可重构光分插复用器.ppt

第五章 可重构光分插复用器,张敏明： 万助军： 华中科技大学光电学院,第五章 可重构光分插复用器,5.1 全光通信网中的ROADM 5.2 波长阻塞器 5.3 波长选择型ROADM 5.4 波长选择开关 5.5 ROADM技术对比,全光通信网的结构,全光通信网节点设备： 广域网N维OXC； 城域网2维ROADM； 接入网MUX/DEMUX； 环网互连4维OXC。,全光通信网的优点： 投资成本低，因为省去了大量昂贵的高速电子设备； 运营成本低，可靠性提高，因为网络元件大大减少； 体积小，因为省去了光电光转换，设备复杂度下降； 升级方便，因为采用光交换，与通信速率和协议格式无关。,OXC和ROADM是实现动态全光通信网的关键器件,双向光纤环网中的节点设备,双向光纤环网中的ROADM节点结构 ： 当环网正常运行时，两个光开关均为Bar状态，顺时针环网和逆时针环网各传输半数波长； 当线路发生故障时，邻近故障点的两个节点中，靠近故障点的两个光开关均切换到Cross状态，信号经这两个光开关由顺时针环网绕至逆时针环网，组成一个新的两倍长度的环网，而故障点被旁路，在新环网中传输的是所有波长。 当节点内部发生设备故障时，该节点的两个光开关均切换到Cross状态，线路经这两个光开关组成新的环网，故障节点被旁路。,城域网结构的演化,考虑器件的级联特性，光信号能够透明通过的节点数量一般为1624个，而城域网中总节点数量往往达到100150个，因此城域网一般被分成数个互联的环网。 一个新建城域网初始节点一般只有2050个，因此初始的城域网结构相对简单，但是需要为升级扩容作好准备， 因此需要大量的动态器件ROADM和OXC。,ROADM的市场需求,2006年9月，Heavy Reading发布ROADM设备市场研究报告，对之前两年的市场额度进行统计，并对之后五年内的市场发展进行预测，预计2011年较2006年增长246%，市场总额将达到9.2亿美元。,广义的ROADM概念,ROADM从输入端口上/下载任一或任一组波长； OXC将任一输入端口中的任一或任一组波长，切换到任一输出端口； WSS将输入端口中的任一或任一组波长切换到任一输出端口。,由WSS构成的ROADM和OXC,ROADM的分类,广播&选择型ROADM（B&S型）： 损耗低、通带特性好，一个环网中可以串联更多ROADM节点； 初装成本低，初装时只需上/下载少数波长，而升级扩容时只需增加可调滤波器和可调激光器； 上/下载波长数较多时成本偏高。,波长选择型ROADM（WS型）： 体积小； 上/下载波长数较多时成本低的多，特别是基于PLC技术的单片集成方案； 直通信号的损耗偏大，串联节点少； 初装成本偏高。,从结构角度分成 B&S型和WS型：,I类ROADM：每个ADD/DROP端口只能上/下载固定波长； II类ROADM：每个ADD/DROP端口上/下载波长不固定； 波长选择开关； OXC器件。,从功能角度分成四类：,波长阻塞器,第五章 可重构光分插复用器,5.1 全光通信网中的ROADM 5.2 波长阻塞器 5.3 波长选择型ROADM 5.4 波长选择开关 5.5 ROADM技术对比,基于MEMS技术的波长阻塞器,基于MEMS微镜技术 贝尔实验室的Neilson等人报道 可阻塞任一或任一组波长； 具有动态通道均衡功能； 通道数为64，通道间隔为100GHz； IL小于5dB，PDL小于0.35dB； 串扰低于-35dB； 0.5dB带宽和3dB通带宽度分别为58GHz和87GHz； 靠静电吸引扭转MEMS微镜，功耗非常小。,基于液晶技术的波长阻塞器,基于液晶（LC）技术 JDSU公司方案 可以阻塞任一或任一组波长； 具有动态通道均衡功能； 通道数为100，通道间隔为50GHz或100GHz； IL小于5dB，PDL小于0.3dB； 串扰低于-40dB； 0.5dB带宽大于50GHz（通道间隔100GHz）。,基于PLC技术的波长阻塞器,基于PLC技术 Neophotonics公司方案 可以阻塞任一或任一组波长 具有动态通道均衡功能； 通道数为32，通道间隔为100GHz； IL小于5dB，PDL小于0.4dB； 串扰低于-35dB； 0.5dB和3dB带宽分别为50GHz和68GHz； 总功耗13W，包括阻塞器阵列的功耗9W和两个AWG的温控功耗4W,阻塞器采用两级MZI光开关以降低串扰,第五章 可重构光分插复用器,5.1 全光通信网中的ROADM 5.2 波长阻塞器 5.3 波长选择型ROADM 5.4 波长选择开关 5.5 ROADM技术对比,基于PLC技术的WS型ROADM,基于PLC技术的传统ROADM结构： 由于材料不兼容，PD阵列不能集成在PLC芯片上，PD芯片与PLC芯片采用倒装方式封装在一起，通过PLC芯片上的反射镜阵列进行耦合； 采用两级串联光开关以提高消光比。