（通信与信息系统专业论文）一体化oadmoxc节点结构研究.pdf

摘要： 信息化是当代经济和社会发展的迫切需求和必然趋势，各种 新的基于多媒体通信业务的出现，对通信网络的带宽、成本和自 愈恢复功能等提出了更高的要求。光纤的巨大潜在的带宽和密集 波分复用( d w d m ) 技术的成熟应用，使光纤通信成为支撑通信传 输网络的主流技术。 本文在传统的一体化o a d m 0 x c 节点结构基础上。提出了 改进的一体化0 a d m o x c 节点结构。一种将o a d m 的功能重 点与0 x c 的功能重点有机地结合起来从而更好的适应网络发展 的节点结构，同时电对传统的一体化o a d m 0 x c 节点结构和改 进的一体化o a d m ，0 x c 节点结构中的同频串扰进行了分析比 较，并且给出了各自的仿真结果，结果显示，改进的一体化 o a d m o x c 节点结构中的同频串扰要明显小于传统结构。尤其 是当节点需要对大量的输入输出光纤进行交叉连接。同时需要多 个光通道上下路时，改进后的一体化节点结构具有更加明显的低 同频串扰优势。 关键词 全光网o a d mo x c一体化0 a d m o x c 同频串扰 a bs t r a c t t h ei n f - o 肌a t i o n 仙m si st h eu r g e n tn e e d a n di n e v i t a b l e t r e n di nc o n t e n l p o r a 叫e c o n o m ya n ds o c i e t y sd e v e i o p m 锄t t h ea p p e a r a n c eo fn e wk i n d so fc o n m l u n i c a t i o nt r a 珩ct h a t b a s e do nm u l t i m e d i ap u tf o n v a r dt h eh i g h e rr e q u e s to nt h e n e t w o r k s b a n d w i d t h ， c o s ta n dr e c o v e r sf _ u n c t i o n f i b e r o p t i c sh u g eb a n d w i d t ha n dt h em a t u r ea p p l i c a t i o no f d w d mm a k e f i b e r o p t i c c o m m u n i c a t i o nc h e m a j o r i e c h n o l o g yi nt o d a y st r a n s m i s s i o nn e t w o r k t h i sp a p e rp u tf o 九 ，a r da ni 瑚p r o v e m e n ti n l e g r a l i v e o p c i c a la d da n dd r o pm u l t i p l e x e r o p t i c a lc r o s s c o n n e c fn o d e ( o a d m o x c ) o nt h eb a s i so ft r a 出t i o n a l0 a d m o x c ， a n da n a l y z e dt h ec r o s s t a l ko ft h i st w ot y p eo fo a d m o x c t h er e s u i ts h o w st h a tt h ei m p r o v e m e n to a d m o x ch a s l o w e rc r o s s t a l kt h a nt h e 仃a d i t i o n a l0 a d m o x c ，a n di ft h e n o d eh a sl o t so fo p t i c a lf i b e r st oc r o s s - c o n n e c tt h e i m p r o v e m e n