一、引言
　　
　　全光網(wǎng)（ASON）是指信息從源節(jié)點到目的節(jié)點之間全部采用光信號完成信息交換和傳輸?shù)木W(wǎng)絡。一方面技術發(fā)展使得單根光纖的可用容量高達Tbit/s，另一方面隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的迅猛發(fā)展，業(yè)務需求迅猛膨脹，傳統(tǒng)電信號處理設備面臨“電子瓶頸”限制，用電信號處理設備構建整個網(wǎng)絡將使節(jié)點變得龐大、復雜而且難以實現(xiàn)，直接在光域處理信息，可以避免“電子瓶頸”，充分利用光層組網(wǎng)靈活性。
　　
　　從上個世紀末，全光網(wǎng)就進入了研究視野，但受制于光器件的發(fā)展，全光網(wǎng)大多停留在理論研究狀態(tài)，2001年通信泡沫破滅對光器件領域造成了重大打擊，全光網(wǎng)也因此淡出視野。現(xiàn)在幾年的時間過去了，全光網(wǎng)領域有什么新進展呢?本文將從光通信技術史開始，導出全光網(wǎng)的誕生、衰退、現(xiàn)狀，并重點結合全光網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)介紹全光網(wǎng)的發(fā)展趨勢。
　　
　　二、全光網(wǎng)發(fā)展歷程回顧
　　
　　自高昆（K.C.Guo）和霍克曼（G.A.Hckman）于1966年提出玻璃纖維可傳輸光信號，并明確指出通訊光纖的要求是每公里衰減小于20分貝之后，通信領域開啟了光纖通信技術時代。光纖通信的技術自此層出不窮，推動了光纖通信的快速發(fā)展。
　　
　　1970年，美國康寧公司研制成功石英光纖；1972年，光纖通信實驗成功；1977年，美國芝加哥研制成功*套光纖通信系統(tǒng)；1987年，英國南安普頓大學研制出摻鉺光纖放大器（EDFA）；1992年，美國朗訊公司研制出實用化的波分復用（WDM）系統(tǒng)；1996年，波分復用WDM系統(tǒng)開始商用；1999年，華為公司推出商用的32×10Gbit/sDWDM系統(tǒng)產(chǎn)品；2001年，NEC在OFC上展示了10.92Tbit/s（273×40Gbit/s）WDM無電中繼傳輸試驗。
　　
　　隨著光纖傳輸容量的不斷提高，基于數(shù)字電子技術的電處理系統(tǒng)已經(jīng)逼近電子器件的處理上限，進一步提高設備處理容量的難度越來越大，電子技術的發(fā)展速度已經(jīng)遠遠趕不上光纖容量急速增長速度。基于WDM技術，在光信號上直接完成光信號的轉發(fā)，成為共識，這導致了全光網(wǎng)的產(chǎn)生。WDM的廣泛鋪設進一步推動了全光網(wǎng)絡研究熱潮，以WDM技術為基礎光交叉為核心的全光網(wǎng)成了競相發(fā)展的重點。
　　
　　2000年3月的OFC會議，Agilent公開演示了光交叉器件，同期Xros公司展出了*個1152×1152端口交叉的全光交叉連接設備X-1000；2001年，Agere公司推出基于MEMS技術的64×64光開關陣列，開始了商用；與之同時，世界各國也爭相投入了財力資助全光網(wǎng)應用，如美國國防部（DARPA）資助的多波長光網(wǎng)絡MONET、國家透明光網(wǎng)絡NTON等計劃，歐洲的RACE，ACTS等計劃，日本的SUCCESS計劃，意大利的PROMETEO計劃，以及中國的“中國高速信息示范網(wǎng)”國家“八六三”重大項目等，全光網(wǎng)進入高速發(fā)展時期。
　　
　　在這段時期，各式各樣新技術層出不窮，全光網(wǎng)中的關鍵光器件技術得到長足發(fā)展，如可調(diào)激光器、可調(diào)濾波器和全光波長轉換器等，特別是3DMEMS技術、氣泡技術使大容量光交叉器件成為現(xiàn)實，光交叉的容量也從64×64發(fā)展到1024×1024，規(guī)模靈活性越來越強，處理能力與電交叉矩陣越來越相當，全光網(wǎng)時代似乎指日可待。
