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可重构光网络中的动态信道
2006年5月23日 10:46  来源:光波通信  作者:Jonathan Homa
    WDM技术和掺铒光纤放大器为人们利用光纤在点到点之间传送大容量的电信业务铺平了道路。

    在纯光域内,单根光纤在几千公里的距离上,传送速率可以超过每秒太比特,因而,每比特的传送成本已经微乎其微。

    但目前迫切的问题是,针对这样一个海量的原始带宽,人们仍然无法对各个单独的光业务流进行高效的自由配置,实现动态路由。

    在光网络中,有两种节点能够对光信号实现路由重构:

    .光分插/复用节点:在该节点,携带本地业务的波长可以上路(插入)或者下路(分离)主业务流。

    .光交叉连接节点:该节点是多根光纤相遇的大型终结点,在此光波长可以在光纤之间进行交换。

    上述节点的原有实现方案具有两种相差很大的性价比:一种,采用便宜的固定波长器件,重构过程是人工的,效率低下又容易出错;另一种,采用光电光(OEO)系统,必须进行光域和电域之间的转换,这样的构造可重构性很强,但价格却很高。

    最近,一种功能强大的用于实现这两种节点的模块:动态波长阻断/均衡器(DWBE)初露端倪。它价格适中,在光域内具有高度可重构性。不久前,这一特性在美国军事GIG BE项目中得到了验证,该项目正是采用了DWBE实现分插/复用节点和交叉连接节点。

    单个波长整形

    DWBE是一种双端口器件,可以通过电控,动态地通过、阻断或者均衡DWDM光纤中的任何或全部波长。它由一个镀金的光模块和一个内置电控板共同构成(见照片)。 

    动态波长阻断/均衡器可以通过电控,动态地通过、阻断或者均衡DWDM光纤中的任何或全部波长。国中器件的规格为22*11*3cm,信道间隔50GHz

    针对DWDM光纤中的各个波长,该器件都能够动态控制滤波特性,从而实现各种功能。(图1)以某器件(支持50GHz信道间隔)为例,在频谱的一部分内展示了这种器件的典型滤波性能。它的重要参数及性能包括:

    .低插入损耗,可将链路损耗预算降到最小。

    .平顶滤波特性和宽的通频带,因而允许多器件级联。

    .针对波长的衰减功能,以满足功率均衡的需求。

    .高消光比,使阻断信号的余量不会干扰新插入的同一波长的光信号。

    .可与多个滤波器相连,以支持多种信道间隔,如25GHz、50GHz和100GHz。

    .可利用软件进行远程实时控制,以支持波长预留和网络恢复的要求。 

(图1)

(图1)

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    单一的模块能够实现多种功能,这是DWBE脱颖而出的原因。若采用多个分立器件实现同样的功能,那么,需要一个波长解复用器、一个有阻断功能的可变光衰减器数组(长途传输的应用中,要达到或多于80个)、一个波长复用器再加光纤;另外还要进行光纤的熔接,才能实现各器件之间的互联。

    相对于分立器件,DWBE的插入损耗低、通频带宽,它的旋光性能也比其它器件好,而且它的尺寸小巧,价格低廉。

    液晶空间光调制器(LC-SLM)和自由空间光学相结合,构成了DWBE的核心技术。通过改变LC-SLM的控制电压,就可以调整通过该器件的光的多少,从而可以将选定的波长通过、均衡或者阻断。

    液晶是用于且唯一投入商用的DWBE技术。其主要优点是:没有需要进行机械移动的部分、可靠性已经得到证实、处理光功率的能力强、可处理多波长、可以无缝级联。其它用于实现DWBE的技术还有微机电系统(MEMS)和平面光波导。

    构造ROADM

    实现分插复用节点的最简单的方法就是将固定波长的三端口滤波器级联,将所需波长下路,然后利用波长固定的光发射机将需要上路的波长直接送入光纤。

    尽管术语中称这种节点为“分插复用(drop/add)”节点,但在大部分的实际应用中,其顺序都是先将需要下路的波长“分离”出来,从而留出相应的空闲波长信道,然后再将需要上路的波长插入到这些空闲的波长信道中进行“复用”。

    上路或下路的波长是由网络设计者提前选定,然后通过固定的硬件配置,进入各滤波器和光发射机。这种节点实现起来很简单,但是不易重构。例如,增加波长时要先进行排序,然后需要人工安装新的光滤波器和光发射机,因此,完成一次重构有时甚至需要耗费几个星期的时间。另外,任何重构调整都必须中断业务,因为用于上/下路的链路是被断开的。

