光网络 - 快速指南

光网络 - 简介

目前通过概述光数据网络路径（包括多个数据网络协议与协议中立的光网络基础设施相结合）对 IP over WDM 的思考受到了挑战。本教程讨论光数据网络的数据网络协议和网络架构的多样性。

互联网的普及带来的带宽爆炸导致电信行业从语音优化的电路交换服务到数据优化的分组交换服务的范式转变。支持“直接通过光学传输数据”的说法受到了消除不必要的网络层将导致网络成本和复杂性大幅降低的承诺的推动。

从减少或折叠网络层的角度来看，同步数字体系 (SDH) 等现有 TDM 系统的作用逐渐减弱，而光传输网络则作为最终“网络的网络”的底层传输基础设施而出现。

光互联网

例如，光互通论坛（OIF）定义的光互联网工作是一种数据优化的网络基础设施，其中交换机和路由器具有集成光接口，并通过光纤或光网络元件直接连接，例如密集波长-分频复用器 (DWDM)。

然而目前，直接通过 WDM 进行 IP 的概念只不过是巧妙伪装的营销。IP over WDM 几乎总是将 IP 数据包映射到 SDH，并与基于 SDH 的点对点 DWDM 系统相结合。SDH 独立元件（通常称为时分复用器 (TDM)）不是必需的，但 SDH 仍然是数据网络设备接口的一个组成部分。

DWDM 系统对 SDH 的日益依赖限制了技术创新。例如，它可能会抑制光纤数据包应用，例如异步传输模式 (ATM)、千兆位以太网 (GbE) 和 DWDM 上的 10 GbE。它也没有让我们更接近实现光传输网络的最终愿景。

与目前的 IP over WDM 观点相比，数据/传输网络演进有更平衡的观点。这种平衡的观点基于两个基本原则 -

在差异化管理的市场中，每个数据网络都是独一无二的。
光传输网络 (OTN) 作为底层基础设施“网络的网络”，应该能够传输各种客户端信号，无论其格式如何。

这些基本原理共同构成了光数据网络概念的基础。

融合网络

当今基于 TDM 的传输网络旨在为主要语音和基于线路的服务提供有保证的性能和可靠性水平。SDH 等经过验证的技术已得到广泛部署，为语音和租用线路应用提供高容量传输，可扩展至每秒千兆位的速率。SDH 自愈环可在网络故障后数十毫秒内恢复服务水平。所有这些功能均得到完善的全球标准的支持，从而实现高度的多供应商互操作性。

今日网络

与当今基于 TDM 的传输网络（以及在某种程度上与 ATM 网络）相比，“尽力而为”的 IP 网络通常缺乏保证高可靠性和可预测性能的方法。大多数传统IP网络提供的尽力服务具有不可预测的延迟、抖动和数据包丢失，这是通过统计复用实现最大链路利用率所付出的代价。链路利用率（例如每单位带宽的用户数量）一直是数据网络的重要指标，因为链路通常通过 TDM 传输网络在租用电路上承载。

鉴于数据流量固有的突发性，TDM 传输的固定带宽管道可能不是理想的高效解决方案。然而，这种低效率传统上被认为不如基于 TDM 的传输网络提供商的网络可靠性和拥塞隔离功能那么重要。

对高带宽和差异化数据服务的激增需求正在挑战基于 TDM 的传输和尽力而为分组网络的双重架构模型。通过过度配置网络带宽和保持网络轻负载来扩展尽力而为网络的有效性并不符合成本效益。

此外，由于需求增长参差不齐，这种方法并不总是能够实现或保证，并且对于网络接入领域来说是一个特殊问题，因为网络接入领域对未充分利用的设施的经济约束最为敏感。因此，目前的数据服务提供商普遍不具备网络基础设施支持来提供针对客户的差异化服务保证和相应的服务水平协议。

下一代网络

面向经济高效、可靠和可扩展演进的下一代网络架构将采用传输网络和增强服务层，以互补和可互操作的方式协同工作。这些下一代网络将大幅增加并最大限度地共享骨干网络基础设施容量，并为新兴数据应用提供复杂的服务差异化。

