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RODM发展现状

发布时间:2009-05-22   点击次数:5912次

ROADM现状一:光网的结构与演化

1.光纤通信的发展
    
为适应现代社会对信息的海量需求,光纤已经逐渐取代电缆成为zui主要的通信媒介。在上个世纪的zui后十年,随着美国国家信息基础设施计划National Information Infrastructure, NII)的实施及其对*的带动,光缆得到大量敷设,骨干通信网已经完全实现光纤化,并留下大量的冗余容量,使得光纤通信行业的发展,在2000年达到高峰之后转入低谷,经历了大约三年的调整期之后,随着光纤接入网的发展,光纤通信开始复苏。光纤接入网的发展,以光纤到户(Fiber to the Home, FTTH)为主导,首先在日本得到迅猛发展,目前北美和欧洲的FTTH市场业已启动,发展态势良好,国内的FTTH市场还在酝酿之中,有望在未来的数年内发展起来。光纤接入网的发展,为用户提供了充足的通信带宽,促进了各种通信业务的发展,而通信业务的增长,特别是多媒体之类比较耗带宽资源的业务,反过来促进对骨干网容量的需求,带动骨干网进入新一轮发展。

    
光纤通信的发展历史,至今已有三十多年,使光纤通信特别是密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)光纤通信成为可能的关键要素有三个:低损耗的光纤、半导体激光器(Laser Diode, LD)和掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)。

    1966
年,后来被誉为光纤之父的英籍华人高昆和他的同事Hockman,在论文《光频的电介质纤维表面波导》中提出利用玻璃纤维传导激光的概念,并且明确指出通过材料提纯光纤的损耗可以降到20dB/公里以下;1970年美国康宁公司的Maurer等人拉制出*条损耗低于20dB/公里的光纤,当时的传输波长是633nm;至今1550nm波段的光纤损耗已降至0.2dB/公里以下,zui近几年发展起来的全波光纤,消除了1383nm附近的OH-吸收峰,使光纤通信波段扩展到12601625nm,可容纳近千个波长信道。

    1962
年美国通用电气公司的HallFenner制造了*台工作于超低温下的半导体激光器,另外三个小组几乎同时独立制造出了类似的半导体激光器;1970年前苏联Loffe物理技术研究所的Alferov和美国贝尔实验室的Hayashi各自独立研制成功*台能够在室温下连续工作的半导体激光器[21-24]。前面提到的*条低损耗光纤也是在这一年拉制成功,因此1970年被称为光纤通信的元年,而*个商用的光纤通信系统于1977年由美国通用和电子设备公司与贝尔系统公司在芝加哥合作建成。

1987
年,英国南安普敦大学的Payne等人发明EDFA,被视为光纤通信发展的另一个里程碑,EDFA具有增益高、噪声小、偏振不敏感、输出功率大、与传输速率无关及放大区域正好对应于光纤的zui低衰耗窗口1550nm等特点,能够补偿光纤的衰耗,延长传输中继距离。单个波长信道的电子时分复用(Time Division MultiplexingTDM),加上DWDM+EDFA技术,使单根光纤的通信容量达到太比特量级。


2.
点到点传输系统

   
目前的光纤通信还处于点到点传输阶段,如图1.1所示,DWDM信号在*个节点被复用,经过一段光纤线路和数个光放大器,在第二个节点被解复用和接收。光放大器分为功率放大器、线路放大器和前置放大器,其中线路光放大器可以有多个,每个光放大器可延长无中继距离大约80公里。


1.1 点到点传输的DWDM光纤通信系统


    
在点到点传输系统中,目标地址为其他节点的信号,需经第二个节点转发,转发信号也需要先用光探测器转换为电信号,解读其协议格式和地址信息,再用半导体激光器转换为光信号,进行转发。光-电-光转换的缺点是:

限制了通信速率,成为整个系统的带宽瓶颈;

通信网络中存在SDHATMMSTP等各种协议格式的信息流,信息速率和调制方式也各不相同,光-电-光转换过程对协议格式和通信速率不透明,使得转换设备非常复杂;

大量复杂的高速电子设备使系统成本大大增加。


3.
全光通信网结构

光纤通信的发展趋势是由点到点传输向动态、智能化的全光通信网发展,全光通信网的网络结构如图1.2所示,它由广域网(Long Haul Network)、城域网(Metro Network)和接入网(Access Network)三级组成,其中广域网为全互连的网格结构,节点采用N维光交叉互连设备(Optical Cross Connect, OXC);城域网和接入网为双向光纤环网结构,节点分别采用二维可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer, ROADM)和复用/解复用器;从接入网到终端用户的分配网络即光纤到户(Fiber to the Home, FTTH),采用光分路器(Splitter)实现。广域网与城域网之间通过一个二维ROADM节点连通,城域网与接入网之间通过一个四维OXC节点连通,分配网通过一个复用/解复用器与接入网的光纤环连通。此处ROADMOXC的维数指的是用于节点之间互连的端口数,不包括本地上/下载端口,考虑光纤线路保护,两个节点之间往往采用一对光纤相对传输,仅算作一个互连端口。


1.2 全光通信网结构

    
相对于点到点通信,全光通信网具有如下优点:

投资成本低,因为省去了大量昂贵的高速电子设备;

运营成本低,可靠性提高,因为网络元件大大减少;

体积小,因为省去了光-电-光转换,设备复杂度下降;

升级方便,因为采用光交换,与通信速率和协议格式无关。


4.
全光通信网的演化

现代社会的通信业务呈现多样化,特别是数据业务和多媒体业务的发展,对带宽资源的需求大大增加,而且业务量的预测也越来越困难,采用ROADMOXC的动态全光通信网,可以根据通信业务的发展灵活配置网络结构。在全光通信网中,发展zui快的是城域网,其业务量持续增加,网络结构也在不断演化。




  

   






