網路功放非對稱加密演算法

A. 密集波分復用的關鍵技術

以光網路構建未來高速、大容量的信息網路系統需要重點解決高速光傳輸、復用與解復用技術。基於光的分插復用（OADM）技術，網路間的光交叉互連（OXC）技術，集成化的窄帶、高速、波長可調的低雜訊探測器技術，以及可用於光纖網路干線傳輸的、速率可達4OGbit/s的、波長可調諧的、高穩定的增益耦合DFB激光器/光調制器的集成光源。
1）光纖傳輸通常認為單模光纖SMF色散很大，對減少四波混頻（FWM）引起的干擾有好處，但需要很多的補償光纖。實際的實驗表明SMF（G.652）和DSF（G.653）用於WDM系統時，其SPM，XPM的危害較小，不像想像的那麼嚴重。過去理論和實驗表明DSF光纖的FWM干擾嚴重，不宜作WDM系統。然而採用喇曼放大後，其放大作用是沿光纖分布而不是集中的，因而發送的光功率可減小，從而FWM干擾可降低，因此WDM在DSF光纖中傳輸仍能取得較好的效果。偏陣模色散（PMD）、色散補償是長距離大容量WDM系統必然遇到的問題，如果想得到一個又寬又平的波段。那麼對色散補償器件的色散和色散斜率同時有一定要求。
2）DWDM光源 WDM光網路對光源的要求是高速（大容量）、低啁啾（以提高傳輸距離）、工作波長穩定，為此要研究開發高速、低啁啾、工作波長可調且高度穩定的光源。從世界范圍的發展趨勢上看集成光源是首選方案，激光器與調制器的集成兼有了激光器波長穩定、可調與調制器的高速、低啁啾等功能。有多種集成光源：其一是DFB半導體激光器與電吸收調制器的單片集成。其二是DFB半導體激光器與M-Z型調制器的單片集成：也有分布布拉格反射器（DBR）激光器與調制器的單片集成以及有半導體與光纖柵構成的混合集成DBR激光器。
3）DWDM探測器波長可調諧的窄帶光探測器是WDM光網路中一種高效率、高信噪比的下載話路的光接收技術。為了使系統的尺寸大大降低，可考慮將前置放大電路和探測器集成在一起。該類器件的每個探測器必須對應不同的信道，所以探測器必須是窄帶的，同時響應的峰值波長必須對准信道的中心波長，所以響應帶寬必須在一定范圍內可調諧。此外要求探測器間的串擾要小。共振腔增強型（RCE）光探測器集窄帶可調諧濾波器與探測器於一體，是這類探測器的首選方案。
4）波長轉換全光波長轉換模塊在接入端應用是對從路由器或其它設備來的光信號進行轉換，將非匹配波長上的光信號轉換到符合ITU規定的標准波長上然後插入到光耦合器中；而當它用於波長交換節點時，它對光通路進行交換和執行波長重用功能，因此它在波長路由全光網中有著非常巨大的作用。寬頻透明性和快速響應是波長轉換器的基本要求。在全光波長交換的多種（包括交叉增益調制、交叉相位調制、四波混頻、非線性光學環鏡）技術中，最有前途的全光轉發器是在半導體光放大器（SOAs）中基於交叉相位調制原理集成進Mach-Zehnder干涉儀（MZI）或Michelson干涉儀（MI）而構成的帶波長轉換器，它被公認為是實現高速、大容量光網路中波長轉換的理想方案。
在大規模使用WDM組網時，特別是通道調度時，可能需要把某一波長變換為另一波長，或者需要整個波段的變換。Lucent研製的光波段變換器是利用LiNbO3的二階非線性系數x（2）：x（2）對光波長進行變換的。光波導是周期極狀LiNbO3光波導（Periodically poled waveguide）。
5）光放大器為了克服光纖中的衰減就需要放大器。摻鉺光纖放大器EDFA已被廣泛應用於長距離通信系統中，它能在1550nm窗口提供30nm左右的平坦增益帶寬。
對於寬頻EDFA放大器特別需要在整個WDM帶寬上的增益平坦特性。日前己有基於摻鉺光纖的雙帶光纖放大器DBFA（Dual-band fiber amplifier），其帶寬可覆蓋1528～1610nm范圍。它由常規的EDFA和擴展帶光纖放大器EBFA（Extended band fiber amplifer）共同組成。相類似的產品有Bell Lab的超寬頻光放大器UWOA（Ultra-Wideband Optical Amplifier），它有80nm的可用帶寬可對單根光纖中多達100路波長信道進行放大。它覆蓋了C波段（1530～1656nm）和L波段（1565～1620nm）。
