ROADM — 當前光通信發(fā)展的一大熱點(diǎn)

        近年來(lái)通信業(yè)務(wù)，包括以話(huà)音、數據和視頻圖像等多媒體業(yè)務(wù)的逐年發(fā)展，特別是數據和視頻傳輸的業(yè)務(wù)量迅速增長(cháng)，不僅對光網(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(lái)更對光網(wǎng)絡(luò )構建的靈活性，以及特別對光網(wǎng)絡(luò )的建設和運行維護費用的降低尤為關(guān)注。這些也就是光器件和光模塊發(fā)展的動(dòng)力和方向。可重構性已成為發(fā)展中的光網(wǎng)絡(luò )對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)對光網(wǎng)絡(luò )的要求出發(fā)，分別就可重構光器件和光模塊所應用的技術(shù)、現狀和發(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 )建設的重點(diǎn)已從干線(xiàn)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，特別是為了能支持多媒體三重業(yè)務(wù)（語(yǔ)音、數據和視頻），傳統的光網(wǎng)絡(luò )面臨著(zhù)要能與互連網(wǎng)(IP)適應的轉變。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。也不象傳統的光網(wǎng)只是點(diǎn)到點(diǎn)連接，三重業(yè)務(wù)網(wǎng)多數是分布的、多點(diǎn)的、并且范圍很廣。

        當電信業(yè)務(wù)量以語(yǔ)音為主時(shí)，一般來(lái)說(shuō)其業(yè)務(wù)量每年約以 8~10% 遞增。如今増加了數據和視頻業(yè)務(wù)，每年業(yè)務(wù)量増長(cháng)超過(guò) 50~100%?？梢灶A期今后十年由于大量消費業(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荷增長(cháng)速度將遠遠超過(guò)企業(yè)方面。有人就美國從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(cháng)作了估算和比較。十年內總增長(cháng)268Tb /s，大部分是由于消費性的高速寬帶服務(wù)的大量提供。表1是對美國從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(cháng)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(lái)到，但是實(shí)際情況難以預料和變化多端。有雄心的運營(yíng)商不會(huì )等到商機十分明朗以后再開(kāi)始動(dòng)作，需要有預見(jiàn)和冒一定風(fēng)險。光網(wǎng)建設既不能直接按照今后長(cháng)遠需求，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)擴大規模，在容量、傳輸距離和網(wǎng)絡(luò )重構方面提供無(wú)限制的增長(cháng)和擴展而不影響和不破壞已有的設施和服務(wù)。這種網(wǎng)絡(luò )應該是：

        多拓撲系統結構的可能，例如環(huán)網(wǎng)、網(wǎng)格網(wǎng)等
        多種波長(cháng)密集度選擇和變換，例如 DWDM、CWDM等
       能夠完全遙控重構網(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

        另外，這種光網(wǎng)絡(luò )具有網(wǎng)元智能化，以便于管理，使運行簡(jiǎn)單化；并能實(shí)現多播連接和非對稱(chēng)連接以支持居民消費服務(wù)。
        圖1表示一個(gè)未來(lái)能支持三重業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò )的基本系統結構，包括三主要部分：接入、IP/MPLS 和光層。靈活性光層對服務(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(hù)，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(cháng)開(kāi)關(guān)和分出/繼續(Drop & Continue)。柔性是靈活光網(wǎng)的主要特征，ROADM 和 WXC 平臺是多媒體三重業(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成本和運行維護費用是發(fā)展中城域光網(wǎng)和接入光網(wǎng)的主要目標之一。

        高性能的光網(wǎng)應為網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商提供多種解決方案的設計和計劃的選擇，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
  完全可調諧或固定轉發(fā)器(transponder)的選擇
  G.709 FEC 或擴充的FEC的選擇
  可提供分出/繼續(Drop & Continue)的選擇
  可提供單向轉發(fā)器及插入/分出復用器（對稱(chēng)業(yè)務(wù)）
  光放大和色散補償的廣泛選用

        以往的 DWDM 城域光網(wǎng)只是包括3-6個(gè)節點(diǎn)的小型環(huán)網(wǎng)。發(fā)展中的城域光網(wǎng)的系統結構應是能支持包括20-50個(gè)節點(diǎn)群的網(wǎng)格網(wǎng)。為降低這種擴大光網(wǎng)的成本，無(wú)再生的光透明傳輸距離至少應達1000公里，包含的光網(wǎng)節點(diǎn)在16個(gè)以上。為了使網(wǎng)絡(luò )結構能不斷擴展，每個(gè)節點(diǎn)的連接維度必須在不影響現有業(yè)務(wù)的情況下增加，網(wǎng)格網(wǎng)的節點(diǎn)的連接應能擴充到 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)的連接處的節點(diǎn)是 4 度WXC，其他的節點(diǎn)都是2度ROADM,其中還有二個(gè)節點(diǎn)是可升級的在線(xiàn)放大器ILA。