,基于PLC技术、上/下载模块分离的ROADM结构： 上/下载模块分离，提高了可靠性； 具有广播功能。,上/下载模块分离的ROADM节点设备,JDSU和DuPont分别在SiO2/Si和Polymer材料上制作这种结构的ROADM，通道数为40，通道间隔为100GHz。 JDSU器件特性：直通波长IL7.5dB，上/下载波长IL5.8dB，PDL0.5dB，0.5dB带宽为52GHz，串扰-30dB，VOA动态范围为25dB； DuPont器件特性：直通波长IL7dB，PDL0.4dB，0.5dB和3dB带宽分别为40GHz和81GHz，串扰-50dB，VOA动态范围为20dB; 后者采用Polymer材料，热光系数为SiO2的32倍，因此功耗大大降低 。,采用上/下载模块分离结构的ROADM节点设备：,基于PLC技术的多功能型ROADM,贝尔实验室报道的多功能ROADM： 每个分立ADD/DROP端口只能上/下载固定波长，因此归为I类ROADM； 公共ADD/DROP端口可上/下载任意波长组合，可其他ROADM节点互连，相当于一个四维ROADM； 通道数为16，通道间隔为200GHz； INTHRU、IN公共DROP、公共ADDTHRU，IL5.5dB；IN分立DROP，IL=2.64.0dB；分立ADDTHRU，IL=2.23.5dB； 串扰低于-40dB； 3dB带宽为98GHz。,基于PLC+MEMS技术的WS型ROADM,朗讯公司报道的混合结构I类ROADM： PLC技术与MEMS技术相结合； 通道数为16，通道间隔为100GHz； 通道14、1316可用于广播业务； 端口Drop-and-transmit和ADD可与其他ROADM节点互连，相当于一个四维ROADM； THRU端口平均插损为21dB，串扰低于-40dB。,基于PLC技术的WS型II类ROADM,贝尔实验室报道，上/下载模块分离的II类ROADM： 可以同时上/下载N个波长中的任意M个； 每个端口的上/下载波长不固定，因此属于类ROADM； 文献报道直通波长IL为1214dB，下载波长IL为20dB，通过优化，可分别降至7dB和17dB； 串扰低于-40dB。,基于PLC+MEMS技术的WS型II类ROADM,AT&T实验室报道的混合结构II类ROADM： 可同时上/下载N个通道中的M个； 上/下载端口数M小于波长数N，因为每个节点需要上/下载的波长数一般为总数的25%，而且一般不超过50% ； 最早的文献中采用86开关阵列，如果采用1616 MEMS开关阵列，IL小于3.1dB，两个AWG的IL为6dB，则该ROADM的IL小于9.1dB。,第五章 可重构光分插复用器,5.1 全光通信网中的ROADM 5.2 波长阻塞器 5.3 波长选择型ROADM 5.4 波长选择开关 5.5 ROADM技术对比,基于LCoS技术的WSS,澳大利亚Engana Pty公司的Baxter等人报道 LCoS是一种以有源硅片为基底的LC芯片，最初应用于液晶显示领域，硅片上排列着许多控制单元，通过改变各单元上部液晶材料的偏置电压，能够对各单元反射光的相位进行控制；不同波长的光入射到LCoS芯片上的不同区域并发生反射，在某个波长的光斑分布区域，各点反射光相位被单独控制，也就是对波前进行调节，可以控制反射光的角度； 19WSS 通道间隔为50GHz或100GHz，对应通道数为80或40； IL小于5dB； 串扰低于-40dB； 0.5dB通带宽度为80GHz（通道间隔100GHz）。,基于MEMS技术的WSS,贝尔实验室的Marom等人报道 14WSS 通道数为128，通道间隔为50GHz； IL小于5dB，PDL小于1dB； 串扰低于-40dB； 0.5dB和3dB带宽分别为29GHz和38GHz； MEMS微镜阵列的占空比对通道数和IL至关重要。,基于PLC+MEMS技术的WSS,加拿大Metconnex公司的Ducellier等人报道 19WSS 通道数为39，通道间隔为100GHz； IL小于7.6dB，PDL小于0.3dB； 串扰低于-35dB； 0.5dB带宽大于50GHz； MEMS微镜阵列的占空比对通道数和IL至关重要。