全光交叉技術發(fā)展及應用

  ROADM（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer）可以實現(xiàn)多維度、大容量波長級調度，具備低時延、低功耗的優(yōu)點，滿足干線、城域及數據中心互聯(lián)等組網需求。隨著維度增加，ROADM站點內部連纖數量急劇增加，導致開通和維護時間長、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(xiàn)的問題進行了優(yōu)化和改進，使用全光無阻交叉的光背板，與高集成度的光線路板和光上下路板配合，實現(xiàn)了插板即連纖，避免了復雜的內部連纖，提高了開通和維護效率。OXC單機柜可實現(xiàn)32維交叉調度，減少了占地面積。從2018年開始，OXC技術在中國移動、中國電信、中國聯(lián)通等運營商廣泛應用。

  OXC組成及關鍵技術

  OXC主要包含光背板、光線路板和光上下路板，涉及光背板、高密度光連接器、1×N WSS（波長選擇開關）、M×N WSS等關鍵技術。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，不支持競爭無關；將WSS和光放大器集成，占用1個槽位，可以實現(xiàn)32路業(yè)務上下，通過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個槽位?？梢詫崿F(xiàn)8/16維，48波業(yè)務上下，支持8/16維競爭無關。

  OXC的光線路單板將WSS、光放大器、OP、OSC、OTDR功能模塊進行高度集成，一塊光線路單板占用一個槽位，實現(xiàn)一個光方向的相應功能。光線路板通過高密度連接器與光背板相連，可以將一組波長調度到任意光方向或調度到任意光上下路單板進行業(yè)務上下（見圖3）。

圖1   光上下路板（CDF）

圖2   光上下路單板（CDCF）

圖3   光線路板

  光背板

  ROADM不同光方向調度和本地上下通過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、不易維護的問題，OXC采用了光背板技術。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光纖布線機布線，封裝到柔性板材中，形成支持無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，還需要留有光纖進行光性能監(jiān)控、背板插損檢測，實際上多于64芯。目前，32維的柔性光背板的生產加工已經非常成熟，國內和國外多個廠家都具有批量生產發(fā)貨能力。同時，業(yè)界具備更高維度柔性光背板的生產能力，滿足OXC向更高維度發(fā)展的需求。

  高密度連接器

  光背板通過高密度連接器與光線路單板及光上下路單板連接。

  OXC的光連接器必須具備兩個特點。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站點內各光板的全互聯(lián)。實際上還要給監(jiān)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。

  標準MT連接器已可實現(xiàn)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，即可實現(xiàn)完整的OXC光連接器。另外端面鍍膜工藝改進的非接觸式連接器也在研究中，有望進一步增加連接器容量，提高連接器性能。

  波長選擇開關WSS

  光上下路單板和光線路板核心器件為1×N WSS和M×N WSS，相關技術主要包括基于自由空間光學設計的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，通過改變加在液晶單元上的驅動電壓，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，從而通過改變入射光的偏振態(tài)，控制出射光的偏轉角度。LC Array技術主要用于1×9和1×20 WSS，端口數再增加時需要更多的LC級聯(lián)，設計和封裝困難。

  基于MEMS的WSS，每個MEMS微鏡都可單獨控制，通過改變控制電壓，可以控制MEMS微鏡的旋轉角度，從而改變入射光的反射角度，進入不同的輸出光口，實現(xiàn)波長選擇。MEMS可以用于高端口WSS和M×N WSS。由于微鏡之間的間距過大，占空比低，在連續(xù)光譜操作時會產生光譜凹陷，不能實現(xiàn)靈活柵格，應用場景受限。

  基于LCoS的WSS，在硅基底上基于CMOS晶體管設計技術實現(xiàn)液晶的驅動電路?；咨嫌卸S像元陣列，每個像元都可單獨通過驅動電路改變電壓，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，可實現(xiàn)光信號在各端口之間的自由切換。LCoS技術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，可以實現(xiàn)半徑很小的微環(huán)結構，通過調整微環(huán)的諧振狀態(tài)實現(xiàn)指定波長的上下路。近年來相關研究，對于基于MRR的WSS方案中自由頻譜區(qū)（FSR）范圍、hitless無損調整、偏振無關等比較關鍵的問題提出了一些解決方案，期待進一步解決加工精度、控制復雜度等相關問題，實現(xiàn)產業(yè)化突破。另外，也有基于MZI和微環(huán)組合或者單純基于MZI進行波長選擇的濾波器設計方案，同樣距離技術成熟還需要一定的時間。

  OXC的優(yōu)勢

  與ROADM相比，OXC通過板卡功能高度集成、光背板，可以大大減少占地面積，降低設備功耗和簡化內部連纖（見圖4）。20維OXC只需要使用1個機柜，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。站點內部的光纖連接都通過光背板，完成插板即連纖，提高了開通效率，降低了維護成本。

