[圖]ROADM — 當(dāng)前光通信發(fā)展的一大熱點(diǎn)

ROADM — 當(dāng)前光通信發(fā)展的一大熱點(diǎn)
陳 益 新
上海交通大學(xué)

         摘要： 隨著通信業(yè)務(wù)包括以話音、數(shù)據(jù)和視頻圖像等多媒體業(yè)務(wù)的逐年迅速增長(zhǎng)，不僅對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量、速率、距離和傳輸質(zhì)量的要求不斷提高，近年來更對(duì)光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的靈活性，以及特別對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的降低尤為關(guān)注。從而對(duì)光通信器件提出了新要求，光器件和光模塊的可重構(gòu)性已成為當(dāng)前競(jìng)相發(fā)展的一大熱點(diǎn)。本文將就ROADM光模塊的相關(guān)技術(shù)、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨向略作分析和討論。
關(guān)鍵詞：光通信、可重構(gòu)、光集成器件和模塊、靈活光網(wǎng)絡(luò)。

         近年來通信業(yè)務(wù)，包括以話音、數(shù)據(jù)和視頻圖像等多媒體業(yè)務(wù)的逐年發(fā)展，特別是數(shù)據(jù)和視頻傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量迅速增長(zhǎng)，不僅對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量、速率、距離和傳輸質(zhì)量的要求不斷提高，而且近年來更對(duì)光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的靈活性，以及特別對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的降低尤為關(guān)注。這些也就是光器件和光模塊發(fā)展的動(dòng)力和方向?？芍貥?gòu)性已成為發(fā)展中的光網(wǎng)絡(luò)對(duì)光器件和光模塊要求的重要特征。本文將從新發(fā)展的電信業(yè)務(wù)對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的要求出發(fā)，分別就可重構(gòu)光器件和光模塊所應(yīng)用的技術(shù)、現(xiàn)狀和發(fā)展趨向略作分析和討論。

         發(fā)展中的光網(wǎng)絡(luò)

         從全球范圍看，光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)已從干線光網(wǎng)走向城域光網(wǎng)和接入光網(wǎng)。由于新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，特別是為了能支持多媒體三重業(yè)務(wù)（語音、數(shù)據(jù)和視頻），傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)面臨著要能與互連網(wǎng)(IP)適應(yīng)的轉(zhuǎn)變。三重業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)基本上不同于以往的網(wǎng)絡(luò)，它必須在單一網(wǎng)絡(luò)上支持多種高帶寬服務(wù)如 IPTV、VoD和網(wǎng)上游戲等。也不象傳統(tǒng)的光網(wǎng)只是點(diǎn)到點(diǎn)連接，三重業(yè)務(wù)網(wǎng)多數(shù)是分布的、多點(diǎn)的、并且范圍很廣。
當(dāng)電信業(yè)務(wù)量以語音為主時(shí)，一般來說其業(yè)務(wù)量每年約以 8~10% 遞增。如今増加了數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)，每年業(yè)務(wù)量増長(zhǎng)超過 50~100%?？梢灶A(yù)期今后十年由于大量消費(fèi)業(yè)務(wù)的寬帶服務(wù)（如 IPTV、VoD等），在城域光網(wǎng)上居民方面的寬帶通信負(fù)荷增長(zhǎng)速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過企業(yè)方面。有人就美國(guó)從2005年到2015年的城域網(wǎng)上居民和企業(yè)通信業(yè)務(wù)量増長(zhǎng)作了估算和比較。十年內(nèi)總增長(zhǎng)268Tb /s，大部分是由于消費(fèi)性的高速寬帶服務(wù)的大量提供。表1是對(duì)美國(guó)從2005年到2015年的城域網(wǎng)上居民和企業(yè)通信業(yè)務(wù)量増長(zhǎng)的估算和比較。

         雖然大家相信今后十年大量通信業(yè)務(wù)會(huì)來到，但是實(shí)際情況難以預(yù)料和變化多端。有雄心的運(yùn)營(yíng)商不會(huì)等到商機(jī)十分明朗以后再開始動(dòng)作，需要有預(yù)見和冒一定風(fēng)險(xiǎn)。光網(wǎng)建設(shè)既不能直接按照今后長(zhǎng)遠(yuǎn)需求，但也不能只限于眼前的業(yè)務(wù)。這種網(wǎng)絡(luò)的光層必須是十分靈活并可隨時(shí)擴(kuò)大規(guī)模，在容量、傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方面提供無限制的增長(zhǎng)和擴(kuò)展而不影響和不破壞已有的設(shè)施和服務(wù)。這種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是：
         多拓?fù)湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的可能，例如環(huán)網(wǎng)、網(wǎng)格網(wǎng)等
         多種波長(zhǎng)密集度選擇和變換，例如 DWDM、CWDM等
         能夠完全遙控重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，例如 ROADM, WXC 等
         光路完全透明并有多種服務(wù)的傳輸、交換和保護(hù)
另外，這種光網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)元智能化，以便于管理，使運(yùn)行簡(jiǎn)單化；并能實(shí)現(xiàn)多播連接和非對(duì)稱連接以支持居民消費(fèi)服務(wù)。
圖1表示一個(gè)未來能支持三重業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括三主要部分：接入、IP/MPLS 和光層。靈活性光層對(duì)服務(wù)的接入網(wǎng)和IP/MPLS 網(wǎng)絡(luò)層提供全部傳輸和路由，同時(shí)也能直接遞送一些服務(wù)到終端用戶，例如高速以太網(wǎng)或 SAN 等。