传输网络使服务层能够更有效地运行，使它们摆脱物理拓扑的限制，专注于满足服务需求的足够大的挑战。因此，作为对许多服务层增强功能的补充，光传输网络将提供统一、优化的高容量、高可靠性带宽管理层，并为更高容量的数据服务创建所谓的光数据网络解决方案，并保证质量。

光传输网络：实用观点

自 WDM 快速成功商业化以来，光网络的愿景已经激发了研究人员和网络规划人员的想象力。在光传输网络的最初愿景中，出现了灵活、可扩展且强大的传输网络，以满足不断增长的客户端信号种类和同样不同的服务需求（灵活性、可扩展性和生存性以及比特率和协议独立性）。

传输基础设施能够满足新世纪不断增长的带宽需求，其中波长取代时隙作为在网络上提供可靠的高带宽服务传输的媒介，这一承诺确实令人着迷。但什么是光网络呢？答案差异很大，而且事实上近年来已经发生了变化。光网络的早期尝试侧重于光透明度和全球范围内光透明网络的设计。

实用的解决方案

在缺乏可行的“全光”解决方案的情况下，更实用的光网络解决方案满足了对光电器件的需求，以支持光信号再生和光信号性能监控。在所谓的全光网络中，信号完全在光域中穿过网络，没有任何形式的光电处理。这意味着所有信号处理（包括信号再生、路由和波长交换）完全发生在光域中。

由于模拟工程的限制（例如，正确设计的数字系统中的限制因素是原始模拟消息波形转换为数字形式的精度）并考虑到全光处理技术的当前最先进水平，全球甚至全国全光网络的概念实际上是不可能实现的。

特别是，光网络元件中可能需要光电转换，以防止传输损伤的累积 - 由光纤色散和非线性、非理想平坦增益放大器的级联、光信号串扰等因素导致的损伤，级联非平坦滤波器的透射光谱变窄。光电转换还可以支持波长互换，这是目前在全光领域实现的一个具有挑战性的功能。

简而言之，在缺乏执行信号再生以减轻损伤累积并支持全光域中的波长转换的商用设备的情况下，在近期实用的光网络架构中应该期望采取一些光电转换措施。由此产生的光网络架构的特点是光学透明（或全光）子网络，以功能增强的光电器件为边界，如上图所示。

客户端信号透明度

除了模拟网络工程之外，实际考虑因素将继续决定 OTN 的最终实现。这些考虑因素中最重要的是网络运营商希望在未来的传输基础设施中实现高度的客户端信号透明度。

“客户端信号透明度”是什么意思？具体而言，对于目标为在 OTN 上传输的所需客户端信号集，定义了单独的映射来将这些信号作为光通道 (OCh) 服务器信号的有效负载来承载。OTN 中预期的信号包括传统 SDH 和 PDH 信号，以及基于数据包的流量，例如互联网协议 (IP)、ATM、GbE 和 Ssimple Ddata Llink (SDL)。一旦客户端信号在 OTN 入口处被映射到其 OCh 服务器信号，部署此类网络的运营商无需详细了解（或访问）客户端信号，直到在网络出口处解映射为止。

光网络入口和出口点应划定OTN客户端信号透明的域。因此，实现客户端信号透明性的最重要因素是消除 OTN 入口点和出口点之间的所有客户端特定设备和处理。幸运的是，在入口/出口更容易接受依赖于客户端的设备，因为它通常是按服务专用的。

通过数字包装器的光传输网络

DWDM 技术的广泛使用给服务提供商带来了新的挑战：如何经济有效地管理不断增加的波长，以便为最终客户提供快速、可靠的服务。为了有效地管理波长或OCh，要求光网络支持每个波长或OCh级的操作、管理和维护(OAM)功能。

国际电联（T）建议书。G872 定义了以开销形式实现的 OCh 级 OAM 的一些功能，但没有指定如何承载该开销。到目前为止，支持信号再生以及监控、分析和管理 OCh（波长）的唯一可行方法是依靠整个网络中的 SDH 信号和设备。这就要求WDM系统中每个波长上的信号都采用SDH格式。