1.3 城域网的演化

    
考虑到器件的级联特性,光信号能够无需再生而透明通过的节点数量是有限的,一般为1624个,而城域网中的总节点数量往往达到100150个,因此城域网一般被分成数个互联的环网,其中一个为核心环网,其他为分配环网。而一个新建的城域网,其初始节点数量一般只有2050个,因此初始的城域网结构相对比较简单,但是需要为将来的升级扩容作好准备,如图1.3a)所示。随着新用户的加入和业务量的增长,初始环网中的光放大器可以直接被网络节点设备取代,成为新的业务汇聚点,在核心环网的周围也可以增加新的分配环网,如图1.3b)所示。随着用户数和业务量继续增长,节点数和分配环网数继续增加,城域网演化出更复杂的网络结构,如图1.3c)和图1.3d)所示。

    
由于城域网中演化出更多互联的分配环网,需要更多和更高维数的OXCROADM设备。20069月,专业咨询公司Heavy Reading发布ROADM设备市场研究报告,对前两年的市场额度进行统计,并对未来五年内的市场发展进行预测,如图1.4所示,预计2011年较2006年增长246%,市场总额将达到9.2亿美元。


1.4 ROADM设备市场预测


ROADM现状二:全光通信网中的ROADM

1、全光通信网中的节点设备
1)
可重构光分插复用器

ROADM设备的功能是,对通过的一组DWDM信号,下载其中目的地址为本节点的波长信号,并上载从本节点发出的波长信号,其他波长则透明通过。一个典型的ROADM节点结构如图2.1所示,它由两台ROADM设备和两个2×2光开关组成,每台ROADM中的下载模块与上载模块分离,ROADM的下载模块和上载模块分别与ROADM的上载模块和下载模块连接。采用两台ROADM的目的是对系统进行备份以提高可靠性,光开关的作用是线路保护,系统备份和线路保护的工作模式如下:

a)城域网一般采用双向光纤环网结构,信号在两根光纤中分别沿顺时针和逆时针传输,ROADM的下载模块与ROADM的上载模块接入顺时针传输光纤,而ROADM的下载模块与ROADM的上载模块接入逆时针传输光纤,系统正常工作时,两个2×2光开关均为直通状态,两根光纤上各传输一半波长。
b)
当线路上的某点发生故障时,与故障点紧邻的两个ROADM节点中,靠近故障点的两个2×2光开关切换至交叉状态,通过这两个光开关,顺时针信号转向逆时针传输,形成一个新的单光纤环网,长度为原双光纤环网的两倍,新的光纤环网中传输所有波长。

c)
当某个节点中的设备ROADM发生故障时,则将ROADM中下载模块的输出端与其上载模块的输入端相连,同时将靠近ROADM2×2光开关切换至交叉状态,这样也形成一个新的两倍长度单光纤环网,保证信号的传输,而ROADM可取出维修。

    
ROADM设备的下载模块中,采用20%分光比的TAP耦合器从线路上取出部分光功率进行解复用,而在解复用之前,用5%分光比的TAP耦合器取出部分光功率进行监控。在上载模块的输入输出端口,以及解复用器和复用器之间的每个信道上,用5%分光比的TAP耦合器取出部分光功率进行监控,每个信道上的1×2光开关用于选择每个信道被上/下载或者直通,可调光衰减器VOA用于信道功率均衡。上载模块输出端的光放大器,相当于图1.1中的功率放大器。

    
2)
光交叉互连设备

    
一台OXC设备有N个输入/输出端口和若干个本地上/下载端口,它的功能是将任意输入端口中的任意波长信号,交换到任意输出端口中,并下载部分目标地址为本节点的波长信号和上传部分从本节点发出的波长信号。OXC设备的结构比ROADM要复杂的多,去除系统备份、线路保护、控制电路、功率监控和通道均衡部分,典型的OXC设备光路结构如图2.2所示,它由N个复用器、N个解复用器和N(N×K)×(N×K)光开关组成。该OXCN个输入/输出端口和(N×K)个上/下载端口,能够从每条线路上/下载K个波长信号。
  

    
                
2.2 典型的OXC设备光路结构


2
、广义的ROADM概念

    
核心的ROADMOXC器件,辅之外围控制系统,称为OXCROADM子系统,再加上各种信息处理和管理功能,则称为OXCROADM设备,本文以下部分所提到的OXCROADM,均指器件。

    ROADM
器件由一个输入端口、一个输出端口、一组下载端口和一组上载端口组成,如图2.3所示,它能够从输入端口上/下载任一或任一组波长,其他波长则透明通过。OXC器件由N个输入端口和N个输出端口组成,如图2.4所示,它能够将任一输入端口中的任一或任一组波长,交换到任一输出端口中。波长选择开关(Wavelength Selective Switch, WSS)是实现多维ROADMOXC的重要器件,1×N WSS由一个输入端口和N个输出端口组成,如图2.5所示,它能够将输入端口中的任一或任一组波长,切换到任一输出端口中。WSS也可以反过来使用,将从多个端口输入的不同波长,合并到一个端口输出。


    
2.3 ROADM器件功能图  2.4 OXC器件功能图  2.5 WSS器件功能图


    OXC
器件主要用于光纤环网之间的互连,一般要求它也具有一定的本地上/下载功能;多维的ROADM器件(关于ROADM的维数,下文将会介绍),除了用于本环网中节点互连的IN/THRU端口之外,还可以通过某些ADD/DROP端口与另一个环网中的节点互连(续文将会有图例);两个WSS组合,可以构成一个ROADM器件(如图2.6所示),多个WSS组合,可以构成一个OXC器件(如图2.7所示)。因此OXCWSS和传统的ROADM器件,可以纳入更加广义的ROADM概念中。

     
     
              
2.6 由两个WSS构成的
ROADM

     
              
2.7 2NWSS构成的N×N端口
OXC

如图2.3所示的传统结构ROADM,通过其INTHRU端口接入光纤环网,此ROADM的维数为2;如图2.6所示的ROADM由两个WSS构成,其IN/THRU端口和另外(S-1)Input/Output端口均可用于光纤环网的接入或者与其他OXC节点之间的互连,此ROADM的维数为2S;图2.2所示的传统结构OXC和图2.7所示的基于WSSOXC,维数均为2N