to a d m 0 x ch a sm o r ea n do b v i o u s l y1 0 w c r o s s c a l ka d v a n t a g e k e y w o r d s ：a l l - o p t i c a ln e 帆o r k o a d mo x c i n t e g r a t i v eo a d m 0 x c c r o s s t a l k 北京交通大学硕士学位论文 引言 信息化是当代经济和社会发展的迫切需求和必然趋势，是下一世纪 国家和世界经济竞争的制高点，建立一个高速、宽带、智能化的信息基 础设施是国民经济进一步发展的前提。目前，网络带宽正以每6 9 个月 翻一番的速度急剧增长，同时出现了各种新的基于多媒体的通信业务， 对通信网络的带宽、成本和自愈恢复功能等提出了更高的要求。 光纤巨大潜在的带宽和密集波分复用( d w d m ) 技术的成熟应用，使 光纤通信成为支撑通信传输网络的主流技术。经过近十年的发展， d w d m 技术已经取得了巨大的突破单波长传输速率已达到4 0 g b i “s 。 目前全球实际敷设的d w d m 系统已经超过5 0 0 0 个，一些公司，如 n 0 r l e i ，l u c e n t ，s i e m e n s 等已经推出传输速率高达1 6 t b ，s 的d w d m 传输系统。 上述实用化的d w d m 系统基本上是基于点到点的通信，节点交换 机还是纯电子式的。节点不仅要处理与本节点有关的上下信息流，而且 还要处理与本节点无关的过往高速信息流，于是使得电子瓶颈的矛盾大 为突出，也大大增加了冗余交换机的容量成本。在d w d m 点对点传输 的基础上，再引入波长路由光交换技术，为进入节点的高速信息流提供 动态光域处理，仅将属于该节点及其子网的信息交由电交换设备继续处 理，这样不但可以克服纯电子交换的容量瓶颈问题，而且还可以大大增 加网络重构的灵活性。为了有效地达到这一目的，就需要采用光分插复 用器( o a d m ) 、光交叉连接器( o x c ) 和光层网络管理系统等技术，形成 所谓的光网层，在光域实现高速信息流的传输、交换、路由、性能监测 和故障恢复等功能。 北京交通大学硕士学位论文 在文章的第一部分，我们对w d m 全光网技术进行了简要的介绍， 点出其中所用到的几种关键技术，包括o a d m 和o x c 等；文章的第二 部分和第三部分重点介绍了q 蚰m 和o x c 的功能以及各自的节点结 构：文章的第四部分，在传统的一体化o a d m ，0 x c 节点结构基础上， 提出了作者的研究重点改进的一体化o a d m ，o x c 节点结构 种将o a d m 的功能重点与o x c 的功能重点有机的结合起来从而更好的 适应网络发展的节点结构；在最后一部分，我们对o a d m 和o x c 节点 结构中的串扰( 主要是同频串扰) 进行了详细的理论分析，同时也对传统 的一体化o a d m o x c 节点结构和改进的一体化o a d m o x c 节点结构 中的同频串扰进行了分析比较，并且给出了各自的仿真结果，结果显示， 改进的一体化o a d m ，o x c 节点结构中的同频串扰要明显小于传统结 构。尤其是当节点需要对大量的输入输出光纤进行交叉连接同时需要 多个光通道上下路时，改进后的一体化节点结构具有更加明显的低同频 串扰优势。 北京交通大学硕士学位论文 1 w d m 全光网技术及其发展 1 1 全光网概述 在光纤通信系统中，为了合理利用光纤的巨大潜在带宽容量，以创 造更多的效益，光纤传输速率在不断提高，这种速率的提高也带来了一 个新的问题，那就是在这种超高速传输的网络中，如果网络节点处仍以 电信号处理信息的速度进行交换，就会受到所谓“电子瓶颈”的限制， 节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光 电和电光转换费用所抵消。为了解决这一问题，人们提出了全光网的 概念。 从原理上讲，全光网就是通信网中一直到端用户节点之间的信号通 道一直保持光的形式，叩端到端的全光路，中间没有光电转换器。