[图]ROADM — 当前光通信发展的一大热点

ROADM — 当前光通信发展的一大热点
陈 益 新
上海交通大学

         摘要： 随着通信业务包括以话音、数据和视频图像等多媒体业务的逐年迅速增长，不仅对光网络的传输容量、速率、距离和传输质量的要求不断提高，近年来更对光网络构建的灵活性，以及特别对光网络的建设和运行维护费用的降低尤为关注。从而对光通信器件提出了新要求，光器件和光模块的可重构性已成为当前竞相发展的一大热点。本文将就ROADM光模块的相关技术、应用现状和发展趋向略作分析和讨论。
关键词：光通信、可重构、光集成器件和模块、灵活光网络。

         近年来通信业务，包括以话音、数据和视频图像等多媒体业务的逐年发展，特别是数据和视频传输的业务量迅速增长，不仅对光网络的传输容量、速率、距离和传输质量的要求不断提高，而且近年来更对光网络构建的灵活性，以及特别对光网络的建设和运行维护费用的降低尤为关注。这些也就是光器件和光模块发展的动力和方向。可重构性已成为发展中的光网络对光器件和光模块要求的重要特征。本文将从新发展的电信业务对光网络的要求出发，分别就可重构光器件和光模块所应用的技术、现状和发展趋向略作分析和讨论。

         发展中的光网络

         从全球范围看，光网络建设的重点已从干线光网走向城域光网和接入光网。由于新业务的出现，特别是为了能支持多媒体三重业务（语音、数据和视频），传统的光网络面临着要能与互连网(IP)适应的转变。三重业务网络基本上不同于以往的网络，它必须在单一网络上支持多种高带宽服务如 IPTV、VoD和网上游戏等。也不象传统的光网只是点到点连接，三重业务网多数是分布的、多点的、并且范围很广。
当电信业务量以语音为主时，一般来说其业务量每年约以 8~10% 递增。如今増加了数据和视频业务，每年业务量増长超过 50~100%。可以预期今后十年由于大量消费业务的宽带服务（如 IPTV、VoD等），在城域光网上居民方面的宽带通信负荷增长速度将远远超过企业方面。有人就美国从2005年到2015年的城域网上居民和企业通信业务量増长作了估算和比较。十年内总增长268Tb /s，大部分是由于消费性的高速宽带服务的大量提供。表1是对美国从2005年到2015年的城域网上居民和企业通信业务量増长的估算和比较。

         虽然大家相信今后十年大量通信业务会来到，但是实际情况难以预料和变化多端。有雄心的运营商不会等到商机十分明朗以后再开始动作，需要有预见和冒一定风险。光网建设既不能直接按照今后长远需求，但也不能只限于眼前的业务。这种网络的光层必须是十分灵活并可随时扩大规模，在容量、传输距离和网络重构方面提供无限制的增长和扩展而不影响和不破坏已有的设施和服务。这种网络应该是：
         多拓扑系统结构的可能，例如环网、网格网等
         多种波长密集度选择和变换，例如 DWDM、CWDM等
         能够完全遥控重构网络，例如 ROADM, WXC 等
         光路完全透明并有多种服务的传输、交换和保护
另外，这种光网络具有网元智能化，以便于管理，使运行简单化；并能实现多播连接和非对称连接以支持居民消费服务。
图1表示一个未来能支持三重业务的网络的基本系统结构，包括三主要部分：接入、IP/MPLS 和光层。灵活性光层对服务的接入网和IP/MPLS 网络层提供全部传输和路由，同时也能直接递送一些服务到终端用户，例如高速以太网或 SAN 等。

         图2表示一种广播视频分布网络解决方案，包括 ROADM、OEO波长开关和分出/继续(Drop & Continue)。柔性是灵活光网的主要特征，ROADM 和 WXC 平台是多媒体三重业务光网的关键部分。提高网络的灵活性和降低建设成本和运行维护费用是发展中城域光网和接入光网的主要目标之一。

