全光交叉技術(shù)發(fā)展及應用

  ROADM（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer）可以實(shí)現多維度、大容量波長(cháng)級調度，具備低時(shí)延、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足干線(xiàn)、城域及數據中心互聯(lián)等組網(wǎng)需求。隨著(zhù)維度增加，ROADM站點(diǎn)內部連纖數量急劇增加，導致開(kāi)通和維護時(shí)間長(cháng)、易出錯，占地面積、功耗也大幅增加。全光交叉（Optical Cross-Connect，OXC）針對ROADM在使用中出現的問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，使用全光無(wú)阻交叉的光背板，與高集成度的光線(xiàn)路板和光上下路板配合，實(shí)現了插板即連纖，避免了復雜的內部連纖，提高了開(kāi)通和維護效率。OXC單機柜可實(shí)現32維交叉調度，減少了占地面積。從2018年開(kāi)始，OXC技術(shù)在中國移動(dòng)、中國電信、中國聯(lián)通等運營(yíng)商廣泛應用。

  OXC組成及關(guān)鍵技術(shù)

  OXC主要包含光背板、光線(xiàn)路板和光上下路板，涉及光背板、高密度光連接器、1×N WSS（波長(cháng)選擇開(kāi)關(guān)）、M×N WSS等關(guān)鍵技術(shù)。光背板包括柔性光背板及高密度連接器。OXC的光上下路單板分為支持CDF（Colorless、Directionless、Flexgrid）光上下路單板以及支持CDCF（Colorless、Directionless、Contentionless、Flexgrid）兩種，如圖1和圖2所示。前一種采用TWIN 1×N WSS，不支持競爭無(wú)關(guān)；將WSS和光放大器集成，占用1個(gè)槽位，可以實(shí)現32路業(yè)務(wù)上下，通過(guò)單板的高密度連接器及光背板的光纖連接，調度到任意光方向。后一種采用M×N WSS，占用2個(gè)槽位?？梢詫?shí)現8/16維，48波業(yè)務(wù)上下，支持8/16維競爭無(wú)關(guān)。

  OXC的光線(xiàn)路單板將WSS、光放大器、OP、OSC、OTDR功能模塊進(jìn)行高度集成，一塊光線(xiàn)路單板占用一個(gè)槽位，實(shí)現一個(gè)光方向的相應功能。光線(xiàn)路板通過(guò)高密度連接器與光背板相連，可以將一組波長(cháng)調度到任意光方向或調度到任意光上下路單板進(jìn)行業(yè)務(wù)上下（見(jiàn)圖3）。

圖1   光上下路板（CDF）

圖2   光上下路單板（CDCF）

圖3   光線(xiàn)路板

  光背板

  ROADM不同光方向調度和本地上下通過(guò)WSS單板面板光口光纖連接。對于9維、20維和32維ROADM，連纖數量分別為81根、400根和1024根。為了解決大量光纖連接復雜、易出錯、不易維護的問(wèn)題，OXC采用了光背板技術(shù)。將ROADM單板光口之間的內部連纖轉化為光背板上的高密度互聯(lián)光纖。將內部連纖分成多組通過(guò)光纖布線(xiàn)機布線(xiàn)，封裝到柔性板材中，形成支持無(wú)阻光纖連接的柔性光背板。以32維OXC為例，需要將光纖分為32組，每組64芯，還需要留有光纖進(jìn)行光性能監控、背板插損檢測，實(shí)際上多于64芯。目前，32維的柔性光背板的生產(chǎn)加工已經(jīng)非常成熟，國內和國外多個(gè)廠(chǎng)家都具有批量生產(chǎn)發(fā)貨能力。同時(shí)，業(yè)界具備更高維度柔性光背板的生產(chǎn)能力，滿(mǎn)足OXC向更高維度發(fā)展的需求。