        可重構光插/分復用器（ROADM）

        在光網(wǎng)中由多波長(cháng)傳輸大量信息需要在節點(diǎn)上進(jìn)行交換。目前交換信息的常規方法是把從光纖輸入的光信號轉換成電信號，在電域內實(shí)現交換，再把電信號轉換成光信號送到輸出光纖。這種光-電-光轉換的系統成本高、體積大而且與速率/協(xié)議有關(guān)。可重構光插入/分出復用器（ROADM）可以避免 O-E-O 轉換。采用光交換的 O-O-O 系統可以有效降低建設成本和運行費用，提高可靠性。

        下一代 DWDM 系統總的來(lái)說(shuō)可歸結為能提供遙控重構能力的ROADM，在一個(gè)節點(diǎn)上讓多個(gè)波長(cháng)分別插入、分出或直接通過(guò)。確切地說(shuō)，直到最近，投入實(shí)際商業(yè)應用的 ROADM 系統并不多，尚處于試運行階段。但是，今天每一個(gè) ROADM 供應商都競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、級聯(lián)能力、開(kāi)關(guān)時(shí)間、網(wǎng)格規模、可靠性、集成度和成本等諸因素間作出選擇。波長(cháng)阻斷器(WB)、集成平面光路(iPLC)、波長(cháng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS)將成為發(fā)展中可重構光網(wǎng)的主要技術(shù)，下面分別作討論。

        波長(cháng)阻斷器(WB)是最簡(jiǎn)單的交換器件，它允許特定的波長(cháng)通過(guò)或阻斷。圖4 應用波長(cháng)阻斷器(WB)構

        成的ROADM系統[2]，圖中只表示了單方向的信號流。因為這里沒(méi)有實(shí)際的交換發(fā)生，波長(cháng)阻斷器有時(shí)被看成為 1x1光開(kāi)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(cháng)阻斷器利用一組連續的單元以阻斷波譜，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有系統上應用，但能提供今后10Gb/s和40Gb/s混合系統采用的可能。波長(cháng)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)設計制造的波長(cháng)阻斷器和ROADM模塊。Xtellus 波長(cháng)阻斷器可以應用于C波段或L波段間隔為100GHz或50GHz的DWDM系統，插入損耗小于5dB, 消光比大于40dB，動(dòng)態(tài)均衡可達15dB。Xtellus 的ROADM模塊具有波長(cháng)分出、插入、阻斷和直通、均衡和功率監視等功能，可用于C波段或L波段間隔為100GHz的DWDM系統，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相對于波長(cháng)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計增添復雜度。iPLC 通常采用陣列波導光柵 (AWG) 將信號分出不同波長(cháng)以及利用熱驅動(dòng)的MZI開(kāi)關(guān)改變或是直通或是插入的波長(cháng)路徑。應用iPLC的ROADM系統的設計如圖6所表示，通過(guò)集成化可以降低成本，但也與用波長(cháng)阻斷器一樣不能構成網(wǎng)格。目前iPLC技術(shù)初步應用的是小規模開(kāi)關(guān)（2 x1）。要構成規模大的開(kāi)關(guān)模塊比較困難，因為當輸入和輸出之間交叉數量增加時(shí)將導致衰減和復雜度大大增加。

        圖7表示由JDS Uniphase公司開(kāi)發(fā)的應用iPLC的32信道 iPLC ROADM的系統結構[3]。ROADM分成二部分，分出方面的解復用(DEMUX-T)模塊和可重構光插入復用(ROAM)模塊。ROAM模塊包含2 x1開(kāi)關(guān)和可變光衰減器（VOA）使任意信道插入或直通。插入信道也有單獨的快門(mén)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送到安裝一起的探測器陣列。因而，本模塊包含有96個(gè)濾波器、96個(gè)抽頭、96個(gè)光電探測器、32個(gè)開(kāi)關(guān)、32個(gè)VOA、32個(gè)快門(mén)。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(cháng)選擇開(kāi)關(guān) (WSS)。與 iPLC相比WSS增加了交換維度，能用來(lái)構成網(wǎng)格，還可改善直通信道的性能。WSS應用于網(wǎng)格節點(diǎn)開(kāi)始不久，但WSS模塊已能從幾家供應商獲得?，F有的解決方案可在4到10個(gè)端口之間交換波長(cháng)。最初的裝置是用MEMS微鏡的自由空間光開(kāi)關(guān)將波長(cháng)引到特定端口?；谝壕Ш蚉LC技術(shù)的WSS也開(kāi)發(fā)完成， 用LC和PLC作成的WSS其優(yōu)點(diǎn)是比較可靠，因為它是固態(tài)器件，沒(méi)有活動(dòng)部分。對PLC構成的器件來(lái)說(shuō)，其級聯(lián)能力和插入損耗仍是人們關(guān)注的問(wèn)題?；贚C的設備也許能應用于有限的光廣播。這可能對節點(diǎn)設計有重要意義，它可以明顯降低分束損耗，如果廣播通過(guò)光開(kāi)關(guān)實(shí)現。圖7表示一種應用WSS的ROADM子系統的設計，這可以升級為網(wǎng)格[2]。為了支持光廣播，一部分分出信號被送到分出邊，而WSS應用于插入邊。