高性能的光网应为网络运营商提供多种解决方案的设计和计划的选择，这包括：
 *    每个连接都能有 2.5Gb/s、10 Gb/s、10 Gb/s 或混合信道的选择
 *    完全可调谐或固定转发器(transponder)的选择
 *    G.709 FEC 或扩充的FEC的选择
 *    可提供分出/继续(Drop & Continue)的选择
 *    可提供单向转发器及插入/分出复用器（对称业务）
 *    光放大和色散补偿的广泛选用
    以往的 DWDM 城域光网只是包括3-6个节点的小型环网。发展中的城域光网的系统结构应是能支持包括20-50个节点群的网格网。为降低这种扩大光网的成本，无再生的光透明传输距离至少应达1000公里，包含的光网节点在16个以上。为了使网络结构能不断扩展，每个节点的连接维度必须在不影响现有业务的情况下增加，网格网的节点的连接应能扩充到 8 度。图 3 表示具有二个连接环的基本网络[2]，在二个环的连接处的节点是 4 度WXC，其他的节点都是2度ROADM,其中还有二个节点是可升级的在线放大器ILA。

可重构光插/分复用器（ROADM）

在光网中由多波长传输大量信息需要在节点上进行交换。目前交换信息的常规方法是把从光纤输入的光信号转换成电信号，在电域内实现交换，再把电信号转换成光信号送到输出光纤。这种光-电-光转换的系统成本高、体积大而且与速率/协议有关。可重构光插入/分出复用器（ROADM）可以避免 O-E-O 转换。采用光交换的 O-O-O 系统可以有效降低建设成本和运行费用，提高可靠性。
下一代 DWDM 系统总的来说可归结为能提供遥控重构能力的ROADM，在一个节点上让多个波长分别插入、分出或直接通过。确切地说，直到最近，投入实际商业应用的 ROADM 系统并不多，尚处于试运行阶段。但是，今天每一个 ROADM 供应商都竞相宣告有基于各种不同的技术的 ROADM 产品。ROADM所采用的器件技术要在滤波器带宽、级联能力、开关时间、网格规模、可靠性、集成度和成本等诸因素间作出选择。波长阻断器(WB)、集成平面光路(iPLC)、波长选择开关(WSS)将成为发展中可重构光网的主要技术，下面分别作讨论。
波长阻断器(WB)是最简单的交换器件，它允许特定的波长通过或阻断。图4 应用波长阻断器(WB)构

成的ROADM系统[2]，图中只表示了单方向的信号流。因为这里没有实际的交换发生，波长阻断器有时被看成为 1x1光开关。阻断器通常采用液晶技术，但其他方法也可用如 MEMS 等。波长阻断器利用一组连续的单元以阻断波谱，它能支持不同的信道间隔，例如100Gb/s和50Gb/s混合的信道可由单个器件提供。这能力目前尚未在任何现有系统上应用，但能提供今后10Gb/s和40Gb/s混合系统采用的可能。波长阻断器是成熟技术，但由于解决方案不易集成使成本比较高。图5是Xtellus公司采用液晶技术设计制造的波长阻断器和ROADM模块。Xtellus 波长阻断器可以应用于C波段或L波段间隔为100GHz或50GHz的DWDM系统，插入损耗小于5dB, 消光比大于40dB，动态均衡可达15dB。Xtellus 的ROADM模块具有波长分出、插入、阻断和直通、均衡和功率监视等功能，可用于C波段或L波段间隔为100GHz的DWDM系统，输入到输出的全部插入损耗不大于8.5 dB, 功耗低于4w。

       利用集成平面光路(iPLC)技术的ROADM相对于波长阻断器由于或是直通或是插入到输出之间增加了交换使设计增添复杂度。iPLC 通常采用阵列波导光栅 (AWG) 将信号分出不同波长以及利用热驱动的MZI开关改变或是直通或是插入的波长路径。应用iPLC的ROADM系统的设计如图6所表示，通过集成化可以降低成本，但也与用波长阻断器一样不能构成网格。目前iPLC技术初步应用的是小规模开关（2 x1）。要构成规模大的开关模块比较困难，因为当输入和输出之间交叉数量增加时将导致衰减和复杂度大大增加。