,基于PLC+MEMS技术的WSS,贝尔实验室的Doerr等人报道 19WSS 通道数为8（目前商用AWG可达40通道），通道间隔为200GHz； IL小于7.5dB，PDL小于0.2dB； 串扰低于-43dB； 未进行通带优化设计，为高斯型通带。,传统的OXC结构,由N个解复用器、M个N(N+K)光开关和N个复用器组成； N根光纤中的M个波长WDM信号，先被解复用为单波长，然后相同波长被导入同一光开关的输入端口，根据业务需要交换到相应的输出端口，最后被复用到各自的目的光纤中，每个光开关中预留了K个输入/输出端口，可以从每个线路上同时上/下载K个波长； 实现方案： 基于PLC技术的AWG+热光开关； 基于PLC技术的AWG+MEMS光开关； 由分立器件组合而成。,OXC也可以由WSS组合而成,第五章 可重构光分插复用器,5.1 全光通信网中的ROADM 5.2 波长阻塞器 5.3 波长选择型ROADM 5.4 波长选择开关 5.5 ROADM技术对比,波长阻塞器技术对比,DCEDynamic Channel Equalization，通道均衡，WB兼有通道均衡功能； 基于PLC的方案，功耗小于13W，其他两种方案，功耗很小可忽略。,WB是B&S型ROADM中的关键器件，其性能对比如下。 基于MEMS技术的方案，通带特性较好，通道均衡范围较小，继续增大通道衰减会因镜面反射角度过大引起色散； 基于LC技术的方案，通道数较多，串扰较低，但是响应速度较慢； 基于PLC技术的方案，通道数相对较少，通道均衡范围较大，与其串扰水平相当，均取决于其中光开关的消光比特性。,WS型ROADM技术对比,MOM-SWMicro-Opto-Mechanical Switch，微机械光开关； TO-SWThermo-Optic Switch，热光开关。,对比前提：前面提到的各种WS型ROADM方案中，有的是具有完整功能的子系统，有的则缺少功率监控和通道均衡功能，为了便于比较，对所有方案均配置成相同结构。 由TFF型WDM和MOM-SW组合而成的ROADM，最早应用且技术最成熟，具有成本优势，但体积和损耗均较大，仅限于8通道以下； 基于AWG和MEMS光开关的方案，在二维MEMS技术成熟之后开始商用，占领16通道以上的市场，但损耗偏大； 单片集成的AWG+TO-SW方案，热光开关发热会造成AWG波长漂移，从材料补偿和温控两个角度着手解决之后，开始商用，具有损耗低、体积小和成本优势。,WSS技术对比,基于LCoS技术的方案，具有最好的通带特性； 基于MEMS技术的方案，端口数相对较少，且工作于50GHz通道间隔时PDL偏大，但工作于100GHz通道间隔时具有很好的特性； 基于PLC+MEMS技术的方案，损耗稍大，通带特性稍差，但也能满足系统要求，而且器件尺寸相对较小； 基于PLC技术的方案，通带优化后能获得较好的特性，缺点是增加端口数会使损耗线性增加，而且功耗较大。,1. 基于PLC技术的WSS，功耗约10W，其他方案的功耗很小，可忽略。,ROADM的发展趋势,ROADM的发展阶段： 基于各种WB技术的类ROADM，被称为第一代ROADM，最早商用，技术已经成熟； PLC单片集成的类和其他类ROADM，被称为第二代ROADM，已达到商用要求，正在逐步推广； 采用各种技术实现的1N WSS，属于第三代ROADM，是当前的研究热点，各种方案相继推出，旨在增加端口数和提高性能，MEMS和LCoS技术是两种最优的解决途径； 基于NN WSS的OXC，被称为第四代ROADM，尚处于技术准备阶段。 ROADM技术的发展趋势： 不断增加器件的维数，并提高波长配置的灵活性，以适应全光通信网不断扩展和结构复杂化的需求。,参考文献,Eldada L. Advances in ROADM technologies and subsystems. Proc. of SPIE, 2005: 597022 Tomlinson W. J. Wavelength-selective switching-architecture and technology overview. OFC2004: WC3 Baxter G., Frisken S., Abakoumov D. Highly programmable wavelength selective