[圖]ROADM — 當前光通信發(fā)展的一大熱點

ROADM — 當前光通信發(fā)展的一大熱點
陳 益 新
上海交通大學

         摘要： 隨著通信業(yè)務包括以話音、數據和視頻圖像等多媒體業(yè)務的逐年迅速增長，不僅對光網絡的傳輸容量、速率、距離和傳輸質量的要求不斷提高，近年來更對光網絡構建的靈活性，以及特別對光網絡的建設和運行維護費用的降低尤為關注。從而對光通信器件提出了新要求，光器件和光模塊的可重構性已成為當前競相發(fā)展的一大熱點。本文將就ROADM光模塊的相關技術、應用現狀和發(fā)展趨向略作分析和討論。
關鍵詞：光通信、可重構、光集成器件和模塊、靈活光網絡。

         近年來通信業(yè)務，包括以話音、數據和視頻圖像等多媒體業(yè)務的逐年發(fā)展，特別是數據和視頻傳輸的業(yè)務量迅速增長，不僅對光網絡的傳輸容量、速率、距離和傳輸質量的要求不斷提高，而且近年來更對光網絡構建的靈活性，以及特別對光網絡的建設和運行維護費用的降低尤為關注。這些也就是光器件和光模塊發(fā)展的動力和方向?？芍貥嬓砸殉蔀榘l(fā)展中的光網絡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)務對光網絡的要求出發(fā)，分別就可重構光器件和光模塊所應用的技術、現狀和發(fā)展趨向略作分析和討論。

         發(fā)展中的光網絡

         從全球范圍看，光網絡建設的重點已從干線光網走向城域光網和接入光網。由于新業(yè)務的出現，特別是為了能支持多媒體三重業(yè)務（語音、數據和視頻），傳統(tǒng)的光網絡面臨著要能與互連網(IP)適應的轉變。三重業(yè)務網絡基本上不同于以往的網絡，它必須在單一網絡上支持多種高帶寬服務如 IPTV、VoD和網上游戲等。也不象傳統(tǒng)的光網只是點到點連接，三重業(yè)務網多數是分布的、多點的、并且范圍很廣。
當電信業(yè)務量以語音為主時，一般來說其業(yè)務量每年約以 8~10% 遞增。如今増加了數據和視頻業(yè)務，每年業(yè)務量増長超過 50~100%?？梢灶A期今后十年由于大量消費業(yè)務的寬帶服務（如 IPTV、VoD等），在城域光網上居民方面的寬帶通信負荷增長速度將遠遠超過企業(yè)方面。有人就美國從2005年到2015年的城域網上居民和企業(yè)通信業(yè)務量増長作了估算和比較。十年內總增長268Tb /s，大部分是由于消費性的高速寬帶服務的大量提供。表1是對美國從2005年到2015年的城域網上居民和企業(yè)通信業(yè)務量増長的估算和比較。

         雖然大家相信今后十年大量通信業(yè)務會來到，但是實際情況難以預料和變化多端。有雄心的運營商不會等到商機十分明朗以后再開始動作，需要有預見和冒一定風險。光網建設既不能直接按照今后長遠需求，但也不能只限于眼前的業(yè)務。這種網絡的光層必須是十分靈活并可隨時擴大規(guī)模，在容量、傳輸距離和網絡重構方面提供無限制的增長和擴展而不影響和不破壞已有的設施和服務。這種網絡應該是：
         多拓撲系統(tǒng)結構的可能，例如環(huán)網、網格網等
         多種波長密集度選擇和變換，例如 DWDM、CWDM等
         能夠完全遙控重構網絡，例如 ROADM, WXC 等
         光路完全透明并有多種服務的傳輸、交換和保護
另外，這種光網絡具有網元智能化，以便于管理，使運行簡單化；并能實現多播連接和非對稱連接以支持居民消費服務。
圖1表示一個未來能支持三重業(yè)務的網絡的基本系統(tǒng)結構，包括三主要部分：接入、IP/MPLS 和光層。靈活性光層對服務的接入網和IP/MPLS 網絡層提供全部傳輸和路由，同時也能直接遞送一些服務到終端用戶，例如高速以太網或 SAN 等。