        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(cháng)到特定的輸出端口，而WSS可以造成與波長(cháng)無(wú)關(guān)（無(wú)色）的輸出端口。嚴格地說(shuō)，只有波長(cháng)無(wú)關(guān)器件才是真正的波長(cháng)選擇開(kāi)關(guān)，提供必須的功能以支持網(wǎng)格所要求的多度節點(diǎn)。多度節點(diǎn)的插/分能力可用固定復用器來(lái)實(shí)現如圖7所示。一種真正的無(wú)色方案可通過(guò)采用WSS代替固定復用器來(lái)實(shí)現，如圖8所示，但成本增加。

        圖9是 metconnex 公司研究開(kāi)發(fā)的 1x9 WSS，有十個(gè)端口的100GHz 波長(cháng)選擇開(kāi)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(cháng)傳送到9個(gè)輸出端口中的任意一個(gè)。模塊構成包含有解復用和復用器、無(wú)阻塞開(kāi)關(guān)、波長(cháng)阻斷器和可變光衰減器，并具有對每端口每波長(cháng)功率監視的能力，可應用于有色或無(wú)色的多度ROADM系統。

        ROADM 的市場(chǎng)機遇

        一般說(shuō)來(lái)，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(cháng)通過(guò)任意節點(diǎn)而不須經(jīng)過(guò) OEO 的變換，對通過(guò)的波長(cháng)不影響其傳輸，對節點(diǎn)上插入和分出的波長(cháng)數沒(méi)有限制。按照RHK的分類(lèi)，將 ROADM 分成兩類(lèi)。第一類(lèi) ROADM 能夠使用軟件控制波長(cháng)路由，但是運營(yíng)商需要決定那些波長(cháng)用來(lái)分出和插入，在節點(diǎn)上每個(gè)入口和出口需要配置相宜的設備，并對其進(jìn)行調配。這類(lèi) ROADM 采用固定的濾波器、固定的或可調諧激光器，采用可調諧激光器是為了降低庫存，而非其可以遙控重構的好處。每個(gè)節點(diǎn)分出和插入的可能是預先設置的，目前安裝的多數屬于這一類(lèi)。第二類(lèi) ROADM 具有最大的重構性，允許運營(yíng)商動(dòng)態(tài)選擇波長(cháng)，最終采用可調諧激光器和可調諧探測器實(shí)現最大重構和遙控操作。雖然第二類(lèi) ROADM 比第一類(lèi) ROADM 價(jià)格高，但是其靈活性更大。而且第二類(lèi) ROADM 的系統結構可能直接升級到更高自由度的交換節點(diǎn)。

        ROADM 的市場(chǎng)可以分為城域，即城市范圍內，和長(cháng)途，特別是延長(cháng)距離（>600km）城市之間的應用?？蛻?hù)的需求、和多數情況下提供的產(chǎn)品可以是大不相同的。城域應用又可細分為基礎設施 – ROADM由運營(yíng)商裝備作為公共網(wǎng)絡(luò )利用，和客戶(hù)接入管理服務(wù) – 典型情況是設備提供的管理服務(wù)賣(mài)給專(zhuān)門(mén)的客戶(hù)。根據 RHK 在2005年的統計，主要的 ROADM 產(chǎn)品和供應商如表2所列[4]。

參考文獻：
        1. D. Gallant，OFC/NFOEC’2006, Paper NWC3
        2. B. Basch et al,. OFC/NFOEC’2006, Paper NThC2.
        3. David J. Dougherty, OFC/NFOEC’2005, paper OThN5.
        4. Dana A. Cooperson, OFC/NFOEC’2005, paper NThK3.