  高密度連接器

  光背板通過(guò)高密度連接器與光線(xiàn)路單板及光上下路單板連接。

  OXC的光連接器必須具備兩個(gè)特點(diǎn)。一是高密度，對于16維OXC光連接器至少要達到32芯光纖，32維OXC至少要達到64芯光纖，才能保證OXC站點(diǎn)內各光板的全互聯(lián)。實(shí)際上還要給監控、檢測、環(huán)回等功能預留連接光纖，所需要的光纖芯數更多。二是可以盲插，需要連接器具備高對接精度、多次插拔的可靠性、彈性設計、低插損等特點(diǎn)。

  標準MT連接器已可實(shí)現24芯光纖封裝，多組MT形成陣列，再結合彈性設計、背板插座、單板插座等，即可實(shí)現完整的OXC光連接器。另外端面鍍膜工藝改進(jìn)的非接觸式連接器也在研究中，有望進(jìn)一步增加連接器容量，提高連接器性能。

  波長(cháng)選擇開(kāi)關(guān)WSS

  光上下路單板和光線(xiàn)路板核心器件為1×N WSS和M×N WSS，相關(guān)技術(shù)主要包括基于自由空間光學(xué)設計的LC Array（Liquid Crystal Array）、MEMS（Micro-Electro Mechanical System）和LCoS（Liquid Crystal on Silicon）及基于硅光的微環(huán)諧振器MRR（Micro-Ring Resonator）和MZI （March-Zehnder Interferometer）。

  基于LC陣列的WSS，通過(guò)改變加在液晶單元上的驅動(dòng)電壓，改變入射光的偏振態(tài)。雙折射棱鏡對不同偏振態(tài)的光折射率不同，從而通過(guò)改變入射光的偏振態(tài)，控制出射光的偏轉角度。LC Array技術(shù)主要用于1×9和1×20 WSS，端口數再增加時(shí)需要更多的LC級聯(lián)，設計和封裝困難。

  基于MEMS的WSS，每個(gè)MEMS微鏡都可單獨控制，通過(guò)改變控制電壓，可以控制MEMS微鏡的旋轉角度，從而改變入射光的反射角度，進(jìn)入不同的輸出光口，實(shí)現波長(cháng)選擇。MEMS可以用于高端口WSS和M×N WSS。由于微鏡之間的間距過(guò)大，占空比低，在連續光譜操作時(shí)會(huì )產(chǎn)生光譜凹陷，不能實(shí)現靈活柵格，應用場(chǎng)景受限。

  基于LCoS的WSS，在硅基底上基于CMOS晶體管設計技術(shù)實(shí)現液晶的驅動(dòng)電路?；咨嫌卸S像元陣列，每個(gè)像元都可單獨通過(guò)驅動(dòng)電路改變電壓，從而改變像元上面液晶的相位。分別調整相鄰像元相位延遲，可實(shí)現光信號在各端口之間的自由切換。LCoS技術(shù)具有更高的填充比因子，像元分辨率也更高，已用于制作高端口的1×N WSS，更適合制作支持靈活柵格的M×N  CDCF WSS，已成為主流。

  基于微環(huán)諧振器MRR（Micro-Ring Resonator）的WSS，SOI波導由于折射率差大，可以實(shí)現半徑很小的微環(huán)結構，通過(guò)調整微環(huán)的諧振狀態(tài)實(shí)現指定波長(cháng)的上下路。近年來(lái)相關(guān)研究，對于基于MRR的WSS方案中自由頻譜區（FSR）范圍、hitless無(wú)損調整、偏振無(wú)關(guān)等比較關(guān)鍵的問(wèn)題提出了一些解決方案，期待進(jìn)一步解決加工精度、控制復雜度等相關(guān)問(wèn)題，實(shí)現產(chǎn)業(yè)化突破。另外，也有基于MZI和微環(huán)組合或者單純基于MZI進(jìn)行波長(cháng)選擇的濾波器設計方案，同樣距離技術(shù)成熟還需要一定的時(shí)間。

