纖的精確機械裝置中，如圖所示。

玻璃板的灰度密度從一端 0% 到另一端 100% 不等。隨著板材在間隙中移動，允許透過的光能或多或少。這種型別的衰減器非常精確，可以處理任何光波長（因為板材以相同的量衰減任何光能，而不管波長如何），但它在機械上成本很高。

多路複用器 (MUX) 和解複用器 (De-MUX)

由於 DWDM 系統透過單根光纖傳送來自多個站點的訊號，因此它們必須包含一些組合傳入訊號的方法。這是藉助多路複用器完成的，多路複用器接收來自多根光纖的光波長並將它們匯聚成一束光束。在接收端，系統必須能夠分離出光束的傳輸波長，以便可以單獨檢測它們。

解複用器透過將接收到的光束分離成其波長分量並將它們耦合到各個光纖中來執行此功能。

多路複用器和解複用器在設計上可以是無源的或有源的。無源設計使用稜鏡、衍射光柵或濾波器，而有源設計將無源器件與可調濾波器結合在一起。

這些器件的主要挑戰是最小化串擾和最大化通道分離（兩個相鄰通道之間的波長差）。串擾是衡量通道分離程度的指標，而通道分離是指區分每個波長的能力。

多路複用器/解複用器的型別

稜鏡型

可以使用稜鏡進行簡單的波長多路複用或解複用。

一束平行多色光入射到稜鏡表面，每個分量波長都會發生不同的折射。這就是**彩虹效應**。在輸出光中，每個波長與下一個波長之間都有一定的角度差。然後，透鏡將每個波長聚焦到需要進入光纖的點。這些元件可以反向使用，將不同的波長複用到一根光纖上。

衍射光柵型

另一種技術基於衍射和光學干涉的原理。當多色光源入射到衍射光柵上時，每個波長都會以不同的角度衍射，因此在空間中的不同點。使用透鏡，這些波長可以聚焦到單個光纖上，如下圖所示。**布拉格光柵**是一個簡單的無源元件，可以用作波長選擇性反射鏡，並廣泛用於在 DWDM 系統中新增和刪除通道。

布拉格光柵是透過使用紫外雷射束透過相位掩模照射單模光纖的核心來製造的。光纖摻雜磷、鍺或硼以使其具有光敏性。光透過掩模後，會產生條紋圖案，該圖案被“印刷”到光纖中。這會在光纖芯玻璃的折射率中產生永久性的週期性調製。成品光柵會在布拉格波長（等於高折射率區域和低折射率區域之間光學間距的兩倍）處反射光，並透射所有其他波長。

可調布拉格光柵

布拉格光纖光柵可以貼上到壓電元件上。透過向元件施加電壓，元件會伸展，從而使光柵伸展，布拉格波長移向更長的波長。目前的器件可以為 150V 的輸入提供 2 nm 的調諧範圍。

陣列波導光柵

陣列波導光柵 (AWG) 也基於衍射原理。AWG 器件，有時稱為光波導路由器或波導光柵路由器，由一系列彎曲的通道波導組成，相鄰通道之間的路徑長度存在固定差值。波導連線到輸入和輸出端的腔體。

光學多路複用器

當光進入輸入腔時，它會發生衍射並進入波導陣列。因此，每個波導的光程差會在輸出腔中引入相位延遲，在輸出腔中耦合光纖陣列。該過程導致不同波長在不同位置具有最大幹涉，這對應於輸出埠。

多層干涉濾光片

一種不同的技術在稱為薄膜濾光片或多層干涉濾光片的器件中使用干涉濾光片。透過定位位於光路中的薄膜組成的濾光片，可以解複用波長。每個濾光片的特性是它傳輸一個波長，而反射其他波長。透過級聯這些器件，可以解複用許多波長。

濾光片在中等成本下提供良好的穩定性和通道間的隔離，但插入損耗較高（AWG 表現出平坦的光譜響應和低插入損耗）。濾光片的主要缺點是它們對溫度敏感，可能並非在所有環境中都實用。然而，它們的主要優點是可以設計成同時執行多路複用和解複用操作。

OM 的耦合型別

耦合 OM 是一個與兩根或多根光纖焊接在一起的表面互動式。通常，它用於 OM，其工作原理如下圖所示。

耦合 OM 只能以低製造成本執行多路複用功能。其缺點是插入損耗高。目前，ZTWE 的 DWDM 裝置中使用的 OM 採用耦合 OM。OD 採用 AWG 元件。

放大器（光放大器）

由於衰減，光纖段傳播訊號的完整性存在限制，在必須再生訊號之前。在光放大器 (OA) 出現之前，必須為每個傳輸的訊號設定一箇中繼器。OA 使得能夠一次放大所有波長，而無需光電光 (OEO) 轉換。除了用於光鏈路（作為中繼器）之外，光放大器還可以用於在多路複用後或解複用前增強訊號功率。