英國帝國學院（UK Imperial College）研製了寬頻的喇曼放大器。受激拉曼放大（Stimulated Raman Amplify）是在常規光纖中直接加入光泵功率，利用光纖的非線性使光信號放大的。單光泵的喇曼放大的增益帶寬較窄，採用波長為1420nm和1450nm兩個光泵的喇曼放大器可得到很寬的帶寬（1480～1620nm）。喇曼放大的增益可達30dB，雜訊系數小於6dB。光泵功率為860mW。
6）光分插復用器（OADM）和光交叉連接器（OXC）光分插復用器OADMs（Optical Add Drop Muxs）實現在WDM光纖中有選擇地上/下（drop or add）特定的任何速率、格式和協議類型的所需光波長信道。它是高速大容量WDM光纖網路與用戶介面的界面。OADM一般是復用器、解復用器、光開關陣列的單片集成或混合集成。可調波長工作的OADM器件正在開發之中，並且已取得突破性進展。另外WDM光網路間的交叉互連也將逐步過渡到完全採用光的形式進行。國際上已經有單片集成OXC的實驗室工作報道，但是更多的工作是集中在其中的關鍵器件上，主要有為了解決網路阻塞和合理利用網路資源的波長轉換器件。AWG（Array Waveguide Grating）是最適於DWDM復用與解復用以及作為核心器件構成OADM和OXC的新型關鍵器件。因為AWG可與石英光纖高效耦合使插入損耗很低、能夠實現低成本集成。此外，AWG減輕了對光源面陣的集成度的要求，採用多個單波長激光器與其耦合就可以實現DWDM目標。該研究的技術關鍵在於掌握厚層波導的制備技術，設法避免因應力引入偏振色散，甚至導致器件破裂。
7）光開關光波導開關集成面陣也是構成OXC和OADM的關鍵部件，實用的光開關陣列，大都是用LiNbO3光波導開關實現的。這種光開關矩陣實現大規模單片集成難度較大，尤其難以與操作電路實現OEIC集成，也有採用SiO2/Si的熱光開關，但響應速度較慢，約為毫秒量級，只適用於信道切換，對信元/包的交換，其響應速度不能滿足要求，要實現信元/包交換至少響應時間要達到微秒量級。而准實時交換（如在計算機網路中的交換）則要達到納秒量級。網路中信息資源的利用率決定於OXC的集成規模和運行的靈活程度，所以最終的OXC應當是單片集成的。技術關鍵是發展高速響應Si基彼導光開關，而利用電注入折變效應構成的SOI型SiO2/Si波導光開關，可以實現小於微秒的光開關運作，有望實現大規模單片集成。
赫茨實驗室研製了速度極高的光開關，它可在160Gbit/s的光數據流中取樣。其工作原理是：利用波長分別為1302nm、1312nm的兩個光脈沖在半導體光放大器中產生的四波混頻可對照檢查155O nm的光信號脈沖取樣。這種高速開關適用於未來從光IP信號中直接提取路由地址，以便實現光IP（IP over Optical）。
基於微電子機械繫統MEMS（Micro-elecromechan-ical systems）技術的微鏡陣列光開關技術也是技術發展的一個熱點。在光網路中使用MEMS技術相對於傳統的電子設備具有低成本、快速、體積小、通信容量大，而且具有體積小、靈活可變、對比特率和協議透明、跨越電子限制提高網路速度等優點。但開關速度還達不到要求。微機械技術還可做可變光衰減器，其工作原理是利用靜電引力改變微機械中的遮蔽片的位置，以遮蔽光纖的導光面積，從而改變光衰減。該器件可由光信號控制，可用以製作：光衰減器、光功率穩定器、光功率均衡器和光波段開關。
另一種光開關是高分子數字交換器件。採用Polymer高分子材料製作的光波導器件正趨於成熟。高分子材料易於加工，成本低，在電極上施加電壓就可控制光信號通過或不通過光波導。存在問題是易於從襯底矽片上脫落、易吸水和老化問題。 光網路可按照物理連接分為環網、網狀網、星型網和匯流排結構。環型拓樸與網狀拓撲相比有很多優點，例如：鏈路分攤的成本低，鏈路可共享，而且當出現大的突發數據流時可同時使用工作光纖和保護光纖降低路由器的負荷，從而避免了在路由器端的緩存需要。
多波長網路又可分為單跳網和多跳網。在單路網中從源端到目的地的數據流就像一個光流一樣穿過網路，在中間任何節點無需電的轉換。從光網路選路方式上劃分有兩種典型的單跳網路：廣播與選擇網（Broadcast and select network）以及波長選路網（Wavelength routed network）。
