全光通信是指用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部採用光波技術，即數據從源節點到目的節點的傳輸過程都在光域內進行，而且其在各網路節點的交換則使用高可靠、大容量和高度靈活的光交叉連線設備（oxc）。在全光網路中，由於無需電信號的處理，所以允許存在不同的協定和編碼，使信息傳輸具有透明性。它同SDH傳送網一樣，滿足傳送網通信模型，遵循—般傳送網的組織原理、功能結構的建模和信息定義，採用了相似的描述方式。因此，很多SDH傳送網的功能和體系構想都可以用於全光通信網。
技術背景,系統概述,技術優勢,主要特點,網路結構,關鍵技術,光多址技術,全光信息再生技術,網路管理控制,光交換網路技術,
技術背景
隨著社會經濟的發展，人們對信息的需求急劇增加，信息量呈指數增長，僅Internet用戶需要傳送的信息比特速率每年就增加8倍。通信業務需求的迅速增長對通信容量提出越來越高的要求。
光纖近30THz的巨大潛在頻寬容量，使光纖通信成為支撐通信業務量增長最重要的技術。現階段採用時分復用單波長的光纖傳輸系統容量已達10Gbit/s，再提高系統速率就會產生技術和經濟上的問題。人們普遍認為波分復用是充分利用光纖低損耗區30THz頻寬的一種可行技術，可以打破單個波長系統頻寬的限制，是提高光纖容量的一種有效途徑。
但是光纖傳輸系統速率的提高也帶來了一個新的問題。在這種高速傳輸的網路中，如果網路節點處仍以電信號處理信息的速度進行交換，就會受到所謂“電子瓶頸”（10Gbps）的限制，節點將變得龐大而複雜，超高速傳輸所帶來的經濟效益將被昂貴的光/電和電/光轉換費用所抵消。為了解決這一問題，人們提出了全光網AON（All Optical Network）的概念。
系統概述
全光通信網，又稱寬頻高速光聯網，它以波長路由光交換技術和波分復用傳輸技術為基礎，在光域上實現信息的高速傳輸和交換，數據信號從源節點到目的節點的整個傳輸過程中始終使用光信號，在各節點處無光/電、電/光轉換。全光網，從原理上講就是網中直到端用戶節點之間的信號通道仍然保持著光的形式，即端到端的全光路，中間沒有光電轉換器。這樣，網內光信號的流動就沒有光電轉換的障礙，信息傳遞過程無需面對電子器件處理信息速率難以提高的困難。
全光通信網技術是光纖通訊領域的前沿技術，是21世紀真正的高速公路。許多國家都把全光網作為建設“信息高速公路”的基礎，將其提升到戰略地位的高度。
技術優勢
全光通信網與現有光纖網的區別之一在於其波長路由，通過波長選擇性器件實現路由選擇。其二是信號傳輸無電中繼，具有信號透明性，即數據速率透明和信號格式透明。另外全光網還具有可擴展性、可重構性和可操作性。具備以往通信網和現行光通信系統所不具備的優點：
1．簡單可靠。全光網結構簡單，端到端採用透明光通路連線，沿途沒有光電轉換與存儲，網中許多光器件都是無源的，便於維護、可靠性高。
2．可擴展性好。加入新的網路節點時，不影響原有的網路結構和設備，降低成本，具有網路可擴展性。
3．透明傳輸。全光網以波長選擇路由，對傳輸碼率、數據格式及調製方式均具有透明性，可提供多種協定業務，可不受限制地提供端到端業務。
4．靈活重組。可根據通信業務量的需求，動態地改變網路結構，充分利用網路資源，具有網路可重組性。
5．快速恢復。實現快速網路恢復，恢復時間可達100ms，對絕大多數業務無損傷。
6．提供多種業務。全光網提供多種寬頻信息業務，包括數據、音頻和視頻通信，可以把全光網支持的業務及套用分為3類：
傳統數位訊號業務，其數據速率範圍從低速Kbps至高速Gpbs，如異步傳送模式（ATM）、區域網路的互連、多路數字電話、乙太網等。
模擬信號業務，如有線電視（CATV）節目的多路傳送。
用戶需要光接口業務，高速數據和多媒體業務，包括視頻工作站、大規模資料庫和多路高清晰度電視等，這將是全光網業務的主流。
主要特點
全光通信是用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部採用光波技術，即數據從源節點到目的節點的傳輸過程都在光域內進行，而其在各網路節點的交換則採用全光網路交換技術。全光通信與傳統的通信網路與現有的光纖通信系統相比，具有其獨具的特點：
