ROADM — 當(dāng)前光通信發(fā)展的一大熱點

        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，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，而且近年來更對光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的靈活性，以及特別對光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)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)展的動力和方向?？芍貥?gòu)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(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)只是點到點連接，三重業(yè)務(wù)網(wǎng)多數(shù)是分布的、多點的、并且范圍很廣。

        當(dāng)電信業(yè)務(wù)量以語音為主時，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)量増長超過 50~100%?？梢灶A(yù)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(fù)荷增長速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過企業(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)量増長作了估算和比較。十年內(nèi)總增長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)會來到，但是實際情況難以預(yù)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(yù)見和冒一定風(fēng)險。光網(wǎng)建設(shè)既不能直接按照今后長遠(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擴大規(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和擴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

        另外，這種光網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)元智能化，以便于管理，使運行簡單化；并能實現(xiàn)多播連接和非對稱連接以支持居民消費服務(wù)。
        圖1表示一個未來能支持三重業(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(biāo)之一。

        高性能的光網(wǎng)應(yīng)為網(wǎng)絡(luò)運營商提供多種解決方案的設(shè)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(diào)諧或固定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)器及插入/分出復(fù)用器（對稱業(yè)務(wù)）
  光放大和色散補償?shù)膹V泛選用

        以往的 DWDM 城域光網(wǎng)只是包括3-6個節(jié)點的小型環(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個節(jié)點群的網(wǎng)格網(wǎng)。為降低這種擴大光網(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)點在16個以上。為了使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能不斷擴展，每個節(jié)點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)點的連接應(yīng)能擴充到 8 度。圖 3 表示具有二個連接環(huán)的基本網(wǎng)絡(luò)[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(gòu)光插/分復(fù)用器（ROADM）

        在光網(wǎng)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(zhuǎn)換成電信號，在電域內(nèi)實現(xiàn)交換，再把電信號轉(zhuǎn)換成光信號送到輸出光纖。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)成本和運行費用，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(yīng)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(yīng)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、開關(guān)時間、網(wǎng)格規(guī)模、可靠性、集成度和成本等諸因素間作出選擇。波長阻斷器(WB)、集成平面光路(iPLC)、波長選擇開關(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(yīng)用波長阻斷器(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(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(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)計制造的波長阻斷器和ROADM模塊。Xtellus 波長阻斷器可以應(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，動態(tài)均衡可達(dá)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(shù)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(shè)計增添復(fù)雜度。iPLC 通常采用陣列波導(dǎo)光柵 (AWG) 將信號分出不同波長以及利用熱驅(qū)動的MZI開關(guān)改變或是直通或是插入的波長路徑。應(yīng)用iPLC的ROADM系統(tǒng)的設(shè)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(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，因為當(dāng)輸入和輸出之間交叉數(shù)量增加時將導(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(guān)、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(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)點開始不久，但WSS模塊已能從幾家供應(yīng)商獲得?，F(xiàn)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(guān)將波長引到特定端口。基于液晶和PLC技術(shù)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(gòu)成的器件來說，其級聯(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。這可能對節(jié)點設(shè)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(guān)實現(xiàn)。圖7表示一種應(yīng)用WSS的ROADM子系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)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(guān)（無色）的輸出端口。嚴(yán)格地說，只有波長無關(guān)器件才是真正的波長選擇開關(guān)，提供必須的功能以支持網(wǎng)格所要求的多度節(jié)點。多度節(jié)點的插/分能力可用固定復(fù)用器來實現(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)用器來實現(xiàn)，如圖8所示，但成本增加。

        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(guān)，由PLC和MEMS技術(shù)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(gòu)成包含有解復(fù)用和復(fù)用器、無阻塞開關(guān)、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(yīng)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(wǎng)絡(luò)單元具有遙控插入和分出的功能，并可以使任意波長通過任意節(jié)點而不須經(jīng)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(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(shè)備，并對其進行調(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存，而非其可以遙控重構(gòu)的好處。每個節(jié)點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，允許運營商動態(tài)選擇波長，最終采用可調(diào)諧激光器和可調(diào)諧探測器實現(xiàn)最大重構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)，和長途，特別是延長距離（>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由運營商裝備作為公共網(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，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.
        3. David J. Dougherty, OFC/NFOEC’2005, paper OThN5.
        4. Dana A. Cooperson, OFC/NFOEC’2005, paper NThK3.