光通道（波长）

利用DWDM系统中现有的光电再生点，使用数字封装技术的概念将提供类似于SDH的功能和可靠性，但对于任何客户端信号，使我们离实现光传输网络的最初愿景更近了一步。

数字封装技术提供 ITU(T) Rec. 中概述的网络管理功能。G.872 用于启用 OTN。其中包括光层性能监控、前向纠错 (FEC) 以及基于每个波长的环网保护和网络恢复，所有这些都独立于输入信号格式，如下图所示。

最近提出了在 OCh 客户端“周围”使用数字（或 TDM）包装器来支持与信道相关的 OCh 开销的概念，并且实际上已被采用作为 OCh 定义的基础。该方案将利用 OCh 再生的需要来为 OCh 客户端添加额外的容量。当然，一旦我们有了一种以数字方式增加 OCh 客户端信号开销的方法，使用它来支持所有 OCh 级 OAM 要求就有意义了。

特别是，数字增加的开销使得解决 OTN 的主要性能监控问题变得几乎微不足道，即以独立于客户端的方式提供对 Bbit 误码率 (BER) 的访问。通过选择使用 FEC，数字封装方法可以显着增强客户端信号的 BER 性能，进一步最大限度地减少光电转换的要求。

增强传输网络性能的一种方法是使用FEC，目前某些设备中提供了FEC。因此，数字包装器技术的另一个好处是能够选择性地支持 FEC 以增强系统余量。

OCh帧结构

从功能上来说，OCh 有效负载和 OAM 应与 FEC 机制分离。这允许在网络上端到端地传送有效负载和 OAM，同时在不同的链路上使用不同的 FEC 方案。可能发生这种情况的一个明显例子是海底和地面链路之间。在前者中，正在为下一代系统研究新的 FEC 代码。

下图下图说明了所提出的 OCh 基本帧结构，以及 OCh 帧结构中可以承载的功能类型。尽管可能有人认为该提议与全光网络的长期目标不一致，但我们不应期望再生的需求会消失。

再生点之间的距离将不断增加；然而，信号切换点处的再生需求仍然存在。结合使用光学监控通道 (OSC) 来管理光学透明子网内的 OCh，数字包装器将支持跨国家或全球 OTN 的 OCh（波长）端到端管理。

3R 再生（重塑、重定时和再生）通过光电转换提供，反之亦然，数字包装器提案利用了这一点。如果全光学 3R 再生可用，图像会发生变化吗？如果全光再生能够增加开销，则该参数不变；只有再生器的实现会改变。

即使光再生器无法增加开销，对 OChs 开销的需求也不会消失。; 然后，光学再生器将简单地增加光电再生点之间的潜在距离，并且数字包装器将透明地穿过它们。数字包装器的使用对光传输网络发展的影响可能是深远的，特别是在数据网络趋势的背景下。

协议栈选择

IP 协议显然是当今数据通信网络中的汇聚层，并且可以预见，它将在未来几年将这一角色扩展到多服务网络。IP 可以通过多种数据链路层协议和底层网络基础设施进行传输。下图下图显示了 IP 到 WDM 网络基础设施的一些可能的协议栈或映射。

什么是 WDM 上的 IP？

下图中标记为 a、b 和 d 的协议栈是当今最常用的协议栈。他们使用经典的 IP over ATM over SDH 映射，如图 (a) 所示；。packet over SDH (POS)如图(b)所示；或者如图（d）所示的经典且扩展良好的以太网IP。案例 (e) 和 (f) 使用简单数据链路 (SDL)，这是最近提出的一种新数据链路层，作为 POS 的替代方案。标记为(c) 的协议栈是情况(a) 的替代方案，其中消除了中间SDH 层并执行ATM 信元到WDM 的直接映射。

这些不同的协议栈在带宽开销、速率可扩展性、流量管理和 QOS 方面提供不同的功能。声称任何一种特定映射代表 IP over WDM 都是极其不诚实的。

数据链路层协议的多样性以及IP到不同底层网络基础设施的映射是IP的主要优势之一，并且是一个不会消失的特性。相反，很有可能会提出新的、创新的、更有效的协议映射来传输 IP 数据包。对于低带宽和低可靠性网络来说已经是这样，对于高带宽和高可靠光网络来说也将如此。这一观点也符合“一切基于IP、IP基于一切”的愿景。