  OXC的優(yōu)勢

  與ROADM相比，OXC通過(guò)板卡功能高度集成、光背板，可以大大減少占地面積，降低設備功耗和簡(jiǎn)化內部連纖（見(jiàn)圖4）。20維OXC只需要使用1個(gè)機柜，占地面積降低了2/3。只需使用30多塊單板，單板使用數量降低2/3，相應功耗也降低。站點(diǎn)內部的光纖連接都通過(guò)光背板，完成插板即連纖，提高了開(kāi)通效率，降低了維護成本。

  · 集成度高，占地面積小，節省機房空間

  ROADM站點(diǎn)需要使用光放大、WSS、OSC、OTDR、OP等分離單板，單板種類(lèi)多，數量大，需要使用多個(gè)機柜。OXC進(jìn)行了優(yōu)化，對相關(guān)單板功能進(jìn)行了高度集成，光線(xiàn)路板和光上下路板只占用一個(gè)槽位即可實(shí)現線(xiàn)路方向接入和32波業(yè)務(wù)上下；只需要一個(gè)機柜可實(shí)現32維光交叉調度，節省占地面積2/3。

  · 綠色節能，便捷開(kāi)通，維護方便，運維成本低

  16維OXC只需要一主一備63A電源，32維OXC只需要兩主兩備63A，與ROADM相比，設備功耗降低，同時(shí)減少了電源端子需求數量。同時(shí)，采用光背板解決了ROADM內部連纖數量多、開(kāi)通效率低、維護困難的問(wèn)題，實(shí)現了內部“零”光纖連接，插板即連纖；插入一塊光線(xiàn)路單板，連接線(xiàn)路光纖進(jìn)行軟件配置即可開(kāi)通1維；插入一塊光上下單板，連接相關(guān)業(yè)務(wù)單板，軟件設置即可開(kāi)通業(yè)務(wù)，開(kāi)通便捷；支持光層OAM，可監測每個(gè)波長(cháng)通道的業(yè)務(wù)速率、出光功率、中心波長(cháng)、源節點(diǎn)等信息并進(jìn)行路由校驗，便于故障定位，降低運維成本。

  · 支持超大容量光交叉，低時(shí)延

  支持CE、C++和L++波段，單個(gè)機柜支持32維，可支持1024T光交叉，滿(mǎn)足干線(xiàn)及城域光交叉容量的需求；與支線(xiàn)路合一的業(yè)務(wù)單板配合，可實(shí)現波長(cháng)級交叉調度；與OTN設備配合使用，可實(shí)現子波長(cháng)及波長(cháng)級交叉調度。光交叉節點(diǎn)只通過(guò)光纖連接，幾乎達到“零”時(shí)延。

  · 網(wǎng)絡(luò )智能化

  智能化網(wǎng)絡(luò )應支持網(wǎng)絡(luò )拓撲及資源自動(dòng)發(fā)現、業(yè)務(wù)開(kāi)通及控制、路由計算、智能化調度、網(wǎng)絡(luò )性能監控等功能。OXC作為物理層設備，支持CDC功能，可解決波長(cháng)沖突問(wèn)題，增加光交叉調度的靈活性，提高網(wǎng)絡(luò )資源的利用率；支持FlexGrid，可實(shí)現傳輸管道帶寬的動(dòng)態(tài)調整，實(shí)現100G、超100G等波長(cháng)智能化調度；支持光域均衡和光功率自動(dòng)優(yōu)化，減少WSS的串通代價(jià)，提升系統傳輸性能，增加可用路由，提高了網(wǎng)絡(luò )的生存性。OXC在干線(xiàn)、城域網(wǎng)絡(luò )的應用，尤其是在高維度網(wǎng)絡(luò )的應用，為網(wǎng)絡(luò )智能化提供了保障。

  OXC的應用及發(fā)展

  2018年開(kāi)始，國內各廠(chǎng)家陸續開(kāi)始推出16/20/32維OXC產(chǎn)品，取代ROADM在中國移動(dòng)、中國電信和中國聯(lián)通等運營(yíng)商的干線(xiàn)、城域網(wǎng)絡(luò )商用。