这样， 网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程中无需面对电 子器件速率难以提高的困难。 概念化的全光网由全光内部部分( 含有波长路由功能的光交叉连接 设备( o x c ) ) 和外部部分( 一个通用网络控制部分) 组成。内部全光网是 透明的，能容纳多种业务格式，网络节点可以通过选择合适的波长进行 透明的发送或从别的节点处接收。通过对波长路由的o x c 进行适当配 置，透明光传输可以扩展到更大的距离。外部控制部分可实现网络的重 构。使得波长和容量在整个网络内动态分配以满足通信量、业务和性能 需求的变化并提供一个生存性好、容错能力强的网络。 全光网具备如下以往通信网和现行光通信系统所不具备的优点： 1 全光网通过波长选择器来实现路由选择，即以波长来选择路由， 对传输码率、数据格式以及调制方式均具有透明性，可以提供多种协议 北京交通大学瑛士学位论文 业务，可不受限制地提供端到端业务。透明性是指网络中的信息在从源 地址到目的地址的过程中，不受任何干涉。由于全光网中信号的传输全 部在光域中进行，信号速率、格式等仅受限于接收端和发射端，因此全 光网对信号是透明的。 2 全光网不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可咀支持未来 的宽带综合业务数字网以及网络的升级。 3 全光网络具备可扩展性，加入新的网络节点时，不影响原有网 络结构和设备，降低了网络成本。 4 可根据通信业务量的需求，动态地改变网络结构，充分利用网 络资源，具有网络的可重组性。 5 全光网络结构简单，端到端采用透明光通路连接，沿途没有变 换与存储，网中许多光器件都是无源的，可靠性高、可维护性好。 由于全光网具有以上的优点，因此而成为宽带通信网未来发展的目 标。 1 2 全光网中的关键技术 全光网的透明性、可扩展性、可重构性等特点要靠光器件来实现。 从目前来看，主要的全光网关键技术大致有以下几种： 1 光分插复用( o a d m ) 技术 o a d m 节点的功能是从、d m 传输线中有选择性地分下一个或多 个波长光信号并插上一个或多个波长光信号，但不影响其它不相关波长 信道的光信号传输。o a d m 实现的功能类似于s d h 分插复用器( a d m ) 在时域内实现的分插功能，但o a d m 工作在光域内，并且具有传输透 明性，可以处理任何格式和速率的信号。就节点功能分类，o a d m 有两 北京交通大学硕士学位论文 种类型：固定波长型和可变波长型。固定波长型o a d m 只能分插一个 或多个固定的波长信道，节点的路由是固定的。该类型的o a d m 缺乏 组网灵活性，但性能可靠、没有延时。可变波长型o a d m 能动态地调 节节点的分插波长信道，实现光网络的动态重构。该类型的o a d m 通 常采用光开关或可调谐光器件等构成o a d m 的核心光分插复用单 元，结构复杂，但可以使网络的波长资源得到良好的分配。 典型的o a d m 是由o a d m 单元、光复用解复用器、光放大器等 器件组成，具备单波长信道光功率均衡、光功率光信噪比误码率检测 以及节点网元管理等功能。 2 光交叉连接( o x c ) 技术 o x c 是全光网中的核心器件，它与光纤组成了一个全光网络。o x c 交换的是全光信号它在网络节点处对指定的波长进行互连，从而有效 地利用波蚝资源，实现波长的重用也就是使用较少数量的波长，互连 较大数量的网络节点。当光纤中断或业务失效时。o x c 能够自动完成故 障隔离、重新选择路由和网络重新配最等操作，使业务不中断，即它具 有高速光信号的路由选择、网络恢复等功能。o x c 除了提供光路路由选 择外，还允许光信号插入或分离出电网络层，它的功能类似于s d h 中 的交叉连接器( d x c ) 。 o x c 可用于物理网络管理和波长管理。物理网络的管理主要是指故 障路由的恢复和灵活的选路；波长管理是指对一根光纤中的多种波长进 行管理，一个理想的波长选路的0 x c 包含波长级的交换、波长转换、 波长复用和解复用，以及波长信号的监测等功能。 3 光放大器 北京交通大学硕士学位论文 光放大器的基本功能是为信号提供增益，补偿功率损耗。