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。

光监控通道 (OSC) 有助于控制和监控光线路设备以及使用 LCT 完成的故障定位、配置、性能和安全管理。

光网络 - 设备

在本章中，我们将讨论光学设备的各种组件。

隔离器

隔离器是一种非互易装置，允许光在一个方向上沿着光纤通过，并在相反方向上提供非常高的衰减。光学系统中需要隔离器来防止不必要的反射、沿着光纤返回并扰乱激光器的运行（产生噪声）。在制造隔离器时，使用了“法拉第效应”，该效应与偏振相关。

隔离器是使用光学偏振器、分析器和法拉第旋转器构建的。光信号穿过偏振器，方向与入射偏振状态平行。法拉第旋转器会将光信号的偏振旋转 45 度。

然后信号通过分析仪，分析仪与输入偏振器成 45 度角。隔离器从左向右传递光信号，并将其偏振改变 45 度，并产生约 2 dB 的损耗。

循环器

环行器是微光学器件，可与任意数量的端口一起使用，但通常使用 3 端口/4 端口环行器。它具有相对较低的端口到端口损耗（0.5 dB 至 1.5 dB）。

循环器的基本功能如上图所示。进入任何特定端口（例如端口 1）的光将围绕循环器传播并在下一个端口（例如端口 2）处退出。从端口 2 进入的光从端口 3 离开，依此类推。该装置在操作时绕圆对称。循环器是微型光学器件，可以制成具有任意数量的端口。然而，3 端口和 4 端口环行器非常常见。环行器的损耗非常低。典型的端口到端口损耗约为 0.5 至 1.5 db。

分路器和耦合器

耦合器和分离器用于组合光信号和/或分离光信号。绝大多数单模光耦合器采用谐振耦合原理。两根 SM 光纤芯平行且彼此靠近放置。光功率通过电磁波感应从一个核心传输到另一个核心并返回。功率耦合取决于耦合部分的长度。

三个重要特征是 -

回波损耗- 反射和损失的功率量。
插入损耗- 通过设备的总传输过程中丢失的信号量。
超额损耗- 设备超出理论损耗的额外损耗。

耦合器的类型

Y型耦合器
星形耦合器
- 熔纤
- 搅拌板
- 平面（自由空间）
- 3 dB 耦合器
分束器

过滤器

滤波器用于从众多信号中选择传输路径和接收器中的信号。光栅是滤波器。开关、调制器、AWG、多路复用器等都被视为滤波器类型。

以下是过滤器的类型 -

法布里-珀罗
可调谐滤波器
光纤内布拉格光栅滤波器

滤光片用在 LED 前面，以在传输前缩小线宽。滤波器在 WDM 网络中非常有用：

放置在非相干接收器前面的滤波器可用于从许多到达信号中选择特定信号。
WDM 网络被提议使用滤波器来控制信号将采用的网络路径。

光纤布拉格光栅是通信领域最重要的光学滤波器。

调制器

调制器由在电场或磁场的影响下改变其光学特性的材料组成。一般来说，使用三种方法 -

电光和磁光效应
电吸收效应
声学调制器

由于机械振动 Ref. 材料变化指数。声学调制器使用非常高频的声音。通过控制声音的强度，我们可以控制偏转的光量，从而构建一个调制器。

以下是它的一些优点 -

它们可以处理相当高的功率。
折射的光量与声波的强度成线性比例。
它们可以同时调制不同的波长。

光ADM

光学滤波器用于从到达光纤的多个波长中隔离或滤除所需的波长。一旦一个波长被丢弃，另一个使用相同波长的通道就可以在光纤离开 OADM 时添加或插入到光纤上。

简单的 ADM 只有 4 个输入和输出通道，每个通道有四个波长。在 OADM 中，波长可能会被放大、均衡或进一步处理。OADM 使用光交叉连接来排列从输入光纤到输出光纤的波长。