    
衡量ROADM器件性能的主要技术指标有:插入损耗IL、偏振相关损耗PDL、通带特性、串扰水平、响应时间、色散水平和扩展能力,等等。在信道的通带边缘总是存在上升沿和下降沿,当多个ROADM串联时,通带将会因乘积效应而变窄,而激光器的波长总是存在一定的漂移,较窄的通带宽度会增加误码率,因此ROADM的通带特性决定了能够串联的节点数。ROADM的响应时间主要取决于其中的光开关,因为通信线路的保护切换时间是50ms,一般要求ROADM的响应时间小于10ms。为了降低初装成本,同时又能够应对将来的业务增长和网络扩展,要求ROADM具有较好的模块化和扩展能力,而且在网络重构和升级扩展时尽量不影响现有通信线路。


3
ROADM的分类

1)
按结构分类

    
实现ROADM器件的技术方案多种多样,从器件结构的角度考虑,可归于两类:广播&选择型(Broadcast-and-Select, B&S)和波长选择型(Wavelength Selective, WS)。图2.8所示为一种B&SROADM结构,信号经一个3dB耦合器和一个1×m分路器下载,并被可调滤波器解复用为单个波长进行接收;继续传输的信号,被一个波长阻塞器(Wavelength Blocker, WB)阻断其中的已下载波长;信号的上载通过一个m×1合波器和另一个3dB耦合器实现。WB可以阻断任一或任一组已下载的波长,也可以同时对直通的波长进行衰减,这样该ROADM结构同时具有通道均衡功能;如果WB不阻断已下载的波长而让其继续传输(ADD端也就不能上载这些未阻断的波长),这样其他节点也能够下载这些波长,则该ROADM同时具有广播功能。实现WB的技术途径有声光滤波器(Acousto-Optic Filter, AOF)、液晶(Liquid Crystal, LC)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCoS)、微机电系统(Micro Electro-Mechanical System, MEMS)、平面光路(Planar Lightwave CircuitPLC)技术,等等。

    WS
ROADM结构如图2.9所示,它由一个解复用器、一个光开关阵列和一个复用器组成,输入的WDM信号先被解复用为单个波长,由开关阵列决定每个波长被上/下载或者直通,直通信号和上载信号通过复用器重新合成为WDM信号。WSROADM中的MUX/DEMUX部分,可以由分立器件组合而成,如串联的薄膜滤波器(Thin Film Filter, TFF)或者光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Gratings, FBG),也可以是基于PLC技术的集成器件,如阵列波导光栅(Arrayed waveguide Gratings, AWG);光开关阵列部分,可以是多个1×2或者2×2光开关组成的阵列,也可以是一个大端口数的N×M光开关,实现技术有微机械光开关、MEMS光开关、液晶光开关和基于PLC技术的各种热光开关,等等。其中基于PLC技术的AWG+热光开关方案,可以实现单片集成,而且可以同时集成VOA以实现信道均衡,是的技术方案之一。


    
    
2.8 B&SROADM结构         2.9 WSROADM结构


    B&S
ROADM结构因为采用WB,具有损耗低、通带特性好和初装成本低的优点,较低的损耗和良好的通带特性使得一个环网中可以串联更多的ROADM节点,初装时只需上/下载少数波长,而升级扩容只需通过增加可调滤波器和可调激光器即可实现;B&SROADM结构的缺点是,当上/下载波长数较多时成本偏高。WSROADM结构的优点是体积小,在上下载波长数较多时成本要低的多,特别是基于PLC技术的单片集成方案;缺点是直通信号的损耗偏大(直通信号的损耗影响节点串联特性,因此要求较高,而上/下载信号的损耗只关系本节点,要求稍低),而且初装成本偏高。


2)
按功能分类

    
前面提到,OXCWSS和传统的ROADM均可以纳入更加广义的ROADM概念中,而且传统的ROADM,根据其ADD/DROP端口是否只能上/下载固定波长,可区分为IIIROADM。因此从器件功能的角度考虑,可以将广义的ROADM归于四类:IROADMIIROADMWSSOXC

a)I
ROADM:拥有一个IN/THRU端口和若干ADD/DROP端口,每个ADD/DROP端口只能固定上/下载某个或者某些波长。

b)II
ROADM:拥有一个IN/THRU端口和若干ADD/DROP端口,每个ADD/DROP端口的上/下载波长可改变。

c)WSS
:端口结构为1×K,拥有一个输入端口和K个输出端口,可以将输入端口中的任一或者任一组波长,切换至任一输出端口中;或者反过来使用,拥有K个输入端口和一个输出端口,可以将任一输入端口中的任一或者任一组波长切换至输出端口。当然,各端口输入的波长不能重合,否则将会发生相互串扰。

d)OXC
:端口结构为N×N,拥有N个输入端口和N个输出端口,可以将任一输入端口中的任一或者任一组波长交换到任一输出端口中,并具有一定的本地上/下载功能,能够从每条线路上/下载若干波长。

ROADM现状三:IROADMIIROADM

1IROADM的研究现状
    I
ROADM的每个ADD/DROP端口只能上/下载固定的波长,它可以采用B&S型或者WS型结构。 1)基于WBB&SIROADM

WB
Wavelength Blocker,波长阻塞器)是B&SROADM中的关键器件,其实现技术有MEMSLCLiquid Crystal,液晶)、PLC,等等。以WB为核心,配置成图2.8所示结构,即可实现B&SIROADM,因此下面仅对各种WB实现技术作介绍。

a)
基于MEMS技术的WB

    2005
年,贝尔实验室的Neilson等人报道了一种基于MEMS技术、具有通道均衡功能的WB,如图3.1所示,它由一个三端口环形器、一个透镜组、一个衍射光栅和一个MEMS微镜阵列组成。