　　
　　然而，實際需求與全光網(wǎng)之間存在巨大的鴻溝，脫離了實際需求的技術發(fā)展終究不過是黃粱一夢，而股市融資加劇了投機活動，導致了有史以來的zui大泡沫。2001年不可阻擋的通信泡沫終于破滅，作為通信領域的zui大泡沫全光網(wǎng)遭受了沉重打擊。電信類上市公司市值與zui高峰時相比下降了大約2.5萬億美元，以帶寬批租運營模式為生的GlobalCrossing、WorldCom運營商更是破產(chǎn)清算，整個通信市場一片低迷蕭條。
　　
　　作為全光網(wǎng)的前沿陣地，光器件領域也被迫進行了整合、瘦身運動。在2002年9月，AlcaOptronics裁掉58%的員工，關閉兩個工廠，2003年5月賣給Avanex公司；2002年10月，Nor器件部門賣給了Bookham公司；2003年2月，Corning公司宣布停止其波長交換/波長阻塞產(chǎn)品線，同年5月，其器件部門全部賣給Avanex公司；2003年3月，MEMS光開關的代表OMM公司宣布關門更是成了全光網(wǎng)進入低迷時期的關鍵標志。生存法則主宰了通信領域的發(fā)展，全光網(wǎng)進入相對沉寂時期。
　　
　　三、全光網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
　　
　　經(jīng)歷了2001至2003年漫長的冬眠期，光傳送網(wǎng)市場在逐步復蘇，包括Verizon、SBC在內(nèi)的北美運營商、以及包括BT、FT在內(nèi)的歐洲運營商先后提出各自的光傳送網(wǎng)RFP，紛紛提到傳送網(wǎng)設備光層可配置，市場需求的啟動導致了全光網(wǎng)的回暖。在系統(tǒng)設備供應領域，新興的Startup公司紛紛推出自己的光層解決方案，包括推出光波長跟蹤技術，實現(xiàn)可管理動態(tài)光網(wǎng)絡解決方案；推出基于WSS支持向多向OXC演進的ROADM光層解決方法；種種跡象表明：以光層可配置為標志的全光網(wǎng)在逐步回暖，并成為業(yè)界關注焦點。
　　
　　與2000年的大躍進時代不同，這次全光網(wǎng)回暖有著明顯不同的標志。首先是通信業(yè)務特別是數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展突飛猛進，IPDSLAM，F(xiàn)TTH，Cable寬帶接入方式盛行，造就了Internet，IPTV、視頻通信等業(yè)務的開展，造成數(shù)據(jù)業(yè)務流量超過語音業(yè)務成為主要流量來源，通信業(yè)務流量的發(fā)展大大縮小了2000年泡沫時代市場需求與技術發(fā)展之間巨大的鴻溝。高帶寬需求的數(shù)據(jù)業(yè)務的突發(fā)性和不可預測性要求傳送網(wǎng)更靈活，光層可配置傳送設備日益受到青睞。
　　
　　其次，技術也在理性發(fā)展，不計成本不計代價的技術終歸無人問津。器件廠家基于成熟可靠的液晶、PLC和1D/2DMEMS技術推出了WB、WSS等光層可配置的功能型器件，與泡沫時代所追求的空分光交叉矩陣相比，新器件擴展性好，能以較低的初始成本提供光層可配置性，而且允許網(wǎng)絡能根據(jù)業(yè)務需求逐步擴展，實現(xiàn)向全光網(wǎng)的過渡，大大降低了光層可配置器件的應用門檻，促進了全光網(wǎng)時代的到來。
　　