光交叉连接

光学 x 连接可以采用四根输入光纤，每根输入光纤承载四个波长，并将 16 个波长重新排列到四根输出光纤上。OXC 内部的一个简单转发器会将其中一个波长调整到可用通道。

单跳和多跳网络

电信流量持续快速增长。数据和移动流量的增加加速了这一趋势，特别是在印度，通过最近电信市场的自由化。可以采用基于WDM、SDH和IP传送技术相结合的解决方案来满足不断增长的流量需求。

波分复用用于在单根光纤上复用多个波长通道，从而克服光纤拥塞。SDH 技术提供了客户当今所需的容量粒度，并提供了保护这些服务免受网络中断影响的可能性。IP-over-WDM 传输网络可以为互联网服务提供商 (ISP) 提供高容量互联网传输服务。

同步数字体系

同步数字体系 (SDH) 网络取代了 PDH，并具有几个关键优势。

G.707、G.708 和 G.709 ITU 建议为全球网络提供了基础。
网络受益于流量弹性，可以最大限度地减少光纤断裂或设备故障时的流量损失。
内置监控技术允许远程配置和排除网络故障。
灵活的技术允许任何级别的朝贡访问。
随着技术的进步，面向未来的技术可以实现更快的比特率。

欧洲PDH网络无法与美国网络对接，SDH网络可以承载这两种类型。上图显示了不同 PDH 网络的比较以及哪些信号可以通过 SDH 网络承载。

SDH - 网络拓扑

专线系统是指PDH网络拓扑结构的系统。仅在网络端点添加和删除流量。终端节点在网络末端用于添加和删除流量。

线路系统

在任何 SDH 网络中，都可以使用称为再生器的节点。该节点接收高阶SDH信号并重传。再生器不可能进行低阶流量访问，并且它们仅用于覆盖站点之间的长距离，其中距离意味着接收功率太低而无法承载流量。

环形系统

环形系统由以环形配置连接的多个分插复用器 (ADM) 组成。可以在环路周围的任何 ADM 处访问流量，也可以出于广播目的在多个节点处丢弃流量。环形网络的优点是提供流量弹性，如果光纤断裂，流量也不会丢失。网络弹性将在后续章节中详细讨论。

SDH网络同步

虽然 PDH 网络不是集中同步的，但 SDH 网络却是集中同步的（因此，称为同步数字体系）。运营商网络上的某个位置将是主要参考源。该源分布在 SDH 网络或单独的同步网络上。

如果主源不可用，每个节点都可以切换到备份源。定义了各种质量级别，节点将切换它可以找到的下一个最佳质量源。在节点使用输入线路定时的情况下，MS开销中的S1字节用于表示源的质量。

节点可用的质量最低的源通常是其内部振荡器。在节点切换到其自己的内部时钟源的情况下，应尽快补救，因为随着时间的推移，节点可能会开始生成错误。

仔细规划网络的同步策略非常重要。如果网络中的所有节点都尝试与同一侧的邻居同步，您将得到一种称为定时循环的效果，如上图所示。当每个节点尝试相互同步时，该网络将很快开始生成错误。

SDH层次结构

下图展示了payload是如何构建的，它并不像乍看起来那么可怕。

光网络 - WDM 技术

WDM是一种能够在一根光纤上传输多种光信号的技术。其原理本质上与频分复用（FDM）相同。也就是说，使用不同的载波来传输多个信号，占据频谱的非重叠部分。对于 WDM，所使用的光谱带位于 1300 或 1550 nm 区域，这是光纤具有非常低信号损耗的两个波长窗口。

最初，每个窗口用于传输单个数字信号。随着分布式反馈（DFB）激光器、掺铒光纤放大器（EDFA）和光电探测器等光学元件的进步，人们很快意识到每个传输窗口实际上可以被多个光信号使用，每个光信号占用可用总波长窗口的小牵引力。

事实上，窗口内复用的光信号数量仅受这些组件的精度限制。利用当前技术，可以将超过 100 个光通道复用到单根光纤中。该技术当时被命名为密集波分复用（DWDM）。

长距离波分复用 (WDM)