    另外一种更灵活的方案进行波长上下路时需要两个步骤。第一步使用固定频带的解复用器/复用器,提供粗粒度的波长接入,采用这些复用器时,每N个复用/解复用信道之间必须间隔一条保护信道(图2a)。接下来,利用滤波器或者复用器,就可以在各个频带内上下路单独的波长。这种方案采用固定波长器件,重构仍然是人工的。单个频带内的波长可以灵活上下路,不用中断业务。但是,当有新的频带需要插入时,就很可能将业务中断。另外,对波长进行分频带还有一个缺点,就是信道之间必须使用保护信道,因而造成了资源浪费。

    DWBE利用一种称为广播和选定的方法,可以对单个频带内的上下路配置直接赋值(图2b)。光功率分为两部分,一部分进入DWBE进行处理,另一部分进入上下路模块,这样就把要处理的和不要处理的波长分开了,大大的简化了网络配置工作。 

(图2)

(图2)

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    利用DWBE模块通过或者阻断信道就可以灵活实现本地解复用、复用或者滤波,从而不必对波长划分频段,不中断业务地实现特定波长的上下路。利用固定波长器件可以完成波长上下路,像图2b那样,用可调光滤波器和可调激光器可以实现一个完整的可重构的光分插复用器(ROADM)。

    这类ROADM的插入损耗约为11dB,其中包括光分路、耦合带来的各3dB功率损耗,DWBE的损耗为5dB。相当于背靠背使用一个固定波长的平顶带通解复用器和复用器,所以DWBE并没有额外增加插入损耗。此外,光功率的分配可以是不均衡的:可以让上、下路时波长的插损稍大一点儿,因为一般情况下,这里插损稍大一些不会影响系统的整体性能,但却可以保证通过该节点的光波长的插入损耗小一些。

    DWBE还有一个优点就是它的波长相关衰减特性,这个特性可以用来均衡光纤中的光功率,从而补偿波长上下路引起的光功率变化和放大器不平坦所引起的传输性能的劣化。

    设计OXC的新方案

    在光交叉连接(OXC)节点,波长可能在三根或者更多根光纤之间进行交换,有时候本地业务也会在此上下。

    实现OXC的最常用的方法就是采用OEO(光电光)转换。开关把上游送来的光信号解复用并转换到电域进行电交换,之后再转换回光域,并复用到光纤中,送往下游。

    利用OEO开关实现的交叉连接节点可以对信号进行重整形、复位时、再放大和波长变换,但缺点是OEO交换成本极高。另外,对于那些在光域内直接穿越光交叉连接节点的光波长来说,使用OEO实在是大材小用。因为研究显示,交叉节点处大约有75%的业务根本不需要光电转换,只在光域内处理就足够了。

    没有光电变换的最简单的全光交叉连接是利用解复用器和复用器为特定波长提供引入端口,然后利用光纤跳线对波长进行交叉连接(图3a)。这种方法的缺点就是它要人工处理、熟练操作几百根独立的光纤,每一根对应一个波长;所以,除了太过繁杂和容易出错之外,这种方法完全不适合自动恢复和路由重构。

    最初,业界希望采用光开关,例如三维MEMS,来实现自动光交叉连接。但最近几年,大部分这类全光开关都销声匿迹了,因为它们过于复杂,性价比也不理想,很多器件的可靠性也达不到要求。利用光子开关仍然需要对所有的波长进行解复用和复用,还需要人工配置,所以实现交换的成本还是很高。此外,它们是针对几十根光纤汇聚在一个交叉连接节点而设计的,而一般节点只汇聚三四根光纤。

    目前,采用DWBE可以构造出用于连接适当数量光纤的高效率OXC。一个有四根双向光纤的OXC只需要12个DWBE模块(图3b)。搭建系统时,最多只需要一个19英寸机架。 

(图3)

(图3)

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    DWBE最大的优点就是它不需要外部的复用/解复用器,因为它本身具有这些功能,这就大大简化了交叉连接结构,并使各个单元之间的互连光纤跳线以及光纤熔接点减到了最少。此外,DWBE可以进行功率均衡,因而可以调整系统中幅度参差不齐的各个波长光信号的强度。

    它的另一优点就是可实现高度模块化。ROADM加一个DWBE就可以直接升级到OXC,OXC可处理的光纤数量也可以通过添加DWBE模块进行升级。

    价格方面,以同样业务处理能力为前提做比较,这种方法实现的OXC的成本是全光开关实现方法的一半,是OEO开关实现方法的四分之一还少。只是它不能对信号进行重整形、复位时、再放大,也不能进行波长转换

    人们所期望实现的交叉节点的最终目标,就是把基于DWBE的OXC和OEO开关有机的结合在一起;能够根据不同需求,自由选择在全光域内或电域内处理业务;使整个节点的性价比达到最优化。这是发展的趋势。

    目前,DWBE技术已经在长途网络中崭露头角,它是实现ROADM和OXC节点的关键模块。在城域网方面,DWBE技术的应用还处于实验阶段。
 
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