    
经环形器输入的DWDM信号,先由透镜组准直,然后被光栅衍射,不同波长对应不同衍射角度,经透镜组聚焦到MEMS微镜阵列的不同单元上,需要阻塞的波长被反射镜偏离,而直通波长被反射后,沿原光路回到环行器的端口。

    
通过对衍射光栅、透镜组和MEMS微镜阵列的优化设计,得到了很好的通带特性;由于各个波长被各个反射镜独立反射或偏转,相互之间没有制约关系,因此该器件可以阻塞任一或任一组波长;也可以通过反射镜对各直通波长偏转一定角度以达到适当的衰减,使该器件同时具有动态通道均衡功能;因为靠静电吸引来扭转MEMS反射镜,该器件的功耗非常小。

    
               
3.1 基于MEMS技术的WB结构


     
3.2 基于MEMS技术的WB传输谱线,左坐标-所有波长均直通,右坐标-直通/阻塞波长相间隔

3.2所示为该WB的传输谱线,其通道数为64,通道间隔为100GHzIL小于5dBPDL小于0.35dB,串扰低于-35dB0.5dB3dB通带宽度分别为58GHz87GHz

b)
基于LC技术的WB
3.3所示为美国JDSU公司的基于LC技术的WB方案,它由一个偏振转换组件、两个透镜、一个衍射光栅和一个带反射镜的LC阵列组成,其中的偏振转换组件由一个偏振分光棱镜(Polarization Beam Splitter, PBS),一个直角棱镜和两个半波片组成。

    
任意偏振态的DWDM信号,先被偏振转换组件变换成相同偏振态的两束光,经过两个透镜组成的望远系统,光束被展宽,投射到衍射光栅上,不同波长被衍射至不同角度,再经透镜2聚焦到LC阵列的不同单元上,将需要阻断的波长完全衰减,而其他波长被反射或者适当衰减,沿原路返回,再次经过偏振转换组件中的PBS时,因偏振态旋转了90°,从另一端口输出。各波长被各LC单元独立控制,因此该WB可以阻塞任一或任一组波长。

    
                
3.3 基于LC技术的WB结构

    

     
3.4 基于LC技术的WB传输谱线,直通/阻塞波长相间隔


3.4所示为该WB的传输谱线,该器件可工作于100GHz50GHz,通道数达100个,IL小于5dBPDL小于0.3dB,串扰低于-40dB0.5dB通带宽度大于50GHz100GHz通道间隔)。

 

 

c)基于PLC技术的WB
    Neophotonics
公司的Liu等人在2005年的OFC会议上报道了一种基于PLC技术的WB,如图3.5所示,它由一个解复用器、一个阻塞器阵列和一个复用器组成,其中解复用器和复用器为AWG,阻塞器为基于Mach-ZehnderMZ)干涉的热光开关,而且采用两级光开关串联以提高消光比。

    
各阻塞器独立控制每个波长,因此该器件也可以阻塞任一或任一组波长;控制加热电极使各直通波长也达到适当衰减,则该器件同时具有动态通道均衡功能。

    
WB的通道数为32,通道间隔为100GHzIL小于5dBPDL小于0.4dB,串扰低于-35dB0.5dB3dB通带宽度分别为50GHz68GHz;该器件总功耗为13W,包括阻塞器阵列的功耗9W和两个AWG的温控功耗4W


      


                            (a)
      
                           (b)



3.5 基于PLC技术的WB(a)结构示意图,(b)芯片布版

2)
基于PLC技术的WSIROADM

    
以基于PLC技术的AWG和热光开关分别作为复用/解复用器和控制单元,可以实现单片集成的WSROADM


a)
基于PLC技术的传统ROADM结构

     
3.6所示为一种基于PLC技术的传统ROADM,采用WS型结构,它由一个解复用器、一个2×2热光开关阵列、一个热光VOA阵列、一个TAP耦合器阵列、一个探测器(Photo Detector, PD)阵列和一个复用器组成,其中复用/解复用器为AWG,光开关一般采用两级串联以提高消光比。由于材料不兼容,其中的PD阵列不能与其他器件一起集成在PLC芯片上,而是另外制作一个PD芯片,PD芯片与PLC芯片采用倒装方式封装在一起,PLC芯片上的TAP耦合器,其输出端口通过一个制作在PLC芯片上的45º反射镜阵列,与PD芯片上的探测器单元进行耦合。


    
            
3.6 基于PLC技术的传统ROADM结构


    
考虑系统的可靠性,全光通信网一般采用双向光纤环网结构,两条光纤互为备份保护,而每个节点中包含两个ROADM器件。以这种传统结构的ROADM器件构筑双向光纤环网中的节点,如图3.7所示,如果其中一个ROADM器件发生故障,则整个节点必须被隔离。我们再来回顾图2.1中的节点结构,由于ROADM器件的上/下载模块分离,如果其中一个ROADM器件发生故障,只会使本节点损失一半上/下载能力。因此,上/下载模块分离的ROADM器件,其可靠性优于传统结构的ROADM器件。


    
    
3.7 以传统结构ROADM器件构筑的双向光纤环网节点


b)
/下载模块分离的PLC单片集成ROADM

    
3.8所示为一种基于PLC技术、上/下载模块分离的ROADM结构,美国JDSU公司和DuPont公司分别在硅基二氧化硅材料和Polymer材料上制作了这种结构的ROADM,均为40通道,通道间隔为100GHzJDSU公司的器件特性为,直通波长IL小于7.5dB,上/下载波长IL小于5.8dBPDL小于0.5dB,串扰低于-30dB0.5dB通带宽度为52GHzVOA动态范围为25dBDuPont公司的器件特性为,直通波长IL小于7dBPDL小于0.4dB,串扰低于-50dB0.5dB3dB通带宽度分别为40GHz81GHz VOA动态范围为20dB。后者采用Polymer材料,热光系数为二氧化硅的32倍,因此功耗大大降低。


