光数据网络
如今定义的 IP over WDM 对数据网络和光网络所能提供的功能提出了严格的要求。单一协议栈以及未充分利用光层的网络功能所带来的限制对某些网络应用来说非常严格。
上述网络趋势要求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。对于高速数据网络中的某些网络应用来说，POS over 点对点 WDM 的选择是最好的，但肯定不是所有网络应用都适用。此外，选择用于实施和部署这些未来数据网络的光学平台必须确保可以轻松容纳新的、意想不到的协议堆栈映射，并且它们可以从光学层网络接收相同的网络功能，而无需中间协议转换。
光学数据网络是一种替代方法，它不会试图减少协议堆栈和网络架构的异构性，而是利用异构性为每个特定应用程序和网络提供商细分提供量身定制的网络解决方案。光学数据网络结合了服务层和传输层的网络功能。
光学数据网络的主要组成部分
协议堆栈的多样性（反映在 OTN 中要支持的多种客户端信号类型中）通过使用数字包装器来适应。使用真正的光纤网络功能可通过 OCh 路由、故障和性能监控、保护和恢复提供额外的灵活性和稳健性，所有这些都是在每个 OCh 基础上选择性执行的。所有这些元素结合在一起，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，并能满足任何特定数据服务提供商的愿景。
该技术具有成本效益，并且在升级信道容量、添加/删除信道、重新路由和流量分配方面更加灵活，支持所有类型的网络拓扑和保护系统以及同步。以下是主要组件 −
- TP（转发器）
- 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）
转发器
该单元是 STM-n 宽脉冲光信号和 MUX/DEMUX 设备之间的接口。该光信号可能位于同一位置，也可能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) 级的窄波长（点或彩色频率），间距为 1.6 nm；发送到 MUX。
在反向，DEMUX 的彩色输出转换为宽脉冲光信号。输出功率水平在两个方向上均为 +1 至 -3 dBm。转换是采用 2R 或 3R 方法的光电转换和电光转换（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 可能依赖于波长颜色和比特率，也可能对两者可调（昂贵且未使用）。然而，在 2R 中，任何比特率、PDH、STM-4 或 STM-16 都可以是信道速率。该单元在接收器灵敏度和过载点方面存在限制。
虽然中间电气阶段无法访问，但 STN-n 的开销字节可用于监控目的。该装置还支持 ITU-T 建议 G.957 上的光学安全操作 (ALS)。
可变光衰减器 (VOA)
这是一种类似于预加重的无源网络，需要调整 EDFA 波段上信号电平的均匀分布，以便 Mux 装置的单个通道光输出功率保持不变，而不管系统中加载的通道数量如何。
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，都会使用衰减器，例如，查看链路中信号电平的变化如何影响误码。一种方法是采用精确的机械设置，使光信号通过具有不同暗度的玻璃板，然后返回光纤，如图所示。
玻璃板的灰度范围从一端的 0% 到另一端的 100%。当板子跨过间隙时，或多或少的光能可以通过。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，板子都会以相同的量衰减任何光能），但机械成本高昂。
多路复用器 (MUX) 和多路分解器 (De-MUX)
由于 DWDM 系统通过单根光纤从多个站点发送信号，因此它们必须包含一些方法来组合传入信号。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获取光波长并将它们汇聚成一束。在接收端，系统必须能够分离出光束的传输波长，以便可以谨慎地检测它们。
解复用器通过将接收光束分离为其波长分量并将它们耦合到单个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，也可以是主动的。无源设计使用棱镜、衍射光栅或滤波器，而有源设计将无源设备与可调滤波器相结合。
这些设备的主要挑战是尽量减少串扰并尽量增加通道分离（两个相邻通道之间的波长差）。串扰是衡量信道分离程度的指标，而信道分离是指区分每个波长的能力。
多路复用器/解复用器的类型
棱镜类型
使用棱镜可以实现波长的简单多路复用或解复用。
平行的多色光束照射到棱镜表面，每个成分波长的折射不同。这就是彩虹效应。在输出光中，每个波长与下一个波长之间有一个角度。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，将不同的波长多路复用到一根光纤上。
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，每个波长以不同的角度衍射，因此衍射到空间中的不同点。使用透镜，这些波长可以聚焦到单个光纤上，如下图所示。 布拉格光栅是一种简单的无源元件，可用作波长选择镜，广泛用于在 DWDM 系统中增加和删除信道。
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。光纤中掺杂有磷、锗或硼，使其具有感光性。光线穿过掩模后，会产生条纹图案，并"印"到光纤中。这会产生光纤纤芯玻璃折射率的永久周期性调制。完成的光栅反射布拉格波长的光（等于高折射率区域和低折射率区域之间的光学间距的两倍），并传输所有其他波长。
可调布拉格光栅
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，从而使光栅被拉伸，布拉格波长移至更长的波长。目前的设备可以为 150v 的输入提供 2 nm 的调谐范围。