1995年，美国的长途运营商开始部署点对点WDM传输系统，以升级其网络容量，同时利用现有的光纤基础设施。此后，WDM也席卷了长途市场。WDM技术可以应对不断增长的容量需求，同时推迟光纤的耗尽，增加容量升级的灵活性。

然而，最普遍的驱动因素是 WDM 解决方案与竞争解决方案相比的成本优势，例如用于升级网络容量的空分复用 (SDM) 或增强型时分复用 (TDM)。下图所示的“开放式”WDM 解决方案利用了 WDM 终端复用器 (TM) 中的转发器以及由多个波长通道共享的内联光放大器。

该转发器本质上是一个 3R 光电光 (O/E/O) 转换器，可将符合 G.957 标准的光信号转换为适当的波长通道（反之亦然），同时对信号进行电气重新供电、整形和重新定时。SDM 解决方案使用多个并行光纤对，每个光纤对都配备 SDH 再生器，而不是多个波长共享同一个内联光放大器。升级到更高的 TDM 速率（例如，从 2.5 Gb/s STM-16 到 10 Gb/s STM-64）只是一个短暂的解决方案，因为色散等传输损伤不能随着 TDM 速率的增加而很好地扩展，特别是在标准上单模光纤。

案例研究表明，长途点对点 WDM 系统显然是比 SDM 更具成本效益的解决方案，即使对于低至三个 STM-16 通道也是如此。上图展示了传输网络初始核心的两个链路成本比较，该传输网络由 5000 公里光纤组成，两个接入城市之间的平均距离为 300 公里。请注意，上图中的 100% 成本参考点对应于部署一个 STM-16 通道的成本，包括光纤成本。从上图可以得出两个结论。

如下图所示，如果仅考虑传输和再生设备成本（即SDM情况下的SDH再生器和WDM情况下带有转发器和内联光放大器的WDM TM），则使用WDM技术的初始链路成本更多是SDH的两倍。然而，由于共享内联光放大器，WDM 解决方案对于网络中三个或更多通道的部署更具成本效益。

如下图所示，如果除了上述考虑外，还考虑光纤成本，那么WDM方案的成本优势就更加明显，并且随着通道数量的增加而放大。WDM解决方案对于网络中部署三个通道及更多通道来说更具成本效益。

短距离波分复用 (WDM)

不需要再生器，而且由于短距离网络的距离有限，光损伤的影响较小，因此 WDM 的优势不如 SDM 或增强型 TDM 解决方案那么明显。然而，光纤枯竭和低成本光学元件正在推动城域地区的 WDM 发展。

短途应用涉及同一城市内多个接入点（POP）的互连。让我们考虑一个例子。下图显示，传输网络每个城市至少有两个POP，客户可以在其中互连。通过双节点互连技术，例如丢弃和继续，客户网络可以通过两个不同的 POP 与传输网络互连。

这形成了一个非常安全的架构，甚至可以承受 POP 故障而不会影响任何流量。因此，一个城市中两个 POP 之间的流量不仅包括经过该城市的流量，还包括在该城市终止并使用“丢弃并继续”保护的流量。这些增加的城市内容量需求导致了在传输网络的短距离部分部署 WDM。

WDM 优于 SDM 的主要原因是因为城市中的光纤必须从第三方租赁或必须建设光纤网络。租赁或建设城市光纤不仅是一个昂贵的过程，而且也是一种不太灵活的容量升级方法。在流量分布和流量快速变化的动态环境中，很难提前预测要租赁或建造的光纤数量。因此，使用WDM技术具有明显的灵活性优势，因为波长通道可以在很短的时间内激活。

尽管世界上存在特定的短距离WDM系统，但是对于其长途网络使用相同类型的WDM系统是有利的。虽然短程 WDM 系统比长程 WDM 系统便宜，并且由于可以使用低成本的光学组件，但它们会导致异构网络，而由于多种原因，这不是优选的。首先，使用两个不同的系统会导致运营和管理成本增加。例如，异构网络比同构网络需要更多的备用设备部件。其次，两个不同系统之间的互操作可能会带来问题。例如，由于短程 WDM 系统通常比长途 WDM 系统支持更少的波长，因此可能会出现瓶颈。