　　但電信網(wǎng)上巨大的SDH/SONET設備存量仍然是運營商主要收益來源，而且終端客戶仍然以電信號形式來處理業(yè)務，可以預見全光網(wǎng)發(fā)展不是一蹴而就的。全光網(wǎng)發(fā)展必然由點及面，逐步擴展成真正的全光網(wǎng)。在初始階段，全光網(wǎng)在不同區(qū)域會以不同的形式表現(xiàn)出來，在骨干網(wǎng)、城域核心網(wǎng)，會以可調(diào)度可配置的區(qū)域型全光網(wǎng)出現(xiàn)。而在接入網(wǎng)，會以FTTH等形式表現(xiàn)出來，在骨干網(wǎng)、城域核心網(wǎng)、接入網(wǎng)等區(qū)域性全光網(wǎng)之間仍會存在電信號處理調(diào)度設備完成對業(yè)務信號的整合處理，光層可配置作為電層處理設備的輔助補充完成對高帶寬業(yè)務信號的快速調(diào)度。但是隨著帶寬需求量的上升及價廉質(zhì)優(yōu)技術的發(fā)展進步，區(qū)域性全光網(wǎng)之間的電信號處理設備終究會被全光調(diào)度設備所替代，真正的全光網(wǎng)時代也會來臨。
　　
　　而且，隨著光交換、光信號處理、光儲存等技術的進一步發(fā)展，全光網(wǎng)將會進一步向全數(shù)字化的、由軟件主宰和控制的、高度集成和智能化的光網(wǎng)絡演進，OBS/OPS光分組交換技術研究熱潮就預示著分組全光數(shù)字網(wǎng)的方向。
　　
　　四、全光網(wǎng)面臨的困難及挑戰(zhàn)
　　
　　雖然全光網(wǎng)發(fā)展可期，而且WB，WSS等ROADM器件已經(jīng)發(fā)展成熟，利用它們構造一個動態(tài)可配置的全光網(wǎng)已經(jīng)不再是“空中樓閣”式的神話。但是，要構建一個可獲得的可運營、可管理、可維護的性價比高的電信級傳送網(wǎng)，全光網(wǎng)還面臨著如下困難和挑戰(zhàn)：物理參數(shù)預算；光層信號透明；網(wǎng)絡傳送成本；其它。
　　
　　1、物理參數(shù)預算
　　
　　對于全光網(wǎng)而言，所有的信號處理包括傳輸和交換都是以光信號完成的，在源節(jié)點和目的節(jié)點之間的物理路徑包括有光纖、放大器、色散補償模塊、濾波器和光信號交叉裝置等。光纖會對光信號造成衰減；物理路徑上的光放大器會補償因光纖造成的光信號衰減，但光放大器會帶來額外噪聲并劣化光信號，非線性效應會誘使光信號產(chǎn)生頻率啁啾并導致脈沖畸變和通道串擾；物理路徑上的光濾波器、光交叉裝置也會因為器件的隔離度等原因帶來同頻串擾或相鄰串擾，而且級聯(lián)的光濾波器還會窄化濾波器的通帶譜寬，造成光信號的頻譜分量損失。這些因素決定了全光網(wǎng)中的光信號連接過程是一個異常復雜的物理參數(shù)預算過程。
　　
　　雖然從WB，WSS等光器件的邏輯功能上看，全光網(wǎng)已經(jīng)可以根據(jù)業(yè)務需求在源宿節(jié)點之間分配一條光通道連接，但光信號是否可以從源節(jié)點傳送至目的節(jié)點，則需要進行非常細致的功率、OSNR、色散、非線性效應等預算過程，而目前這些預算過程都是模擬的。特別是在長距離超長距離大范圍的全光網(wǎng)中，因為光信號遭受的劣化更嚴重，預算也更緊張，如何針對物理受限因素來選路將會是全光網(wǎng)的致命障礙。
　　
　　更糟糕的是：全光網(wǎng)是一個動態(tài)的光網(wǎng)絡，源節(jié)點和目的節(jié)點之間的光信號連接是按業(yè)務需求動態(tài)建立，即如果兩個節(jié)點要通過某一條物理路徑建立一個光信號連接，系統(tǒng)在規(guī)劃之初就必須考慮，而同源不同宿、同宿不同源但又經(jīng)過相同的物理路徑的光信號連接需要同時考慮功率、OSNR、色散預算，物理層對光信號非透明在動態(tài)全光網(wǎng)中將誘發(fā)異常復雜的物理層預算問題，網(wǎng)絡規(guī)劃調(diào)度將極其復雜。
　　