  · 集成度高，占地面積小，節(jié)省機房空間

  ROADM站點需要使用光放大、WSS、OSC、OTDR、OP等分離單板，單板種類多，數量大，需要使用多個機柜。OXC進行了優(yōu)化，對相關單板功能進行了高度集成，光線路板和光上下路板只占用一個槽位即可實現(xiàn)線路方向接入和32波業(yè)務上下；只需要一個機柜可實現(xiàn)32維光交叉調度，節(jié)省占地面積2/3。

  · 綠色節(jié)能，便捷開通，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，同時減少了電源端子需求數量。同時，采用光背板解決了ROADM內部連纖數量多、開通效率低、維護困難的問題，實現(xiàn)了內部“零”光纖連接，插板即連纖；插入一塊光線路單板，連接線路光纖進行軟件配置即可開通1維；插入一塊光上下單板，連接相關業(yè)務單板，軟件設置即可開通業(yè)務，開通便捷；支持光層OAM，可監(jiān)測每個波長通道的業(yè)務速率、出光功率、中心波長、源節(jié)點等信息并進行路由校驗，便于故障定位，降低運維成本。

  · 支持超大容量光交叉，低時延

  支持CE、C++和L++波段，單個機柜支持32維，可支持1024T光交叉，滿足干線及城域光交叉容量的需求；與支線路合一的業(yè)務單板配合，可實現(xiàn)波長級交叉調度；與OTN設備配合使用，可實現(xiàn)子波長及波長級交叉調度。光交叉節(jié)點只通過光纖連接，幾乎達到“零”時延。

  · 網絡智能化

  智能化網絡應支持網絡拓撲及資源自動發(fā)現(xiàn)、業(yè)務開通及控制、路由計算、智能化調度、網絡性能監(jiān)控等功能。OXC作為物理層設備，支持CDC功能，可解決波長沖突問題，增加光交叉調度的靈活性，提高網絡資源的利用率；支持FlexGrid，可實現(xiàn)傳輸管道帶寬的動態(tài)調整，實現(xiàn)100G、超100G等波長智能化調度；支持光域均衡和光功率自動優(yōu)化，減少WSS的串通代價，提升系統(tǒng)傳輸性能，增加可用路由，提高了網絡的生存性。OXC在干線、城域網絡的應用，尤其是在高維度網絡的應用，為網絡智能化提供了保障。

  OXC的應用及發(fā)展

  2018年開始，國內各廠家陸續(xù)開始推出16/20/32維OXC產品，取代ROADM在中國移動、中國電信和中國聯(lián)通等運營商的干線、城域網絡商用。

  干線網絡傳輸距離長達數千公里，一般采用星型組網，物理鏈路不多，線路維度不高，但節(jié)點業(yè)務量大（尤其是核心節(jié)點），業(yè)務上下占用OXC維度多。16/20和32維OXC分別有16、20和32個槽位，每個槽位可以插入光線路單板或光上下路單板，實現(xiàn)一個光線路方向接入或一組32波業(yè)務上下。在網絡設計時，需要考慮當期的線路維度及業(yè)務上下。同時，需要考慮將來線路維度及上下業(yè)務擴容的需求，為后期擴容預留槽位。后期擴容非常方便，插入一塊光線路板即可增加一個線路維度，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擴展口，每個擴展口可以實現(xiàn)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，實現(xiàn)單個OXC槽位96波業(yè)務上下。

  城域網絡傳輸距離短，一般為數百公里，采用Mesh組網，物理鏈路多，線路維度多，每個維度均有業(yè)務上下。核心節(jié)點線路維度多，上下業(yè)務量大；非核心節(jié)點線路維度少，擴容潛力小。同樣，需要根據當期及后期線路維度和上下業(yè)務需求確定OXC的維度。一般情況下，國內城域網核心節(jié)點采用32維OXC，非核心節(jié)點采用16維OXC。

  網絡發(fā)展帶來核心節(jié)點光層調度維數的增加，同時，核心站點上下業(yè)務量增多。在電信西北環(huán)網絡，太原樞紐樓站點已經達到57維。目前，已商用的1×N WSS最多只支持32維，不能滿足現(xiàn)網核心節(jié)點高維度的需求。隨著網絡的進一步發(fā)展，高維度的需求越來越多，高維度64維或128維會成為OXC的一個發(fā)展方向。

  在高維度情況下，本地上下路很容易存在來自不同線路維度的同波長業(yè)務沖突，所以CDC需求（波長無關、方向無關、競爭無關）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，不能滿足高維度以及本地業(yè)務上下數量多的需求。同時，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的一個發(fā)展方向。

  隨著網絡的Mesh化、智能化，對光交叉的調度能力要求越來越高。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、開通維護易出錯等問題，只商用了9維和20維。OXC通過光背板、高集成度光線路板和光上下路板解決了上述問題。OXC支持超大交叉容量，具有高集成度、占地面積小，開通運維便捷、綠色節(jié)能等優(yōu)點，已經在中國移動、中國電信、中國聯(lián)通等運營商干線和城域網得到廣泛應用。同時，隨著網絡發(fā)展，支持更高維度、多端口CDCF、支持L++波段CDCF也是需要進一步解決的問題。

圖4   OXC和ROADM對比示意圖

  作者：中興通訊 李紅軍，王東，葉兵