         圖2表示一種廣播視頻分布網(wǎng)絡(luò)解決方案，包括 ROADM、OEO波長(zhǎng)開關(guān)和分出/繼續(xù)(Drop & Continue)。柔性是靈活光網(wǎng)的主要特征，ROADM 和 WXC 平臺(tái)是多媒體三重業(yè)務(wù)光網(wǎng)的關(guān)鍵部分。提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和降低建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用是發(fā)展中城域光網(wǎng)和接入光網(wǎng)的主要目標(biāo)之一。

高性能的光網(wǎng)應(yīng)為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供多種解決方案的設(shè)計(jì)和計(jì)劃的選擇，這包括：
 *    每個(gè)連接都能有 2.5Gb/s、10 Gb/s、10 Gb/s 或混合信道的選擇
 *    完全可調(diào)諧或固定轉(zhuǎn)發(fā)器(transponder)的選擇
 *    G.709 FEC 或擴(kuò)充的FEC的選擇
 *    可提供分出/繼續(xù)(Drop & Continue)的選擇
 *    可提供單向轉(zhuǎn)發(fā)器及插入/分出復(fù)用器（對(duì)稱業(yè)務(wù)）
 *    光放大和色散補(bǔ)償?shù)膹V泛選用
    以往的 DWDM 城域光網(wǎng)只是包括3-6個(gè)節(jié)點(diǎn)的小型環(huán)網(wǎng)。發(fā)展中的城域光網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)是能支持包括20-50個(gè)節(jié)點(diǎn)群的網(wǎng)格網(wǎng)。為降低這種擴(kuò)大光網(wǎng)的成本，無再生的光透明傳輸距離至少應(yīng)達(dá)1000公里，包含的光網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在16個(gè)以上。為了使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能不斷擴(kuò)展，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接維度必須在不影響現(xiàn)有業(yè)務(wù)的情況下增加，網(wǎng)格網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)的連接應(yīng)能擴(kuò)充到 8 度。圖 3 表示具有二個(gè)連接環(huán)的基本網(wǎng)絡(luò)[2]，在二個(gè)環(huán)的連接處的節(jié)點(diǎn)是 4 度WXC，其他的節(jié)點(diǎn)都是2度ROADM,其中還有二個(gè)節(jié)點(diǎn)是可升級(jí)的在線放大器ILA。

可重構(gòu)光插/分復(fù)用器（ROADM）

在光網(wǎng)中由多波長(zhǎng)傳輸大量信息需要在節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行交換。目前交換信息的常規(guī)方法是把從光纖輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在電域內(nèi)實(shí)現(xiàn)交換，再把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)送到輸出光纖。這種光-電-光轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)成本高、體積大而且與速率/協(xié)議有關(guān)?？芍貥?gòu)光插入/分出復(fù)用器（ROADM）可以避免 O-E-O 轉(zhuǎn)換。采用光交換的 O-O-O 系統(tǒng)可以有效降低建設(shè)成本和運(yùn)行費(fèi)用，提高可靠性。
下一代 DWDM 系統(tǒng)總的來說可歸結(jié)為能提供遙控重構(gòu)能力的ROADM，在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上讓多個(gè)波長(zhǎng)分別插入、分出或直接通過。確切地說，直到最近，投入實(shí)際商業(yè)應(yīng)用的 ROADM 系統(tǒng)并不多，尚處于試運(yùn)行階段。但是，今天每一個(gè) ROADM 供應(yīng)商都競(jìng)相宣告有基于各種不同的技術(shù)的 ROADM 產(chǎn)品。ROADM所采用的器件技術(shù)要在濾波器帶寬、級(jí)聯(lián)能力、開關(guān)時(shí)間、網(wǎng)格規(guī)模、可靠性、集成度和成本等諸因素間作出選擇。波長(zhǎng)阻斷器(WB)、集成平面光路(iPLC)、波長(zhǎng)選擇開關(guān)(WSS)將成為發(fā)展中可重構(gòu)光網(wǎng)的主要技術(shù)，下面分別作討論。
波長(zhǎng)阻斷器(WB)是最簡(jiǎn)單的交換器件，它允許特定的波長(zhǎng)通過或阻斷。圖4 應(yīng)用波長(zhǎng)阻斷器(WB)構(gòu)