　　此外，因為不同公司采用長距離傳輸技術如編碼、調(diào)制、放大技術并不一致，不同實現(xiàn)方式對系統(tǒng)的改善也不盡相同，種種原因?qū)е虏煌镜娜庠O備無法在光層直接對接。雖然ITU-T希望通過制訂橫向兼容性標準解決這一問題，標準成熟仍需要假以時日。在不同廠家真正實現(xiàn)橫向兼容性之前，一個全光網(wǎng)往往只能由一家系統(tǒng)供應商供貨，潛在的壟斷可能性將阻礙應用。
　　
　　2、光層信號透明
　　
　　全光網(wǎng)中所有處理過程都是以光信號形式完成的，在中間節(jié)點，光信號被直接轉發(fā)。光信號的透明性保證了中間節(jié)點對業(yè)務信號的轉發(fā)等處理過程與業(yè)務信號的協(xié)議、速率等都無關，簡化了中間節(jié)點對業(yè)務的處理過程。但是，光層信號透明也帶來了其它問題，中間節(jié)點無法識別業(yè)務信號，也無法根據(jù)業(yè)務信號開銷來判斷當前業(yè)務信號的質(zhì)量狀況。雖然光層也提供了類似功率監(jiān)控、光譜監(jiān)控方法來完成對光載波信號的監(jiān)控，但是現(xiàn)有監(jiān)控方法僅能對光功率、光信噪比、波長等相關模擬參數(shù)進行監(jiān)控，而無法直接對業(yè)務信號進行監(jiān)控，即盡管檢測到光功率、波長、OSNR等信息，但仍然無法判定其所承載的業(yè)務信號是否可用。
　　
　　光信號的透明，決定了全光網(wǎng)缺乏直接監(jiān)控業(yè)務信號質(zhì)量的方法和手段。對于一個層網(wǎng)絡而言，要提供電信級傳送服務，信號質(zhì)量監(jiān)控是*的。全光網(wǎng)要構建一個可管理、可運營、可維護的電信級傳送網(wǎng)，就必須首先解決光層透明和信號監(jiān)控之間的關系。在無有效監(jiān)控的光信號之上無法直接構建具備完備功能的傳送網(wǎng)。
　　
　　其次，因為光信號是透明的，光信號在全光網(wǎng)處理過程中是作為一個整體進行交換和傳輸處理的，所有的業(yè)務拆分組合都只能在邊緣節(jié)點完成。而業(yè)務需求往往無法準確預測，全光網(wǎng)為響應業(yè)務連接需求，往往必須根據(jù)每個業(yè)務分配波長通道，這種處理方法導致波長利用效率顯著降低（只有同源同宿的業(yè)務才能共享相同波長通道）。而且，因為具體的業(yè)務協(xié)議、幀格式、速率往往都相差很大，為了能在不同源宿邊緣節(jié)點之間建立業(yè)務需求，往往需要預先保留對應的業(yè)務協(xié)議處理單元，才能在不同邊緣節(jié)點之間建立業(yè)務連接，造成了網(wǎng)絡上業(yè)務協(xié)議處理單元的大量冗余。全光網(wǎng)的靈活實際上是以邊緣節(jié)點的大量冗余功能單元來保證的。
　　
　　再者，光層透明決定了中間節(jié)點無法得到隨路的帶內(nèi)開銷信息，只能依賴帶外信息進行網(wǎng)絡運營管理維護。一方面，帶外數(shù)據(jù)通道不能保證和帶內(nèi)數(shù)據(jù)通道的實時性，不能及時反映當前光信號路徑的情況信息，在網(wǎng)絡發(fā)生故障時無法做到及時倒換；另一方面，帶外數(shù)據(jù)通道失效往往會導致網(wǎng)絡崩潰，而加強帶外數(shù)據(jù)通道的可靠性只會加大網(wǎng)絡管理復雜程度。
　　
　　3、網(wǎng)絡傳送成本
　　
　　全光網(wǎng)要成為現(xiàn)實，不僅要解決可實現(xiàn)問題，更重要的是在完成相同功能時，全光網(wǎng)要比用電組成的網(wǎng)絡更經(jīng)濟，尤其是在目前電信號處理設備已經(jīng)擁有相當規(guī)模的網(wǎng)絡應用情況下，只有更便宜有效的全光網(wǎng)才能真正被運營商接納。