光放大器的型別

在每條光路上，光放大器都以單工模式用作中繼器。一根光纖用於傳送路徑，第二根光纖用於返回路徑。最新的光放大器將同時在兩個方向執行。我們甚至可以在兩個方向上使用相同的波長，前提是採用兩種不同的位元率。因此，一根光纖可用於雙工操作。

光放大器還必須具有足夠的頻寬才能透過以不同波長執行的一系列訊號。例如，光譜頻寬為 40 nm 的 SLA 可以處理大約十個光訊號。

在 565 mb/s 系統中，對於 500 公里的光鏈路，需要五個 SLA 光放大器，間隔 83 公里。每個放大器提供大約 12 dB 的增益，但也給系統引入噪聲（誤位元速率為 10-9）。

SLA 放大器具有以下缺點：

• 對溫度變化敏感
• 對電源電壓變化敏感
• 對機械振動敏感
• 不可靠的
• 易受串擾影響

摻鉺光纖放大器 (EDFA)

在DWDM系統中使用EDFA。鉺是一種稀土元素，當被激發時，會在1.54微米左右發射光，這是DWDM系統中使用的光纖的低損耗波長。微弱的訊號進入摻鉺光纖，使用泵浦雷射器注入980 nm或1480 nm的光。

注入的光刺激鉺原子釋放其儲存的能量作為額外的1550 nm光。訊號變得增強。EDFA中的自發輻射也會增加EDFA的噪聲係數。EDFA的典型頻寬為100 nm，需要在光路沿線每80-120公里間隔放置一個。

EDFA還會受到一種稱為**四波混頻**的影響，這是由於相鄰通道之間的非線性相互作用造成的。因此，增加放大器功率以增加中繼器之間的距離會導致更多的串擾。

拉曼放大器

如前所述，在WDM中使用SLA和EDFA放大器的應用有限，現代WDM系統正轉向拉曼放大，其頻寬約為300 nm。在這裡，泵浦雷射器位於光纖的接收端。串擾和噪聲大大減少。然而，拉曼放大需要使用高功率泵浦雷射器。

光纖中的色散實際上有助於最小化“四波混頻”效應。不幸的是，早期的光鏈路經常使用零色散光纖，以儘量減少長距離的色散，當這些相同的纖升級以承載WDM訊號時；它們不是寬頻光訊號的理想介質。

正在開發用於WDM的特殊單模光纖。這些光纖具有正色散和負色散光纖的交替段，因此總色散加起來為零。然而，各個段提供了防止四波混頻的色散。

線路放大器

它是一個由預放大器 (PA) 和放大器 (BA) 組成的兩級EDFA放大器。如果沒有這兩個階段，就不可能根據EDFA原理將訊號放大到33 dB（以避免自發發射產生的噪聲）。線路放大器 (LA) 分別補償長途和超長途系統的22 dB或33 dB的線路損耗。它完全是一個光學級裝置。

線路 (OFC) 介質

這是DWDM訊號傳輸的光纖介質。衰減和色散是決定傳輸距離、位元率容量等的主要限制因素。通常，長途和超長途系統的跳躍長度線路損耗分別取22dB和33dB。

超長途線路波長可以在沒有中繼器 (LA) 的情況下達到120公里。然而，透過級聯多箇中繼器，長度可以達到600公里，使用色散補償模組可以進一步增加到1200公里。超過這樣的距離，需要在電氣級進行再生，而不是僅在光學級進行中繼。

預放大器 (PA)

此放大器單獨用於終端，用於連線解複用器和線路，接收來自遠端站點的訊號。因此，衰減的線路訊號在進入解複用器單元之前被放大到+3 dBm到10 dBm的電平。

光學監控通道

OSC的功能是在單獨的波長（根據ITU-T建議G-692為1480 nm）上以較低的電平傳輸附加資料（2 mbps：EOW，使用者特定資料等透過介面），無需任何光學安全措施，並伴隨和獨立於主STM-n光訊號。用於選擇性和匯流排通道的EOW（0.3到3.4 KHz）為8位PCM碼的64 kbps。

光學監控通道 (OSC) 有助於控制和監控光線路裝置以及使用LCT完成的故障定位、配置、效能和安全管理。