成的ROADM系統(tǒng)[2]，圖中只表示了單方向的信號(hào)流。因?yàn)檫@里沒有實(shí)際的交換發(fā)生，波長(zhǎng)阻斷器有時(shí)被看成為 1x1光開關(guān)。阻斷器通常采用液晶技術(shù)，但其他方法也可用如 MEMS 等。波長(zhǎng)阻斷器利用一組連續(xù)的單元以阻斷波譜，它能支持不同的信道間隔，例如100Gb/s和50Gb/s混合的信道可由單個(gè)器件提供。這能力目前尚未在任何現(xiàn)有系統(tǒng)上應(yīng)用，但能提供今后10Gb/s和40Gb/s混合系統(tǒng)采用的可能。波長(zhǎng)阻斷器是成熟技術(shù)，但由于解決方案不易集成使成本比較高。圖5是Xtellus公司采用液晶技術(shù)設(shè)計(jì)制造的波長(zhǎng)阻斷器和ROADM模塊。Xtellus 波長(zhǎng)阻斷器可以應(yīng)用于C波段或L波段間隔為100GHz或50GHz的DWDM系統(tǒng)，插入損耗小于5dB, 消光比大于40dB，動(dòng)態(tài)均衡可達(dá)15dB。Xtellus 的ROADM模塊具有波長(zhǎng)分出、插入、阻斷和直通、均衡和功率監(jiān)視等功能，可用于C波段或L波段間隔為100GHz的DWDM系統(tǒng)，輸入到輸出的全部插入損耗不大于8.5 dB, 功耗低于4w。

       利用集成平面光路(iPLC)技術(shù)的ROADM相對(duì)于波長(zhǎng)阻斷器由于或是直通或是插入到輸出之間增加了交換使設(shè)計(jì)增添復(fù)雜度。iPLC 通常采用陣列波導(dǎo)光柵 (AWG) 將信號(hào)分出不同波長(zhǎng)以及利用熱驅(qū)動(dòng)的MZI開關(guān)改變或是直通或是插入的波長(zhǎng)路徑。應(yīng)用iPLC的ROADM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖6所表示，通過集成化可以降低成本，但也與用波長(zhǎng)阻斷器一樣不能構(gòu)成網(wǎng)格。目前iPLC技術(shù)初步應(yīng)用的是小規(guī)模開關(guān)（2 x1）。要構(gòu)成規(guī)模大的開關(guān)模塊比較困難，因?yàn)楫?dāng)輸入和輸出之間交叉數(shù)量增加時(shí)將導(dǎo)致衰減和復(fù)雜度大大增加。

         圖7表示由JDS Uniphase公司開發(fā)的應(yīng)用iPLC的32信道 iPLC ROADM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]。ROADM分成二部分，分出方面的解復(fù)用(DEMUX-T)模塊和可重構(gòu)光插入復(fù)用(ROAM)模塊。ROAM模塊包含2 x1開關(guān)和可變光衰減器（VOA）使任意信道插入或直通。插入信道也有單獨(dú)的快門供隔離用。另外，每一個(gè)分出、插入和直通路徑都有集成的抽頭將信號(hào)送到安裝一起的探測(cè)器陣列。因而，本模塊包含有96個(gè)濾波器、96個(gè)抽頭、96個(gè)光電探測(cè)器、32個(gè)開關(guān)、32個(gè)VOA、32個(gè)快門。iPLC 芯片的照相也插于圖7中下方。
光交換元件發(fā)展的下一步是波長(zhǎng)選擇開關(guān) (WSS)。與 iPLC相比WSS增加了交換維度，能用來構(gòu)成網(wǎng)格，還可改善直通信道的性能。WSS應(yīng)用于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)開始不久，但WSS模塊已能從幾家供應(yīng)商獲得。現(xiàn)有的解決方案可在4到10個(gè)端口之間交換波長(zhǎng)。最初的裝置是用MEMS微鏡的自由空間光開關(guān)將波長(zhǎng)引到特定端口?；谝壕Ш蚉LC技術(shù)的WSS也開發(fā)完成， 用LC和PLC作成的WSS其優(yōu)點(diǎn)是比較可靠，因?yàn)樗枪虘B(tài)器件，沒有活動(dòng)部分。對(duì)PLC構(gòu)成的器件來說，其級(jí)聯(lián)能力和插入損耗仍是人們關(guān)注的問題?；贚C的設(shè)備也許能應(yīng)用于有限的光廣播。這可能對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有重要意義，它可以明顯降低分束損耗，如果廣播通過光開關(guān)實(shí)現(xiàn)。圖7表示一種應(yīng)用WSS的ROADM子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這可以升級(jí)為網(wǎng)格[2]。為了支持光廣播，一部分分出信號(hào)被送到分出邊，而WSS應(yīng)用于插入邊。