（2）降低成本。在採用電子交換及光傳輸的體系中，光/電及電/光轉換的接口是必要的，如果整個採用光技術可以避免這些昂貴的光電轉換器材。而且，在全光通信中，大多採用無源光學器件，從而降低了成本和功耗。
（3）解決了“電子瓶頸”問題。在光纖系統中，影響系統容量提高的關鍵因素是電子器件速率的限制，如電子交換速率大概為每秒幾百兆位，而只在大規模圖像傳輸研究領域達Tbit/s的速率。CMOS技術及ECL技術的交換機系統可以達到Gbii/s範圍，不久的將來，採用砷化鑄技術可使速率達到幾十個Gbit/s以上，但是電子交換的速率也似乎達到了極限。為此，網路需要更高的速度則應採用光交換與光傳輸相結合的全光通信。
總之，“全光通信”是一種無須進行任何光電變化的全新光波通信。在全光通信系統中，圖像和話音信息直接變換為光信號，並在傳輸媒體中傳輸。在攝像光學系統、光纖系統和接收放大系統組成的全光通信系統中，由於不要求光電變換，所以沒有任何電子元件，信號失真小，能夠在100°C以上的高溫環境中連續工作，是理想的通信方式。
網路結構
關鍵技術
為了實現準確、有效、可靠的全光通信，應採用以下關鍵技術：
光多址技術
光多址技術是光纖通信系統的關鍵技術之一。選用哪一種光多址方式直接影響到系統的頻譜利用率、系統容量、設備的複雜度及成本等。光多址方式主要有3種：光波分多址、光時分多址、副載波多址。
（1）光波分多址(WDMA)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路單元（ONU），用以實現上行信號的傳輸，即各ONU根據所分配的光載波對傳送的信息脈衝進行調製，從而產生多路不同波長的光脈衝，然後利用波分復用方法經過合波器形成一路光脈衝信號來共享傳輸光纖並送入到光交換局。在WDMA系統中為了實現任何允許節點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定。該協定包括固定分配協定、隨機接入協定（包括預留機制、交換和碰撞預留技術）及仲裁規程和改裝傳送許可等。
WDMA的研究比較廣泛，已提出了兩種WDMA網路：單轉發網路和多轉發網路。前者有：
①IBM BAINBOW的單轉發副載波控制的WDMA網路，即在每一個節點上只需一個雷射器，並在控制信道上採用副載波多址接入（SCMA）來解決控制信道競爭問題；
②具有低功耗，樹型或多星型結構的無源光波分多址網路等；後者包括：具有多種可能配置的Gemnet網路，具有KAVTE拓撲結構的多轉發網路、基於超圖理論的超圖網路及由史丹福大學光通信實驗室開發的Starnet網路。
（2）副載波多址（SCMA）多用於光交換局到不同ONU的控制信號的傳送。其基本原理是將多路基帶控制信號調製到不同頻率的射頻（超短波到微波頻率）波上，然後將多路射頻信號復用後再去調製一個光載波。在ONU端進行二次解調，首先利用光探測器從光信號中得到多路射頻信號，並多中選出該單元需要接收的控制信號，再用電子學的方法從射頻波中恢復出基帶控制信號。在控制信道上使用SGMA接入，不僅可降低網路成本，還可解決控制信道的競爭。
（3）光時分多址（OTDM）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），然後根據一定的時隙分配原則，使每個ONU在每幀內只按指定的時隙傳送信號，然後利用全光時分復用方法在光功率分配器中合成一路光時分脈衝信號，再經全光放大器放大後送入光纖中傳輸。在交換局，利用全光時分分解復用。為了實現準確，可靠的光時分多址通信，避免各ONU向上游傳送的碼流在光功率分配器合路時可能發生碰撞，光交換局必須測定它與各ONU的距離，並在下行信號中規定ONU的嚴格傳送定時。
除以上多址技術以外，隨著光纖通信技術的發展，還會出現其他的多址方式，如利用不同的代碼序列來區分各ONU的光碼分多址，利用不同的光纖或將光纖中的光速沿空間分割給不同的ONU來實現通信的空分多址方式等。當然，其中也包括上述多址方式的混合多址方式，如將光時分多址與光波分多址相結合，可進一步提高系統容量。
全光信息再生技術