         图7表示由JDS Uniphase公司开发的应用iPLC的32信道 iPLC ROADM的系统结构[3]。ROADM分成二部分，分出方面的解复用(DEMUX-T)模块和可重构光插入复用(ROAM)模块。ROAM模块包含2 x1开关和可变光衰减器（VOA）使任意信道插入或直通。插入信道也有单独的快门供隔离用。另外，每一个分出、插入和直通路径都有集成的抽头将信号送到安装一起的探测器阵列。因而，本模块包含有96个滤波器、96个抽头、96个光电探测器、32个开关、32个VOA、32个快门。iPLC 芯片的照相也插于图7中下方。
光交换元件发展的下一步是波长选择开关 (WSS)。与 iPLC相比WSS增加了交换维度，能用来构成网格，还可改善直通信道的性能。WSS应用于网格节点开始不久，但WSS模块已能从几家供应商获得。现有的解决方案可在4到10个端口之间交换波长。最初的装置是用MEMS微镜的自由空间光开关将波长引到特定端口。基于液晶和PLC技术的WSS也开发完成， 用LC和PLC作成的WSS其优点是比较可靠，因为它是固态器件，没有活动部分。对PLC构成的器件来说，其级联能力和插入损耗仍是人们关注的问题。基于LC的设备也许能应用于有限的光广播。这可能对节点设计有重要意义，它可以明显降低分束损耗，如果广播通过光开关实现。图7表示一种应用WSS的ROADM子系统的设计，这可以升级为网格[2]。为了支持光广播，一部分分出信号被送到分出边，而WSS应用于插入边。

        在选用ROADM时，要考虑几个基本特性。有些如iPLC只能提供特定波长到特定的输出端口，而WSS可以造成与波长无关（无色）的输出端口。严格地说，只有波长无关器件才是真正的波长选择开关，提供必须的功能以支持网格所要求的多度节点。多度节点的插/分能力可用固定复用器来实现如图7所示。一种真正的无色方案可通过采用WSS代替固定复用器来实现，如图8所示，但成本增加。

图9 metconnex 的1 x9 WSS，有十个端口100GHz 的波长选择开关的产品照片（a）和系统结构（b）。

图9是 metconnex 公司研究开发的 1x9 WSS，有十个端口的100GHz 波长选择开关，由PLC和MEMS技术的混合集成。它可以将每一个输入波长传送到9个输出端口中的任意一个。模块构成包含有解复用和复用器、无阻塞开关、波长阻断器和可变光衰减器，并具有对每端口每波长功率监视的能力，可应用于有色或无色的多度ROADM系统。

ROADM 的市场机遇

一般说来，ROADM作为光网络单元具有遥控插入和分出的功能，并可以使任意波长通过任意节点而

表2  ROADM 供应商名单[4]

 
不须经过 OEO 的变换，对通过的波长不影响其传输，对节点上插入和分出的波长数没有限制。按照RHK的分类，将 ROADM 分成两类。第一类 ROADM 能够使用软件控制波长路由，但是运营商需要决定那些波长用来分出和插入，在节点上每个入口和出口需要配置相宜的设备，并对其进行调配。这类 ROADM 采用固定的滤波器、固定的或可调谐激光器，采用可调谐激光器是为了降低库存，而非其可以遥控重构的好处。每个节点分出和插入的可能是预先设置的，目前安装的多数属于这一类。第二类 ROADM 具有最大的重构性，允许运营商动态选择波长，最终采用可调谐激光器和可调谐探测器实现最大重构和遥控操作。虽然第二类 ROADM 比第一类 ROADM 价格高，但是其灵活性更大。而且第二类 ROADM 的系统结构可能直接升级到更高自由度的交换节点。
       ROADM 的市场可以分为城域，即城市范围内，和长途，特别是延长距离（>600km）城市之间的应用。客户的需求、和多数情况下提供的产品可以是大不相同的。城域应用又可细分为基础设施 – ROADM由运营商装备作为公共网络利用，和客户接入管理服务 – 典型情况是设备提供的管理服务卖给专门的客户。根据 RHK 在2005年的统计，主要的 ROADM 产品和供应商如表2所列[4]。

参考文献：
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.