光传输网络架构

如下图所示，光传输网络（OTN）代表了传输网络演进的自然下一步。从高层架构的角度来看，人们不会期望 OTN 架构与 SDH 架构有显着差异。然而，SDH 涉及数字网络工程而 OTN 涉及模拟网络工程，这一事实导致了一些显着但微妙的区别。探索这些区别使我们能够了解 OTN 可能与 SDH 同行不同的方面。

不断发展的 WDM OTN 架构（包括网络拓扑和生存性方案）将与 SDH TDM 网络的架构非常相似（如果不是镜像的话）。然而，这应该令人惊讶，因为 SDH 和 OTN 都是面向连接的复用网络。主要差异源自复用技术的形式：SDH 的数字 TDM 与 OTN 的模拟 WDM。

数字与模拟的区别对于 OTN 网络和系统设计的许多方面的基本成本/性能权衡具有深远的影响。特别是，与模拟网络工程和维护影响相关的复杂性构成了与 OTN 相关的大部分挑战。

为了满足短期容量增长的需要，WDM点对点线路系统将继续大规模部署。随着波长数量和终端之间距离的增长，在中间站点添加和/或删除波长的需求日益增加。因此，灵活的可重构光 ADM (OADM) 将成为 WDM 网络的组成部分。

随着越来越多的波长在运营商网络中部署，在光通道级别管理网络之间的容量和切换信号的需求将会增加。与此类似，DXC 的出现是为了管理电气层的容量，光交叉连接 (OXC) 的出现也是为了管理光层的容量。

最初，在核心传输网络环境中对光层带宽管理的需求将是最迫切的。在这里，基于逻辑网格的连接将通过物理拓扑得到支持，包括基于 OADM 的共享保护环和基于 OXC 的网格恢复架构。选择将取决于服务提供商所需的带宽“过度构建”程度和生存时间尺度要求。

随着城域局间和接入环境出现类似的带宽管理要求，基于OADM环的解决方案也将针对这些应用进行优化：满足网状需求的光共享保护环，以及满足集线器需求的光专用保护环。因此，正如 OA 是 WDM 点对点线路系统出现的技术推动者一样，OADM 和 OXC 也将成为 OTN 出现的推动者。

由于光网络元件承担传统上由 SDH 设备提供的传输层功能，因此光传输层将充当能够支持传统和融合分组核心网络信号格式的统一传输层。当然，服务提供商转向 OTN 的预测是，将“类 SDH”传输层功能转移到光层，同时开发新兴光传输层的维护理念和相关网络维护功能。

生存能力对于光网络作为统一传输基础设施的作用至关重要。与许多其他架构方面一样，光网络的生存能力将与 SDH 的生存能力高度相似，因为网络拓扑和网络元件类型非常相似。在光层内，生存机制将继续提供从光纤切断和其他物理介质故障中最快的恢复，并提供高效、灵活的保护容量管理。

OTN 在概念上类似于 SDH，子层的定义反映了客户端-服务器关系。由于 OTN 和 SDH 都是面向连接的复用网络，因此两者的恢复和保护方案非常相似也就不足为奇了。微妙但重要的区别值得重复：TDM 网络基于数字时隙操作，而 OTN/WDM 网络则基于模拟频率间隙或光通道（波长）操作。因此，虽然我们可能期望这两种技术都可以实现类似的保护和恢复架构，但在任何特定的生存性方案中可能需要考虑的网络故障类型可能完全不同。

光层生存能力

电信网络需要为其客户提供可靠、不间断的服务。总体可用性要求约为 99.999% 或更高，这意味着网络平均每年停机时间不能超过 6 分钟。因此，网络生存能力是影响这些网络设计和运营方式的主要因素。网络的设计需要能够处理链路或光纤切断以及设备故障。

网络可以被视为由许多彼此交互操作的层组成，如上图所示。不同的运营商使用不同的分层策略组合来选择不同的网络实现方式。现有运营商利用其庞大的 SDH 设备安装基础以及数字交叉连接的广泛疏导和监控功能。