       
3.8 /下载模块分离的PLC单片集成ROADM结构


ROADM的另一个优点是具有广播功能,即多个节点能够从同一个波长下载信号,广播功能广泛用于多种业务,如高清电视和视频点播。


c)
基于PLC技术的多功能ROADM

    2002
年,贝尔实验室的Earnshaw等人报道了一种基于PLC技术的多功能ROADM,如图3.9所示,它由两个解复用器、两个复用器和一个1×2热光开关阵列组成,除了一组分立的ADD/DROP端口,该器件还有一个公共的ADD/DROP端口。通过热光开关的控制,每个波长可以被下载到分立DROP端口,也可以被下载到公共DROP端口,信号的上载也可以选择分立或者公共ADD端口。

    
每个分立ADD/DROP端口只能上/下载固定的单个波长,因此该ROADM结构归于I类;公共ADD/DROP端口可以上/下载任意波长的组合,可用于跟其他光纤环网中ROADM节点之间的互连,相当于将该器件的维数提升为四维,因此该ROADM被称为多功能型。

    
该器件的通道数为16,通道间隔为200GHz,器件的损耗,从输入端口到直通端口或者公共DROP端口,或者从公共ADD端口到直通端口,均经过了两个AWGIL小于5.5dB;从输入端口到分立DROP端口,或者从分立ADD端口到直通端口,都只经过了一个AWGIL分别为2.64.0dB2.23.5dB,分立端口的损耗差异,是因光波导的交叉损耗引起,每个分立端口经过的交叉点数量各不相同(交叉波导的夹角大于40º,可以尽量减少交叉点引起的损耗和串扰)。两个AWG器件的3dB通带宽度分别为98GHz109GHz,所有端口的串扰均低于-40dB


    
       
3.9 基于PLC技术的多功能ROADM结构


    
3.10为该ROADM的波长路由示例,其中8个波长直通,4个波长被下载到公共DROP端口,其余4个波长被下载到分立DROP端口。


    
3.10 多功能ROADM波长路由示例,8个波长直通,4个波长下载到公共DROP端口,4个波长下载到分立DROP端口


3)
基于PLC+MEMS技术的WSIROADM

    1999
年,朗讯公司的Giles等人报道了一种基于PLCMEMS技术的混合结构IROADM,如图3.11所示,它采用AWG作为复用/解复用器,并通过MEMS光开关控制各波长直通或者被反射,其中1-413-16通道通过3dB耦合器分光探测,这些通道可用于广播业务。


    
         
3.11 基于PLCMEMS技术的IROADM结构


2
IIROADM的研究现状

1)
基于PLC技术的W&SIIROADM

2005年的OFC会议上,贝尔实验室的Earnshaw等人报道了一种基于PLC技术的WSIIROADM,如图3.12所示。输入信号先被解复用为单波长,并由1×2光开关阵列决定每个波长直通或者被下载,直通波长被重新复用到直通端口,所有1×2光开关的下载端均连至一个非对称的N×MM≤N)光开关(如图3.13所示),可以同时下载N个波长中的任意M个,而且每个端口的下载波长不固定,因此属于IIROADM。与图3.8中类似,该ROADM的上/下载模块也是分离的。


    
       
3.12 基于PLC技术IIROADM结构


    
       
3.13 N×M非对称光开关


该器件通道数为24,通道间隔为200GHz,可从24个波长中同时下载任意8个波长至任一输出端口中。Earnshaw等人报道的实验结果是,直通波长IL12~14dB,下载波长IL20dB(其中24×8非对称光开关的损耗约为14dB),串扰低于-40dB。其中直通波长通过了两个AWG、一个光开关和一个耦合器(用于与上载模块合路,一般为20%耦合比),通过优化AWG的设计,IL可降至7dB以下。相应的,下载波长的IL可降至17dB以下。


2)
基于PLC+MEMS技术的WSIIROADM

    
3.14所示为一种基于PLCMEMS技术的混合结构IIROADM,它以AWG作为解复用器和复用器,用一个N×MM≤NMEMS光开关阵列实现光交换。在直通状态下,所有MEMS反射镜均退出光路,当某个波长i需要下载到DROP端口j时,第i行第j列的反射镜进入光路中,相应波长被反射并下载;由于反射镜是双面的,可同时从ADD端口j上载波长i。该ROADM可同时上/下载N个波长中的任意M个,而且每个端口的波长不固定(上载端采用可调激光器),因此属于IIROADM

16×16 MEMS
光开关的损耗小于3.1dB,两个AWG的损耗小于6dB,采用该方案的16×16 ROADM损耗可低于9.1dB

    
      
3.14 基于PLCMEMS技术的IIROADM结构


在图3.12和图3.14所示的ROADM器件中,下载端口数M小于传输波长数N,这是因为在某个节点需要上/下载的波长数一般为总数的25%,而且一般不超过50%,采用N×M的非对称结构,可以节省收发模块,降低成本。


ROADM发展现状四:WSSOXC

作者:万助军

1
WSS的研究现状


1)
基于LCoS技术的
WSS

LCoS
liquid crystal on silicon,硅基液晶)首先应用于液晶显示领域,它是在一片硅基底上制作许多液晶单元,在每个液晶单元上面有一个透明电极,下面有一个电子控制单元,从每个液晶单元反射的光,其相位可通过施加在这个单元上的电压来控制。一束光入射在LCoS芯片上,其光斑覆盖许多液晶单元,每个单元的反射光相位被单独控制,相当于对反射光的波前进行调节,从而对反射光方向进行控制。