  干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸距離長(cháng)達數千公里，一般采用星型組網(wǎng)，物理鏈路不多，線(xiàn)路維度不高，但節點(diǎn)業(yè)務(wù)量大（尤其是核心節點(diǎn)），業(yè)務(wù)上下占用OXC維度多。16/20和32維OXC分別有16、20和32個(gè)槽位，每個(gè)槽位可以插入光線(xiàn)路單板或光上下路單板，實(shí)現一個(gè)光線(xiàn)路方向接入或一組32波業(yè)務(wù)上下。在網(wǎng)絡(luò )設計時(shí)，需要考慮當期的線(xiàn)路維度及業(yè)務(wù)上下。同時(shí)，需要考慮將來(lái)線(xiàn)路維度及上下業(yè)務(wù)擴容的需求，為后期擴容預留槽位。后期擴容非常方便，插入一塊光線(xiàn)路板即可增加一個(gè)線(xiàn)路維度，插入一塊光上下路板即可增加一組32波本地上下。本地上下路板有兩個(gè)擴展口，每個(gè)擴展口可以實(shí)現32波上下，在OXC槽位緊張的情況下，可以與傳輸子架上的WSS單板配合，實(shí)現單個(gè)OXC槽位96波業(yè)務(wù)上下。

  城域網(wǎng)絡(luò )傳輸距離短，一般為數百公里，采用Mesh組網(wǎng)，物理鏈路多，線(xiàn)路維度多，每個(gè)維度均有業(yè)務(wù)上下。核心節點(diǎn)線(xiàn)路維度多，上下業(yè)務(wù)量大；非核心節點(diǎn)線(xiàn)路維度少，擴容潛力小。同樣，需要根據當期及后期線(xiàn)路維度和上下業(yè)務(wù)需求確定OXC的維度。一般情況下，國內城域網(wǎng)核心節點(diǎn)采用32維OXC，非核心節點(diǎn)采用16維OXC。

  網(wǎng)絡(luò )發(fā)展帶來(lái)核心節點(diǎn)光層調度維數的增加，同時(shí)，核心站點(diǎn)上下業(yè)務(wù)量增多。在電信西北環(huán)網(wǎng)絡(luò )，太原樞紐樓站點(diǎn)已經(jīng)達到57維。目前，已商用的1×N WSS最多只支持32維，不能滿(mǎn)足現網(wǎng)核心節點(diǎn)高維度的需求。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的進(jìn)一步發(fā)展，高維度的需求越來(lái)越多，高維度64維或128維會(huì )成為OXC的一個(gè)發(fā)展方向。

  在高維度情況下，本地上下路很容易存在來(lái)自不同線(xiàn)路維度的同波長(cháng)業(yè)務(wù)沖突，所以CDC需求（波長(cháng)無(wú)關(guān)、方向無(wú)關(guān)、競爭無(wú)關(guān)）成為OXC的重要需求。目前商用的M×N WSS有8/16維，上下路端口數一般為24，不能滿(mǎn)足高維度以及本地業(yè)務(wù)上下數量多的需求。同時(shí)，M×N WSS還不支持L++波段。高維度、多端口CDC及波段擴展也是OXC的一個(gè)發(fā)展方向。

  隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的Mesh化、智能化，對光交叉的調度能力要求越來(lái)越高。ROADM采用分離的單板，存在占地面積大、功耗高、內部連纖數量多、開(kāi)通維護易出錯等問(wèn)題，只商用了9維和20維。OXC通過(guò)光背板、高集成度光線(xiàn)路板和光上下路板解決了上述問(wèn)題。OXC支持超大交叉容量，具有高集成度、占地面積小，開(kāi)通運維便捷、綠色節能等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在中國移動(dòng)、中國電信、中國聯(lián)通等運營(yíng)商干線(xiàn)和城域網(wǎng)得到廣泛應用。同時(shí)，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )發(fā)展，支持更高維度、多端口CDCF、支持L++波段CDCF也是需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

圖4   OXC和ROADM對比示意圖

  作者：中興通訊 李紅軍，王東，葉兵