廣播與選擇網是通過無源星型耦合器件將多個節點按照星型拓樸結構連接起來的。基本原理是以廣播形式發送，接收端有選擇地濾波接收。這種網路主要用於高速區域網或廣域網。有兩種工作方式：固定波長光發送而使用可調諧的光接收或者接收波長固定而發送波長可調。廣播與選擇網有兩個不足之處：其一是浪費了光功率。發射的光功享送到所有的接受器，不管這個接收器是否是通信對象。這樣，對實現通信節點來說，增加了光分流引起的損耗。其二是可擴展性差。N個節點至少需要用N個波長，增加一個節點要增加一個波長，每一個接收器的可調諧范圍也要相應增加一個波長，而且不能執行波長重用。
與之相反，波長選路網關鍵元素是波長途擇交換器，它也分為兩種：波長遠路交換方式和波長轉換交換方式。前者是通過改變WDM路由動態地在通信間交換數據信號。後者通過波長轉換將數據倒換到另一個波長通道上。
若在節點中採用光開關、波長轉換器、可調諧濾波器、陣列波導路由器等光子器件，就可構成靈活的、可擴展的、可重構的光網路結構。 光網路是由光通路將波長路由器和端節點相互連接而構成的。顯然每個鏈路可支持好多信號格式，但它們都被限定在波長粒度上。波長交換機（或波長路由器）構成形式有以下幾類：
非重構交換機：每個輸入埠和輸出埠對應關系是固定的而且波長一致，一旦建成就無法改變。
與波長元關型可重構交換機：輸入埠和輸出埠的對應關系可以動態重構，但這種關系與波長無關。即每一個輸入信號都有一些固定的輸出埠。
波長選擇型可重構交換機：它同時兼有埠的動態重構和依據輸入波長的選路功能。
給定一個網路的物理拓撲和一套需要在網路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就是波長途路由問題。光網路中波長路由問題主要有3類：
一是在不使用全光波長變換模塊時，實現自適應網路波長和路由的動態分配（RWA）問題，解決途徑是確定優化判據、波長和路由的分配演算法。也包括在所需系統代價最小的情況下故障恢復路由的動態自愈恢復演算法。
二是在有全光波長變換模塊時，利用波長變換模塊如何降低波長堵塞的演算法研究，包括使用波長變換模塊後系統性能增加和波長路由光網路拓撲結構、網路尺寸的關系。
另外要實現真正的自適應路由和波長分配，還必須考慮業務流量制約下的選路問題。最理想的情況是DWDM光網路節點監測光信道上的業務流量，根據使用情況按照相應演算法增加/減少光信道數量和提高/降低光信道數據速率。
光網路獨一無二的屬性是可以實現波長路由，通過網路中的信號路徑由波長、源信號、網路交換的狀態信息以及選路中的波長改變信息等來共同決定。圖2表示了一種基於波導光柵路由器（WGR）的波長選路網中光路的建立過程。WGR節點通過波長路由演算法分配波長，波長轉換器的應用可增加網路的靈活性。
波長分插復用（WADM）可與路由器直接連接，使得在兩者之間建立光路徑成為可能。由於Internet數據在發達和接收信道上具有很高的不對稱性，因此依據對稱的話音業務設計的現有通信系統不能適應這種非對稱業務。而直接將路由器與分立波長相連的一個優勢是光學系統能夠直接根據Internet數據的流量情況在以波長為基礎的光域上執行相應的流量疏導功能。 由於DWDM系統提供的相互不存在時間關系的不同波長的復用，因此不需類似於SONET中的時鍾系統。然而要保證傳輸質量，也許在WDM系統中仍需要同步技術。
光纖可非常容易地實現安全性連接。量子密碼（Quantunm cryptography）技術使用最基本的量子互補（quantum complementarity：基於粒子與波在行為上互斥的同時又是完全描述一種現象的密不可分的兩個要素）原理就是其中之一，它允許相距較遠的兩個用戶使用共享的隨機比特序列作為密碼通信的密匙。十分復雜的傳統加密措施是通過復雜和強度很大的數學運算來實現的，與其相比分布量子密碼QKD（Quantum Key Distribution）技術，正像它的名字所表示的那樣提供了一種新型的基於基本的物理原理來保護和加密有用信息的有效方法。 與點到點WDM系統相比，WDM光網路的一個重要特點是網路中同一參考點各信道的功率不同。在端到端WDM系統中，信號發送端處各波長的功率是相等的。而在光網路中，從本地節點上路的光信號與其它傳輸了不同距離、從而有不同光功率的一些信號復用在一起傳輸。即使是復用在一起傳輸的光信號，傳輸一段距離後，由於EDFA、光濾波器和光開關等器件對各波長的響應略有不同，它們的功率也可能不同。不同功率的波長信號經過級聯EDFA系統後，某些波長的功率將可能進一步降低，使該信道性能惡化。此外由於光網路的上下話路、重新配置或網路恢復等原因。使進入節點的各個波長通道的光功率也存在差異，由於光信號要經歷多個節點和鏈路，各個波長通道之間的光功率差異產生累積，導致各個光信道的信噪比下一致，使得系統服務質量受到影響，甚至使某些信道劣化到不可接受的水平。因此在光網路中有必要在節點對每個波長的光功率進行均衡，以保證通信質量。