相比之下，提供基于互联网协议 (IP) 的服务的运营商寻求使用 IP 作为基本传输层而不使用 SDH 来简化网络基础设施。基于服务质量（和多样性）（QOS）而脱颖而出的运营商可以使用 ATM 作为其传输技术。这些层之下是新兴的光学 WDM 层，或光学层。

光层向更高层提供光路，这些层可以被视为利用光层提供的服务的客户端层。光路径是电路交换管道，以相当高的比特率（例如，2.5 Gb/s 或10 Gb/s）传送流量。这些光路通常用于互连客户端层设备，例如 SDH ADM、IP 路由器或 ATM 交换机。一旦设置完毕，它们就会随着时间的推移保持相当稳定。

光层由光线路终端（OLT）、光ADM（OADM）和光交叉连接（OXC）组成，如下图所示。OLT 将多个通道复用到单个光纤或光纤对中。OADM 从聚合 WDM 流中删除或添加少量通道。OXC 在高流量节点位置切换和管理大量通道。

我们从服务的角度来看待光层保护，即光层需要向更高层提供的服务类型。然后，我们根据必须支持的服务组合，对已提出的不同光层保护方案的成本和带宽效率进行比较。这有些不同，人们倾向于将光层保护视为类似于SDH层保护。

为什么要进行光层保护？

上图所示的IP、ATM和SDH层都包含了保护和恢复技术。虽然这些层都被设计为与其他层一起工作，但它们也可以直接通过光纤进行操作，因此不依赖于其他层来处理保护和恢复功能。因此，每一层都包含自己的保护和恢复功能。那么问题来了，为什么需要光层提供自己的一套保护和恢复机制。以下是一些原因 -

光层之上运行的某些层可能无法完全提供网络中所需的所有保护功能。例如，SDH层的设计目的是提供全面的保护，因此不会依赖于光层的保护。然而，其他层（IP 或 ATM）中的保护技术本身可能不足以在出现故障时提供足够的网络可用性。

目前有许多建议直接在光层上操作IP层而不使用SDH层。虽然 IP 在路由级别结合了容错功能，但这种机制很麻烦，而且速度不够快，无法提供足够的 QOS。在这种情况下，光层提供快速保护以满足传输层的整体可用性要求就变得很重要。
大多数运营商对遗留设备进行了大量投资，这些设备根本不提供保护机制，但也不容忽视。在该设备和原始光纤之间无缝引入光学层，可以通过长光纤链路对基础设施进行低成本升级，并提高生存能力。
光层保护和恢复可用于在网络中提供额外级别的弹性。例如，许多传输网络被设计为一次处理单个故障，而不是多个故障。光学恢复可用于提供针对多种故障的恢复能力。
光层保护可以更有效地处理某些类型的故障，例如光纤切断。单根光纤承载多个波长的流量（例如，16-32 个 SDH 流）。因此，光纤切断会导致所有 16-32 个 SDH 流由 SDH 层独立恢复。网络管理系统充斥着由每个独立实体生成的大量警报。如果光学层能够足够快地恢复光纤切断，则可以避免这种操作效率低下的情况。
通过利用光层保护和修复可以显着节省成本。

限制 - 光层保护

以下是光学层保护的一些限制。

它不能处理网络中所有类型的故障。例如，它无法处理连接到光网络的 IP 路由器或 SDH ADM 中激光器的故障。这种类型的故障必须分别由IP 层或SDH 层处理。
它可能无法检测网络中所有类型的故障。由光学层提供的光路可以是透明的，使得它们以各种比特率承载数据。在这种情况下，光学层实际上可能不知道这些光路上到底承载着什么。因此，它无法监控流量以感知性能下降，例如误码率增加，而这种情况通常会调用保护开关。
光层以光路为单位保护流量。它无法为光路径上承载的流量的不同部分提供不同级别的保护（部分流量可能具有高优先级，其他流量的优先级较低）。此功能必须由以更细粒度处理流量的更高层执行。
可能存在限制光层保护能力的链路预算约束。例如，可以限制保护路由的长度或保护流量经过的节点的数量。
如果整个网络没有经过精心设计，当光层和客户端层同时尝试保护流量免受故障时，可能会出现竞争条件。