         圖2表示一種廣播視頻分布網絡解決方案，包括 ROADM、OEO波長開關和分出/繼續(xù)(Drop & Continue)。柔性是靈活光網的主要特征，ROADM 和 WXC 平臺是多媒體三重業(yè)務光網的關鍵部分。提高網絡的靈活性和降低建設成本和運行維護費用是發(fā)展中城域光網和接入光網的主要目標之一。

高性能的光網應為網絡運營商提供多種解決方案的設計和計劃的選擇，這包括：
 *    每個連接都能有 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(xù)(Drop & Continue)的選擇
 *    可提供單向轉發(fā)器及插入/分出復用器（對稱業(yè)務）
 *    光放大和色散補償的廣泛選用
    以往的 DWDM 城域光網只是包括3-6個節(jié)點的小型環(huán)網。發(fā)展中的城域光網的系統(tǒng)結構應是能支持包括20-50個節(jié)點群的網格網。為降低這種擴大光網的成本，無再生的光透明傳輸距離至少應達1000公里，包含的光網節(jié)點在16個以上。為了使網絡結構能不斷擴展，每個節(jié)點的連接維度必須在不影響現有業(yè)務的情況下增加，網格網的節(jié)點的連接應能擴充到 8 度。圖 3 表示具有二個連接環(huán)的基本網絡[2]，在二個環(huán)的連接處的節(jié)點是 4 度WXC，其他的節(jié)點都是2度ROADM,其中還有二個節(jié)點是可升級的在線放大器ILA。

 

可重構光插/分復用器（ROADM）

在光網中由多波長傳輸大量信息需要在節(jié)點上進行交換。目前交換信息的常規(guī)方法是把從光纖輸入的光信號轉換成電信號，在電域內實現交換，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(tǒng)成本高、體積大而且與速率/協(xié)議有關?？芍貥嫻獠迦?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(tǒng)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(tǒng)總的來說可歸結為能提供遙控重構能力的ROADM，在一個節(jié)點上讓多個波長分別插入、分出或直接通過。確切地說，直到最近，投入實際商業(yè)應用的 ROADM 系統(tǒng)并不多，尚處于試運行階段。但是，今天每一個 ROADM 供應商都競相宣告有基于各種不同的技術的 ROADM 產品。ROADM所采用的器件技術要在濾波器帶寬、級聯(lián)能力、開關時間、網格規(guī)模、可靠性、集成度和成本等諸因素間作出選擇。波長阻斷器(WB)、集成平面光路(iPLC)、波長選擇開關(WSS)將成為發(fā)展中可重構光網的主要技術，下面分別作討論。
波長阻斷器(WB)是最簡單的交換器件，它允許特定的波長通過或阻斷。圖4 應用波長阻斷器(WB)構

成的ROADM系統(tǒng)[2]，圖中只表示了單方向的信號流。因為這里沒有實際的交換發(fā)生，波長阻斷器有時被看成為 1x1光開關。阻斷器通常采用液晶技術，但其他方法也可用如 MEMS 等。波長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器件提供。這能力目前尚未在任何現有系統(tǒng)上應用，但能提供今后10Gb/s和40Gb/s混合系統(tǒng)采用的可能。波長阻斷器是成熟技術，但由于解決方案不易集成使成本比較高。圖5是Xtellus公司采用液晶技術設計制造的波長阻斷器和ROADM模塊。Xtellus 波長阻斷器可以應用于C波段或L波段間隔為100GHz或50GHz的DWDM系統(tǒng)，插入損耗小于5dB, 消光比大于40dB，動態(tài)均衡可達15dB。Xtellus 的ROADM模塊具有波長分出、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)技術的ROADM相對于波長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以及利用熱驅動的MZI開關改變或是直通或是插入的波長路徑。應用iPLC的ROADM系統(tǒng)的設計如圖6所表示，通過集成化可以降低成本，但也與用波長阻斷器一樣不能構成網格。目前iPLC技術初步應用的是小規(guī)模開關（2 x1）。要構成規(guī)模大的開關模塊比較困難，因為當輸入和輸出之間交叉數量增加時將導致衰減和復雜度大大增加。