光網路中通道的不均衡性可嚴重惡化網路性能，因此通道的均衡性是光網路性能好壞的重要依據，已經提出了許多均衡方案，如AOTF濾波器、MZ濾波器、F-P濾波器調諧方案，以及衰減器調諧方案等，這些方案都是利用光元源器件如可調衰減器以及有源器件如SOA的基於通道級均衡。一種方法是在終端機上的OMUX盤對輸入的多路光信號進行中斷檢測，這一消息被監控系統處理後，將通過監控信道通知到全線各站點，控制各站的光放大器的輸出動率。另一種方法是在各種光放大器盤上均設計有輸入、輸出光信號監視點，通過監控子架，實現對線路信號中各波長通道的集中監視和分析，即從光放大器盤的光監視點引入光信號，進行在線分析，可獲知任一波長通道的工作狀態，如光功率大小、光波長值、光通路的信噪比等重要參數。當功率監測點位於0XC/OADM中功放EDFA之前，監測並調整各個信道中的信號功牢或信號與雜訊的總功率時，這種方案對於各個通道的不均勻性具有很好的均衡效果。但是，如果整個復用段的光功率發生波動，會導致所有受影響的通過都進行相應的調整，這不僅增加了調整時間，還使調節過程復雜化。鏈路支持的波長數目增多時情況尤為突出。此外，在特定情況下（若通過均衡能力已經達到極限），僅靠通道級均衡無法實現功率均衡。因此為適應網路配置、網路重構對各個光通道的影響，WDM光網路中光功率均衡是WDM光網路一個重要研究內容。 光網路節點要支持光聯網，必然要有對光通路的OAM（操作、管理與維護）信息，因此就必須具有開銷處理能力。對開銷的載送方式有隨路和共路兩種，各有優缺點。而提供開銷的方法有3種：副載波調制（SCM），例如利用引示音（Pilot Tones）；光監視通道（OSC）；數字「包封器」（Digital「Wrapper」）。
WDM系統如何與IP網結合以傳送IP信息（通稱IP 0ver WDM），是一個極其重要的問題，因為不久的將來IP數據業務會佔主要地位。當不使用SONET/SDH設備而要實現直接的IP 0ver WDM，則需要考慮在原來的SONET/SDH中執行的某些功能（如各種開銷位元組的處理）如何在新型系統中來實現。一種方案是：光的通過開銷有兩部分，一部分在光容器幀結構內，它對應SONET/SDH的段開銷，另一部分不在幀內，而是用調制的導頻（pilot tone）另外傳送，光層只具有WDM的復用功能。
光聯網技術提供在光層上的傳送組網技術，例如在光通路（OCh）層上作OCh的快速路由和交換；為了以光通路組網，就需要具有管理頻（率）隙（slot）的能力（正像在現有網中管理時隙一樣），這里一個頻隙就是一個光通路。 在傳統的點到點波分復用（WDM）系統中，由於波長選擇器件（如波分復用器/解復用器和可調諧光濾波器）性能的不完善，相鄰波長信道之間會產生串擾，這種串擾被稱為異頻串擾。它是一種加性串擾，表現為在信號上疊加了一定功率的雜訊，惡化了信號的消光比。構成光網路時這種串擾的影響下去積累，且在接收機前加光濾波器可以將其濾掉，因此對系統的影響較小。
而在以波分復用傳輸和波長交叉連接（OXC）為基礎的WDM光網路中，當不同輸入鏈路中同一波長（頻率）的信號被送入同一光開關，根據需要完成光交叉連接後，再送入相應的波分復用器中。由於器件性能的不完善，一個信道的信號經過交叉器件後會包含其它信道的串擾。當多個信道重新耦合到一起時異頻串擾就會轉化為同頻串擾，即與信號光頻率相同的串擾。它可以是不同鏈路中相同波長間的串擾或同一信號與自身的串擾。當光通道經過多個OXC時，由於每個OXC中波長選擇器件的作用，異頻串擾不會隨著節點數的增加而積累。而同頻串擾和信號在同一個波長信道內，不受波長選擇器件的影響，將隨著節點數的增加而下斷積累。因此同頻串擾需要著重研究。
OXC引入的同頻串擾可以分為相於串擾（串擾光的相位與主信號相關）和非相干串擾（串擾光的相位與主信號不相關）。當主信號的一部分能量經過OXC變成串擾時，串擾光信號與主信號可能相干。這主要由串擾光信號和主信號的傳輸時延差與激光器的相干時間決定。當傳輸時延差小於激光器相干時間時，這種同頻串擾就成了相干串擾。為了減小串擾對系統的影響，在設計OXC時應該使不同光路的時延差大於激光器的相干時間。