    2006
年,澳大利亚Engana Pty公司的Baxter首先将LCoS技术引入WSS中作为控制阵列,他们的WSS结构如图1所示,包括一个光纤阵列、一个偏振转换单元、一个反射镜、一个透镜组、一个衍射光栅和一个LCoS芯片。因为衍射光栅对入射光的偏振态非常敏感,输入的随机偏振WDM光束,首先被偏振转换单元转换为线偏振光(相对于衍射光栅为s偏振态),然后被反射镜反射并经透镜组准直,准直的线偏振光束入射到光栅上并被衍射,衍射光束被透镜组重新会聚并被反射镜第二次反射,不同波长的光聚焦到LCoS芯片上的不同区域并被反射,其反射方向可独立控制,然后被反射镜第三次反射,并经偏振转换单元恢复原偏振态,不同波长的光耦合到各自的目标端口中。由于不同波长的光被LCoS芯片上的不同区域单独控制,该器件可以将任意波长组合切换到任一输出端口中。

       
                
4.1基于LCoS技术的WSS结构

Baxter
以上述结构实现了一个1×9 WSS,其传输谱线如图4.2所示,它可同时工作于50GHz100GHz通道间隔,IL小于5dB0.5dB通带宽度为80GHz(通道间隔为100GHz时),串扰低于-40dB

       
                
4.2 基于LCoS技术的WSS传输谱线

WSS可以独立控制任一波长的损耗,因此兼有通道均衡功能,如图4.3所示。

      
              
4.3 基于LCoS技术的WSS之通道均衡功能


2)
基于MEMS技术的
WSS
    MEMS
微镜阵列也可以用作WSS中的控制阵列,2005年,贝尔实验室的Marom等人报道了一种基于MEMS技术的WSS,其结构如图4.4所示,由一个光纤-微透镜阵列、一个光束压缩透镜、一个分析透镜、一个衍射光栅和一个MEMS微镜阵列组成,其中压缩透镜与分析透镜组成一个望远镜系统,光纤-微透镜阵列中包含一个偏振转换单元,如图4.5所示。输入的随机偏振WDM光束,首先被偏振转换单元转换为线偏振光(相对于衍射光栅为s偏振态)并由微透镜阵列准直,然后经压缩透镜和分析透镜扩展成更大的准直光束,入射到光栅上,不同波长的光束被衍射到不同角度,经分析透镜聚焦到MEMS微镜阵列的不同单元上,控制每个单元的偏转角度,让不同波长的光束再次经过分析透镜、衍射光栅、分析透镜、压缩透镜、微透镜阵列和偏振转换单元,恢复原偏振态并耦合进各自的目的光纤中,MEMS微镜阵列的各个单元可以独立控制入射波长,因此该器件可以将任意波长组合切换到任一输出光纤中。

     
                
4.4 基于MEMS技术的WSS结构

      
                
4.5 光纤-微透镜阵列结构

Marom
以上述结构实现了一个1×4 WSS,其传输谱线如图4.6所示,通道数为128,通道间隔为50GHzIL小于5dBPDL小于1dB0.5dB3dB带宽分别为29GHz38GHz,串扰低于-40dBMarom还以这种结构实现了一个4×1合波器,通道数为64,通道间隔为100GHzIL小于4dBPDL小于0.3dB0.5dB带宽为74GHz,串扰低于-40dB,通道均衡的动态范围为10dB

     
                
4.6 基于MEMS技术的WSS传输谱线


3)
基于PLC+MEMS技术的
WSS
    2004
年,加拿大Metconnex公司的Ducellier等人报道了一种基于PLCMEMS技术的WSS,其结构如图4.7所示,由两个PLC芯片、两个小柱面镜、一个大柱面镜和一个MEMS微镜阵列组成。每个PLC芯片上有5个阵列波导器件,该器件相当于半个AWG,光波经反射两次通过该器件则相当于经过一个AWG器件。输入的WDM光束,经过阵列波导器件,不同波长的光束产生不同的衍射角度,经柱面镜13入射到MEMS反射镜阵列的不同单元上,控制每个波长的反射角度,再次经过柱面镜31(或者2),耦合到对应各自目标端口的阵列波导中,zui后从目标端口输出。柱面镜12的作用是在垂直方向聚焦光束,柱面镜3的作用是在水平方向聚焦光束,MEMS微镜应具有两维偏转功能。

    
            
4.7 基于PLC+MEMS技术的WSS结构

Ducellier
以上述结构实现了一个1×9端口的WSS,其传输谱线如图4.8所示,通道数为39,通道间隔为100GHzIL小于7.6dBPDL小于0.3dB0.5dB带宽大于50GHz,串扰低于-35dB

   
            
4.8 基于PLC+MEMS技术的WSS传输谱线


4)
基于PLC技术的
WSS
    2002
年,贝尔实验室的Doerr等人报道了一种基于PLC技术的WSS,其结构如图4.9所示(报道的是1×9端口的WSS,图中为了简略但说明原理,只画了1×5端口的WSS),由一个解复用器、一个1×2热光开关阵列、一个阻塞器/VOA阵列和9个复用器组成。输入的WDM信号首先被解复用,然后由四级1×2光开关决定每个波长被导入哪个输出端口,在被重新复用之前,由VOA进行功率均衡,或者由阻塞器完全阻断以降低串扰。

    
             
4.9 基于PLC技术的WSS结构

该器件传输谱线如图4.10所示,其通道数为8,通道间隔为200GHzIL小于7.5dBPDL小于0.2dB,串扰低于-43dB。从图中可以看到,该器件未进行通带优化设计,属于高斯型通带。

     
           
4.10 基于PLC技术的WSS传输谱线


2
OXC的研究现状

1)
传统的OXC结构

    
4.11是一种传统的NOXC结构,它由N个解复用器、MN×(N+K)光开关和N个复用器组成。来自N根输入光纤的M个波长的WDM信号,先被解复用为单波长,然后相同的波长被导入同一光开关的输入端口,根据业务需要交换到相应的输出端口,zui后被复用到各自的目的光纤中,每个光开关中预留了K个输入/输出端口,可以从每个线路上同时上/下载K个波长。这种OXC结构可以用基于PLC技术的AWG和热光开关阵列来实现,也可以用PLCMEMS技术相结合来实现,其中复用/解复用部分用AWG实现,大型光开关阵列用MEMS技术实现。