　　
　　但如前所述，現(xiàn)在的zui終客戶都是用電信號來處理信息的，意味在全光網(wǎng)和用戶之間，必然存在一個光電轉換設備來完成電信號向光信號的轉變，之后在光域中完成連接。而動態(tài)的業(yè)務連接需求，必然導致邊緣節(jié)點的光電轉換功能單元的冗余，根據(jù)目前的成本結構，光電轉換占據(jù)整個設備成本的大頭，冗余的邊緣節(jié)點光電轉換功能意味著全光網(wǎng)無法提供經(jīng)濟有效的傳送方案。
　　
　　在全光網(wǎng)中，連接都以光信號形式完成，但*，在現(xiàn)階段不同光信號是根據(jù)光載波的波長來區(qū)分的，當一根光纖上的某個波長通道被分配后，其它業(yè)務連接就無法實現(xiàn)該波長通道。這意味著全部以光信號來處理，將導致網(wǎng)絡存在嚴重的波長阻塞，特別是網(wǎng)絡規(guī)模越大，業(yè)務連接越復雜，波長阻塞就越嚴重。過高的波長阻塞率將導致波長利用效率低下，也意味著既有的光纖資源無法得到充分利用，增加了成本。雖然可以通過波長轉換來降低波長阻塞度，但一方面是全光波長轉換技術并不成熟，商用仍有待時間，另一方面網(wǎng)絡中的波長轉換設置和業(yè)務配置相關，只有冗余的波長轉換裝置才能降低波長阻塞率，這也會造成網(wǎng)絡成本的進一步上升。
　　
　　如前所述，如果全光網(wǎng)直接響應業(yè)務連接需求，就必須為每一個業(yè)務連接分配一個端到端波長通道，造成波長利用效率過低。如果要改善這種狀況，就必須用允許多個業(yè)務共享相同的波長管道，意味在全光網(wǎng)之上仍然需要增加一個子波長粒度調(diào)度裝置，這會進一步增加網(wǎng)絡冗余和成本。
　　
　　4、其它
　　
　　一方面是全光網(wǎng)在實際商用過程中存在種種問題有待解決，而另一方面電信號處理能力也在日新月異地發(fā)展。一度被人視為“電子瓶頸”的電設備處理容量限制，現(xiàn)在隨技術發(fā)展也有了非常顯著的變化，典型的是現(xiàn)在電處理能力達到T級別的設備已經(jīng)開始商用。電層處理能力的加強以及數(shù)字化電子信號將會進一步延緩全光網(wǎng)的商用，只有在研究領域開發(fā)出可以與電子器件性能相媲美的價格便宜的光器件之后，全光網(wǎng)才真正有可能替代電信號處理形式成為主流。
　　
　　五、結束語
　　
　　從目前技術成熟度來看，縱然WB，WSS等可擴展地ROADM器件已經(jīng)成熟，全光網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)可調(diào)。但在解決光層監(jiān)控等問題之前，WB，WSS等器件只是用于改善波分網(wǎng)絡的柔性，實現(xiàn)無波長規(guī)劃可任意擴容，而不是用于動態(tài)調(diào)度。全光網(wǎng)在短期內(nèi)還只能處于一個理想狀態(tài)中，不可能規(guī)模鋪設。
　　
　　但全光網(wǎng)作為光通信技術發(fā)展的zui高階段。隨著光通信技術的發(fā)展，特別是長距離超長距離傳輸技術、高密度復用技術、光監(jiān)控技術、光交換交叉連接技術、全光波長轉換技術等的發(fā)展，全光網(wǎng)zui終也會走向成熟。從初級階段簡單的環(huán)、鏈，會逐步擴展到P-cycle、雙環(huán)、多環(huán)、局部Mesh，zui終到光傳送網(wǎng)的階段，各種技術都已成熟，原有的多個彼此非透明的局部全光網(wǎng)將會被打通，形成相對完整的全光網(wǎng)。
　　
　　在更進一步的未來，隨著光存儲、光計算、光交換、光多路復用解復用器件的成熟，光分組光包突發(fā)交換技術將會全光網(wǎng)走向一個全動態(tài)的數(shù)字全光網(wǎng)。