阵列波导光栅
阵列波导光栅 (AWG) 也是基于衍射原理。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
当光进入输入腔体时，会发生衍射并进入波导阵列。因此，每个波导的光长差异会在输出腔体中引入相位延迟，输出腔体中耦合有一组光纤。该过程导致不同波长在不同位置产生最大干涉，这对应于输出端口。
多层干涉滤光片
另一种技术是在称为薄膜滤光片或多层干涉滤光片的设备中使用干涉滤光片。通过在光路中放置由薄膜组成的滤光片，可以对波长进行解复用。每个滤光片的属性是，它传输一个波长，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。
滤光片以适中的成本提供良好的稳定性和通道间隔离，但插入损耗较高（AWG 表现出平坦的光谱响应和低插入损耗）。滤光片的主要缺点是它们对温度敏感，可能并非在所有环境中都实际使用。然而，它们的巨大优势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根或多根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只能起到复用的作用，制造成本低，缺点是插入损耗大。目前中通威的DWDM设备中采用的OM就是耦合OM，光端机采用的是AWG器件。
增强放大器（光放大器）
由于衰减，光纤段在需要再生之前能够完整地传输信号的距离是有限的。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，光放大器还可用于在复用后或解复用前增强信号功率。
光放大器的类型
在每条光路由中，光放大器都以单工模式用作中继器。一条光纤用于发送路径，第二条光纤用于返回路径。最新的光放大器将同时在两个方向上运行。我们甚至可以在两个方向上使用相同的波长，只要采用两种不同的比特率。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来传递以不同波长运行的一系列信号。例如，光谱带宽为 40 nm 的 SLA 可以处理大约十个光信号。
在 565 mb/s 系统中，对于 500 kms 的光链路，需要五个 SLA 光放大器，间隔 83 km。每个放大器提供约 12 dB 的增益，但也会给系统带来噪声（BER 为 10-9）。
SLA 放大器具有以下缺点 −
- 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
- 容易发生串扰
掺铒光纤放大器 (EDFA)
在 DWDM 系统中，使用 EDFA。铒是一种稀土元素，当被激发时，会发出约 1.54 微米的光，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原子将其储存的能量释放为额外的 1550 nm 光。信号变强。EDFA 中的自发辐射也会增加 EDFA 的噪声系数。 EDFA 的典型带宽为 100 nm，在光路中每隔 80-120 km 就需要使用 EDFA。
EDFA 还会受到一种称为 四波混频 的影响，这是由于相邻信道之间的非线性相互作用。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的串扰。
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 系统正在转向拉曼放大，其带宽约为 300 nm。在这里，泵浦激光器位于光纤的接收端。串扰和噪声大大降低。但是，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"四波混频"效应。不幸的是，早期的光链路通常使用零色散光纤，以尽量减少长距离的色散，当这些相同的光纤升级为承载 WDM 信号时，它们并不是宽带光信号的理想介质。
正在开发用于 WDM 的特殊单模光纤。这些光纤具有交替的正色散和负色散光纤段，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
它是一种两级 EDFA 放大器，由前置放大器 (PA) 和增强放大器 (BA) 组成。如果没有这两个级，就不可能按照 EDFA 原理将信号放大到 33 dB（以避免自发辐射产生的噪声）。线路放大器 (LA) 分别补偿长距离和超长距离系统的 22 dB 或 33 dB 线路损耗。它完全是一个光学级设备。
线路 (OFC) 介质
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，22dB 和 33dB 分别被视为长距离和超长距离系统的跳长线路损耗。
超长距离线路波长可以达到 120 公里，无需中继器 (LA)。但是，如果级联多个中继器，长度可能达到 600 公里，使用色散补偿模块，长度可以进一步增加到 1200 公里。超过这个距离后，需要在电气阶段进行再生，而不是仅在光学阶段进行中继器。
前置放大器 (PA)
此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 +3 dBm 至 10 dBm 的水平。
光监控通道
OSC 执行在单独的波长（根据 ITU-T 建议 G-692 为 1480 nm）下传输附加数据（2 mbps：EOW、通过接口的用户特定数据等）的功能，该功能在没有任何光学安全措施的情况下，伴随并独立于主 STM-n 光流量信号。选择性和综合通道的 EOW（0.3 至 3.4 KHz）为 8 位 PCM 代码中的 64 kbps。
光监控通道 (OSC) 有助于控制和监视光线路设备以及使用 LCT 实现故障定位、配置、性能和安全性的管理。