    
   

                   
4.12 WSS组成的OXC结构

2)
WSS组成的OXC结构

    
4.12是一种由N(或者2N)个WSS组成的N×N OXC结构,它由N个图4.13所示的ROADM互联而成,即每个ROADM中用于OXC互联的WSS端口相互连接起来,其中的WSS可以采用前面提到的各种技术和方案来实现。

        
                   
4.13 基于WSSROADM结构


 

 

 

 


DWDM入门简介

1.简介 
    
随着快速网际接取(Internet Access)、视讯(Video)等电信服务之宽频化,使主干(Backbone)网路之传输容量亦须随之提升。目前,商用SDH STM-16 (2.5 Gb/s)系统,在未来将有容量匮乏之虞,因此不少厂家企图将SDH传输系统容量提升至10 Gb/s (STM-64),若要将SDH传输系统容量再提升至40 Gb/s(STM-256),仍有待半导体技术之突破。近几年来由于半导体雷射、光放大器、光滤波器等光元件技术日趋成熟,使得DWDM技术蓬勃发展,DWDM除了避开高速TDM传输带来的问题外也改善现有光纤缺乏现象,并提供大容量、多样化之宽频服务,可使网路经营者在有效成本下,将传输频宽提升至163264甚至128倍。这些技术之发展,将主导主干网路架构之未来趋势。
  
    
高密度分波多工 ( Dense Wavelength Division MultiplexingDWDM ) 之示意架构如图1所示,传送端可结合n个波长之光信号在同一条光纤上传送,网路之传输容量可大为增加。

          
                      
高密度多工示意架构图
 

2. DWDM
的好处
 

2.1 
电网路演进至光网路
 
    DWDM
技术奠定了由电网路演进至光网路之基础,传统的电网路(Electronic Networking) 无法直接在光层(Optical Layer)进行多工(multiplexing)、切换(switching)、或路由改接(routing)等动作,在网路节点需使用光电转换设备将光信号转换为电信号再将电信号转回光信号,如此一来总体传输速率会因使用光电转换设备而受到限制,无法将光纤与生俱来无限频宽的潜力好好发挥。
 
    
DWDM为机制之光网路可直接在光层作信号之运作来解决上述问题,因此克服了传统传输瓶颈而带来了”Virtual fibre”的观念,将既有光纤作zui有效率的利用。
 

2.2 
网路多样化的服务
 
    DWDM
和传送速率(Bite Rate)及规约(Protocols)无关,也就是说可提供和服务形式完全无关的传送网路,例如:一个对传送速率及规约完全透通(Transparent)DWDM网路可和ATMIPSDH等信号介接,提供网路多样化的服务。
 

2.3 
降低成本、提升服务品质
 
    
由于在光层进行信号的指配或调度,相较于传统上在电层的频宽调度来的更简单而有效率,可减少费用支出。另外在网路上光纤被切断(cable cut)或光信号故障时,可在光层进行信号保护切换或网路路由回复 (Restoration)的动作,相对于传统上在电层作回复的动作其切换时间较短,使网路之可用度(availability)提高而改善服务品质。
 

2.4 
提升传输距离及增加网路容量
 
    
高速之STM-64 TDM (Time Division Multiplexing) 传输上的zui大问题在于光纤的分散(Dispersion) 现象严重,对于传送之光信号会产生劣化效应,因此,若不使用电子式再生器或其他补偿技巧 ,理论上STM-64信号可在G.652光纤内传送约60公里。若以8个波长的DWDM技术传送,每个波长为2.5Gb/s之信号,其传输容量可为20 Gb/s,其传输距离可达600公里以上而不需电子式再生器,而需要光放大器。
 
    STM-64
的多工对于支流信号(Tributary)的频率与格式,通常都有一定的限制,而DWDM的多工几乎完全不设限,PDHATMSDH、及IP等任何信号格式皆可输入,增加网路传输之弹性。若未来光塞取多工机 (Optical Add-Drop Multiplexer ,OADM)及光交接机(Optical Cross-Connect, OXC)的问世,可直接以光波长为交接单位,免除O/E/O的转换步骤,可提升网路调度的效率。在解决与日俱增的用户频宽需求及提升网路容量之方案中,DWDM在技术上提供了不同之选择。
 

3. DWDM
相关设备
 
    
目前DWDM 的相关设备有下列几种:
 
(1) 
光放大器,(2) DWDM 终端机,(3) 光塞取多工机,(4) 光交接机。
 

    
兹将DWDM 相关设备之主要功能叙述如下:
 
3.1
光放大器
 
    
具有光信号格式与位元速率之透通性,运作于1550 nm区域有相当高之增益、高光输出功率及低杂讯指数,光放大器依据不同应用有下列三种:
 
光功率放大器
 (Booster Amplifier, BA) 
光前置放大器
 (Pre-Amplifier, PA) 
光线路放大器
 (Line Amplifier, LA) 

    
目前应用于多波长DWDM系统之光放大器大部分是掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)其主要组成包含一段掺铒光纤、帮浦雷射(Pump Laser)DWDM组件用来混合传输光信号及帮浦光输出EDFA直接放大1550 nm区域无需使用电子式再生器,可在相当大之波长范围内提供平坦增益,亦即单一EDFA能同时提供多个波长通路之增益,已取代大部分之再生器应用,成为长途光纤网路之构成部分。
 

3.2 DWDM 
终端机
 
   DWDM 
终端机配合光放大器可应用于光传输网路 ,在传送端可接受多个波长之光信号输入,并转换成符合ITU-T G.692固定波长之光信号,经多工混合、光放大后传至光传送网路,在接收端可接收来自光传送网路之信号,经光前置放大、解多工、及光滤波器后输出。
 

    DWDM 
终端机有下列两种型式:
 
(1) 
开放式系统(Open System):通常称为转频式(transponder-based) DWDM,在SDHDWDM设备间有转频器,可介接不同厂家的SDH设备。
 