         圖7表示由JDS Uniphase公司開發(fā)的應用iPLC的32信道 iPLC ROADM的系統(tǒng)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開關和可變光衰減器（VOA）使任意信道插入或直通。插入信道也有單獨的快門供隔離用。另外，每一個分出、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個濾波器、96個抽頭、96個光電探測器、32個開關、32個VOA、32個快門。iPLC 芯片的照相也插于圖7中下方。
光交換元件發(fā)展的下一步是波長選擇開關 (WSS)。與 iPLC相比WSS增加了交換維度，能用來構成網格，還可改善直通信道的性能。WSS應用于網格節(jié)點開始不久，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個端口之間交換波長。最初的裝置是用MEMS微鏡的自由空間光開關將波長引到特定端口?；谝壕Ш蚉LC技術的WSS也開發(fā)完成， 用LC和PLC作成的WSS其優(yōu)點是比較可靠，因為它是固態(tài)器件，沒有活動部分。對PLC構成的器件來說，其級聯(lián)能力和插入損耗仍是人們關注的問題?；贚C的設備也許能應用于有限的光廣播。這可能對節(jié)點設計有重要意義，它可以明顯降低分束損耗，如果廣播通過光開關實現。圖7表示一種應用WSS的ROADM子系統(tǒng)的設計，這可以升級為網格[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，要考慮幾個基本特性。有些如iPLC只能提供特定波長到特定的輸出端口，而WSS可以造成與波長無關（無色）的輸出端口。嚴格地說，只有波長無關器件才是真正的波長選擇開關，提供必須的功能以支持網格所要求的多度節(jié)點。多度節(jié)點的插/分能力可用固定復用器來實現如圖7所示。一種真正的無色方案可通過采用WSS代替固定復用器來實現，如圖8所示，但成本增加。

圖9 metconnex 的1 x9 WSS，有十個端口100GHz 的波長選擇開關的產品照片（a）和系統(tǒng)結構（b）。

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

ROADM 的市場機遇

一般說來，ROADM作為光網絡單元具有遙控插入和分出的功能，并可以使任意波長通過任意節(jié)點而

表2  ROADM 供應商名單[4]

 
不須經過 OEO 的變換，對通過的波長不影響其傳輸，對節(jié)點上插入和分出的波長數沒有限制。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路由，但是運營商需要決定那些波長用來分出和插入，在節(jié)點上每個入口和出口需要配置相宜的設備，并對其進行調配。這類 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。每個節(jié)點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。第二類 ROADM 具有最大的重構性，允許運營商動態(tài)選擇波長，最終采用可調諧激光器和可調諧探測器實現最大重構和遙控操作。雖然第二類 ROADM 比第一類 ROADM 價格高，但是其靈活性更大。而且第二類 ROADM 的系統(tǒng)結構可能直接升級到更高自由度的交換節(jié)點。
       ROADM 的市場可以分為城域，即城市范圍內，和長途，特別是延長距離（>600km）城市之間的應用?？蛻舻男枨?、和多數情況下提供的產品可以是大不相同的。城域應用又可細分為基礎設施 – ROADM由運營商裝備作為公共網絡利用，和客戶接入管理服務 – 典型情況是設備提供的管理服務賣給專門的客戶。根據 RHK 在2005年的統(tǒng)計，主要的 ROADM 產品和供應商如表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.