在光纖通信中，光纖的損耗和色散嚴重影響通信質量。損耗導致光信號的幅度隨傳輸距離按指數規律衰減，這可以通過全光放大器來提高光信號功率。色散會導致光脈衝發生展寬，發生碼間干擾，使系統的誤碼率增大，嚴重影響了通信質量。因此，必須採取措施對光信號進行再生。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體轉變為電信號，經電路整形放大後，再重新驅動一個光源，從而實現光信號的再生。這種光電中繼器具有裝置複雜、體積大、耗能多的缺點。出現了全光信息再生技術後，即在光纖鏈路上每隔幾個放大器的距離接入一個光調製器和濾波器，從鏈路傳輸的光信號中提取同步時鐘信號輸入到光調製器中，對光信號進行周期性同步調製，使光脈衝變窄、頻譜展寬、頻率漂移和系統噪聲降低，光脈衝位置得到校準和重新定時。全光信息再生技術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，成為全光信息處理的基礎技術之一。
網路管理控制
為了充分發揮光通信的優勢，必須研究開發行之有效的網路管理控制系統。網路的配置管理、信道的分配管理、管理控制協定、網路的性能測試等都是網路管理方面需要解決的技術。由於全光網路採用了先進的多址技術，因此如何根據當前的業務負載及信道的使用情況來動態地分配信道資源，對於全光網路尤為重要。只有高效地分配信道，才可使系統達到最大容量和最佳通信質量。
光交換網路技術
光交換是指光纖傳送的信息直接進行交換。與電子數字程控交換相比，光交換無需在光纖傳輸線路和交換機這間設定光端機進行光/電、電/光變換，並且在交換過程中還能充分發揮光信號的高速、寬頻和無電磁感應的優點。光交換技術作為全新的交換技術，與光纖傳輸技術相融合可形成全光通信網路，從而將通信網和廣播網綜合在一個網中，成為通信的未來發展方向。它主要有5種交換方式：空分光交換、時分光交換、波分光交換、複合型光交換及自由空間光交換。
（1）空分光交換是指空間劃分的交換。其基本原理是將光交換元件組成門陣列開關，並適當控制門陣列開關，即可在任一路輸入光纖和任一輸出光纖之間構成通路。因其交換元件的不同可分為機械型、光電轉換型、複合波導型、全反射型和雷射二極體門開關等。如耦合波導型交換元件鈮酸鋰，它是一種電光材料，具有折射率隨外界電場的變化而發生變化的光學特性。以鈮酸鋰為基片，在基片上進行鈦擴散，以形成折射率逐漸增加的光波導，即光通路，再焊上電極後即可將它作為光交換元件使用。當將兩條很接近的波導進行適當的複合，通過這兩條波導的光速將發生能量交換。能量交換的強弱隨復全係數、平行波導的長度和兩波導之間的相位差變化，只要所選取的參數適當，光速就在波導上完全交錯。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。
時分光交換方式的原理與現行的電子程控交換中的時分交換系統完全相同，因此它能與採用全光時分多路復用方法的光傳輸系統匹配。在這種方式下，可以時分復用各個光器件，能夠減少硬體設備，構成大容量的光交換機。
（2）時分光交換網由時分型交換模組和空分型交換模組構成。它所採用的空分交換模組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組中則需要有光存儲器（如光纖延遲存儲器、雙穩態雷射二極體存儲器）、光選通器（如定向複合陣列開關）以進行相應的交換。
（3）波分光交換方式能充分利用光跌的寬頻特性，可以獲得以電子線路所不能實現的波分型交換網。可調波長濾波器和波長變換器是實現波分交換的基本元件，前者的作用是從輸入的多路波分光信號中選出所需波長的光信號，後者則將可變波長濾波器選出的光信號變換成適當的波長後輸出。這可以通過DFB（分布反饋型）和DBR（分布DBR反射）型的半導體雷射器來實現。
（4）複合型光交換是指在一個交換網路中同時套用兩種以上的光交換方式。例如，在波分技術的基礎上設計大規模交換網路的一種方法是進行多極鏈路連線，鏈路連線在各級內均採用波分交換技術。因這種方法需要把多路信號分路接入鏈路，故抵消了波分復用的優點。解決這個問題的措施是在鏈路上利用波分復用方法，實現多路化鏈路的連線，空分-波分復全型光交換系統就是複合型光交換技術的一個套用。除此之外，還可將波分和時分技術結合起來得到另一種極有前途的複合型光交換，其復用度是時分多路復用度與波分多路復用度的和乘積。如它們的復用度分別為16，則可實現256路的時分----波分複合型交換。