(2) 
整合式系统(Integrated System):通常称为被动式(passived) DWDMSDH设备已具有ITU-T G.692之介面功能。
 

开放式系统和整合式系统之优缺点之比较如表所示
 
                           
3.3
光塞取多工机
 (Optical Add-Drop Multiplexer, OADM) 
    
XX光塞取多工机 (Optical Add-Drop Multiplexer ,OADM),可以在一个光传输网路之中间站塞入或取出个别的波长通道。一般而言,它是置于两个DWDM终端机之间来代替某一光放大器,目前大部份厂家已研制出固定型光塞取多工机,它对于要塞入或取出的波道必须事先设定,至于另一种称为可任意设定之光塞取多工机,则可藉由外部指令对于要塞入或取出的波道作任意的指配。
 

3.4 
光交接机
(Optical Cross-Connect, OXC) 
    
在电信网路中使用于DWDM波长愈来愈多时,对于这些波道须作弹性之调度或路由之改接,此时必须藉由光交接机 ,来完成此项功能,通常它可置于网路上重要的汇接点,在其输入端可接收不同波长信号,经由光交接机将它们指配到任一输出端,光交接机在连接至DWDM光纤时有以下三种切换方式:
 
(1) 
光纤切换 (Fiber switching):可连接任一输入光纤到任一输出光纤,但不会改变光纤内之波长。
 
(2) 
波长切换 (Wavelength switching):同一输入光纤内之多个波长,可分别交接至不同输出光纤,较有弹性。
 
(3) 
波长转换 (Wavelength conversion):不同输入光纤内之相同波长,经转换后可以不同波长汇入同一输出光纤。
 

光交接机可提供下列几种应用
:  
(1) 
路由回复
 
    
在光纤被切断(Cable Cut)或话务雍塞时,对于网路上正在运作的波道可提供自动保护切换功能,尤其对于与日俱增的数据话务IP/WDM)将益形重要,因为IP/WDM它没有在SDH这层作保护。
 
(2) 
波长管理
 
    
在网路中对于DWDM系统中之多种波长可作任意交接或指配,例如:可将部份波长租给特定客户或其它的网路业者。
 
(3) 
话务之调度和集中
 
    
可将类别相同之话务集中一起送至某目的地,或将多路只有部份装满之话务务集中一起传送,以提高光纤之利用率,让网路调度更有弹性及效率。
 

3. 
标准制定团体
 
3.1
光网路标准制定团体
  
(1) 
电信联合会
(ITU) 
    ITU
有两个工作小组和光网路标准订定有关,一是Study Group 13,另一个是Study Group 15Study Group 13主要工作是光网路一般架构标准之研拟,Study Group 15是著重在光网路传输系统及相关设备规格之研拟。
 
(2) 
欧洲电信标准协会
(ETSI) 
    ETSI
主要在SDHDWDM标准研拟,并和ITU-T保持密切联络。
 
(3) 
美国国家标准协会
(ANSI) 
    
ANSI中的T1工作小组负责北美地区DWDM规格之拟定, ANSI有三个小组和光网路标准有关,其中T1X1小组著重网路架构、功能需求及各营运者间介面规格草拟,T1M1小组著重于网路管理,尤其是一般性的讯息模式(Information Modeling)及网路性能监视(Performance Monitoring) 规格草拟,T1A1小组是著重在光传输层性能参数之检验。
 

3.2
光网路标准制定之预定进度
 
(1) 
初期是拟定Point-to-Point DWDM 系统标准,已在1998年底前完成
 
(2) 
中期是拟定光塞取多工机及光交接系统标准,预计在2000年中旬完成。
 
(3) 
后期包括对光网路存活率(Survivability)及保护架构作更明确、更严谨的定义,此项工作预计在2000年以后完成
  

3.3 
光网路之各项标准草案
 
    ITU-T 
Study Group 15Study Group 13 目前正进行各项标准草案之研拟,包括下列各项标准草案:
 
(1) 
已完成之光网路标准草案有:
 
G.681:包含光多工器.、光放大器之局间和长途光系统之功能特性。
 
G.691:包含光放大器和STM-64介面的单通道SDH系统之光介面。
 
G.692:包含光放大器之多通道系统之光介面。
 
(2) 
正在草拟中之光网路标准草案有:
 
G.875:定义管理资讯模型
 
G.874:定义光网路管理观
 
G.798 :定义光设备组件及子系统
 
G.872  定义光网路架构
 
G.709 :定义光网路节点介面
 
G.959.1:定义网路元件之实体层介面
 
7.
常见问题:
 

问题一:WDMDWDM有不同?
 
回答一:基本上尚无一个严谨的定义,但是一般认为,波道间距 (channel spacing)大于1nm且波道总数低于8以下,称之 WDM系统,反之,若波道间距小于1nm且波道总数大 8以上者,即称之为DWDM系统,现有的商用系统大 部份属于后者。
 

问题二:DWDMzui多能传送几个波道?
 
回答二:DWDM到底能传送几个波道(channel),必须考虑光纤的损 失特性及半导体雷射、光滤波器、光放大器等技术的配合,以现有的商用技术,C band(1530 ~1565nm)L band(1565 ~1615nm),采用ITU-T建议0.8nm波道间距,约可传送100 个波道;若采用0.4nm波道间距,则可传送200个波道。
 

问题三:DWDM的每个波道可载送那些信号?
 
回答三:理论上毫无限制 (必须配合波道间距,但是为了有效运用 波道,现有产品以传送STM-16STM-64信号为主,低于2.5Gb/s时,则先在transponder集缩或多工,视各厂家产架构而定,特殊应用与设计则不在此限。
 

问题四:DWDN系统中用何种镜片?
 
回答四:DWDM系统中所用镜片大致有薄膜镜片、阵列波导光栅(AWG)光纤光栅阵列、干涉光纤等,使用则视波导数而定,*种为使用光学镀膜方式制作,第二种使用平面波导制作技术达成。


来源:光电产业资讯


 

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