        在選用ROADM時(shí)，要考慮幾個(gè)基本特性。有些如iPLC只能提供特定波長(zhǎng)到特定的輸出端口，而WSS可以造成與波長(zhǎng)無關(guān)（無色）的輸出端口。嚴(yán)格地說，只有波長(zhǎng)無關(guān)器件才是真正的波長(zhǎng)選擇開關(guān)，提供必須的功能以支持網(wǎng)格所要求的多度節(jié)點(diǎn)。多度節(jié)點(diǎn)的插/分能力可用固定復(fù)用器來實(shí)現(xiàn)如圖7所示。一種真正的無色方案可通過采用WSS代替固定復(fù)用器來實(shí)現(xiàn)，如圖8所示，但成本增加。

圖9 metconnex 的1 x9 WSS，有十個(gè)端口100GHz 的波長(zhǎng)選擇開關(guān)的產(chǎn)品照片（a）和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（b）。

圖9是 metconnex 公司研究開發(fā)的 1x9 WSS，有十個(gè)端口的100GHz 波長(zhǎng)選擇開關(guān)，由PLC和MEMS技術(shù)的混合集成。它可以將每一個(gè)輸入波長(zhǎng)傳送到9個(gè)輸出端口中的任意一個(gè)。模塊構(gòu)成包含有解復(fù)用和復(fù)用器、無阻塞開關(guān)、波長(zhǎng)阻斷器和可變光衰減器，并具有對(duì)每端口每波長(zhǎng)功率監(jiān)視的能力，可應(yīng)用于有色或無色的多度ROADM系統(tǒng)。

ROADM 的市場(chǎng)機(jī)遇

一般說來，ROADM作為光網(wǎng)絡(luò)單元具有遙控插入和分出的功能，并可以使任意波長(zhǎng)通過任意節(jié)點(diǎn)而

表2  ROADM 供應(yīng)商名單[4]

 
不須經(jīng)過 OEO 的變換，對(duì)通過的波長(zhǎng)不影響其傳輸，對(duì)節(jié)點(diǎn)上插入和分出的波長(zhǎng)數(shù)沒有限制。按照RHK的分類，將 ROADM 分成兩類。第一類 ROADM 能夠使用軟件控制波長(zhǎng)路由，但是運(yùn)營(yíng)商需要決定那些波長(zhǎng)用來分出和插入，在節(jié)點(diǎn)上每個(gè)入口和出口需要配置相宜的設(shè)備，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)配。這類 ROADM 采用固定的濾波器、固定的或可調(diào)諧激光器，采用可調(diào)諧激光器是為了降低庫(kù)存，而非其可以遙控重構(gòu)的好處。每個(gè)節(jié)點(diǎn)分出和插入的可能是預(yù)先設(shè)置的，目前安裝的多數(shù)屬于這一類。第二類 ROADM 具有最大的重構(gòu)性，允許運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)選擇波長(zhǎng)，最終采用可調(diào)諧激光器和可調(diào)諧探測(cè)器實(shí)現(xiàn)最大重構(gòu)和遙控操作。雖然第二類 ROADM 比第一類 ROADM 價(jià)格高，但是其靈活性更大。而且第二類 ROADM 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能直接升級(jí)到更高自由度的交換節(jié)點(diǎn)。
       ROADM 的市場(chǎng)可以分為城域，即城市范圍內(nèi)，和長(zhǎng)途，特別是延長(zhǎng)距離（>600km）城市之間的應(yīng)用?？蛻舻男枨?、和多數(shù)情況下提供的產(chǎn)品可以是大不相同的。城域應(yīng)用又可細(xì)分為基礎(chǔ)設(shè)施 – ROADM由運(yùn)營(yíng)商裝備作為公共網(wǎng)絡(luò)利用，和客戶接入管理服務(wù) – 典型情況是設(shè)備提供的管理服務(wù)賣給專門的客戶。根據(jù) RHK 在2005年的統(tǒng)計(jì)，主要的 ROADM 產(chǎn)品和供應(yīng)商如表2所列[4]。

參考文獻(xiàn)：
1.D. Gallant，OFC/NFOEC’2006, Paper NWC3
2.B. Basch et al,. OFC/NFOEC’2006, Paper NThC2.
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