目前最普 遍使用的是掺铒光纤放大器( e d f a ) 。e d f a 是上世纪八十年代末发展 起来的一种新型光放大器件，它具有高增益、低噪声、宽频带，以及对 数据速率与格式透明等特点。它可以对波长在1 5 3 0 1 5 7 5 胁的光信号 同时放大。在1 5 5 0 砌波段，e d f a 的放大增益可达3 0 4 0 d b 。e d f a 不但结构简单、与光纤耦合方便，而且连接损耗小。e d f a 可用于1 0 0 个光通道以上的密集波分复用传输系统、接入网中的光图像信号分配系 统、空间光通信，以及用于研究非线性现象等。e d f a 是目前光放大技 术的主流，它能简化系统，降低传输成本，增加中继距离，提高光信号 传输的透明性，是实现全光网的关键器件。与静态的点到点传输系统不 同的是，全光网络一方面需要动态重构，以提高灵活性，另一方面也会 引起网络中像e d f a 这样的有源器件的瞬态和非线性响应，导致信道性 能的波动。因此，为维持传输的质量，网络中的e d f a 不仅需要均衡， 而且需要动态地控制增益。 4 控制和管理技术 在全光网中w d m 技术的应用一方面带来了波长路由的好处，增 强了灵活性，但另一方面也带来了w d m 网络本身的管理问题。总的来 说，全光网中的管理包括以下三个方面：结构管理，包括波长路由和波 长转换，即在光波长层次上提供和重构网络：物理性质( 或光学特性) 的 管理，包括光功率、噪声、色散和波长对准等的管理，目的是维持连接 的性能：差错管理，包括局部或全部的保护倒换。如对光纤的折断和节 点的损坏做出反应等。 1 3 全光网的发展现状 北京交通大学硕士学位论文 现阶段全光传送网的研究与试验主要是以d w d m 技术为核心，对 波分复用的传输、交换和联网技术进行研究与试验。在传输方面，将掺 饵光纤放大器( e d f a ) 用于波分复用传输系统，实现了大容量长距离全 光传输。在交换技术方面。波长路由选择的引入使波分复用全光网在交 换节点上具有独特的优势：可以实现光层上的信息交换，克服了电子交 换瓶颈现象，且结构简单灵活，易于网络升级。预计在全光通信网中， 波分复用光交换技术将会得到广泛应用。在联网技术方面，基于w d m 的全光传送网与现有的s d h 网已实现了很好的互联，口o v e r w d m 技 术也在积极地发展之中。这一切都为我们展现了w d m 全光传送网的美 好前景。 北京交通大学硕士学位论文 2 o a d m 的基本功能与结构 2 1o a d m 的基本功能 驯旧m 是波分复用( w d m ) 全光网络的关键器件之一，类似于s d h 中的a d m 设备，q m m 的基本功能是从w d m 传输线路上选择性地分 下和插上某些光通道，而不影响其它光通道的透明传输：如果选择某个 或某些固定的波长通道进行分插复用，则称为固定波长型o a d m ，如果 分插复用的波长通道是可配置的，则称为可变波长型o a d m ，当然也 可以是前两种情况的综合，称为半可配置型o a d m 。o a d m 有效地克 服了传统电子a d m 设备的电子瓶颈限制，大大拓展了网络带宽。 当然一个完整的0 a d m 系统还应该具有以下附加功能； 1 线路( 或称复用段) 及通道保护倒换功能。支持各种自愈环，包 括二纤单向复用段保护环、二纤单向通道保护环、二纤双向复用段保护 环、二纤双向通道保护环、四纤双向复用段保护环。和链型组网等。 2 光中继放大和均衡功能。每个o a d m 节点根据需要可具有光功 率放大功能，以弥补光线路和0 a d m 节点本身带来的光功率损耗，使 o a d m 节点设备适应不同跨距的应用：同时o a d m 节点也可根据需要 配置光功率均衡功能( 包括线路光功率均衡和通道光功率均衡) ，以提高 传输系统的性能。 3 上路光通道波长指配、下路光通道端口指配功能。这是一种独 特的功能，具有这种功能的o a d m 可以使某一上路信号以不同的波长 接入光网络，相当于接入波长转换单元( o u t ) 具有可调偕波长变换功能， 而下路信号可以指配到不同的光纤端口；具有这一功能可以极大地扩展 o a d m 在实际组网应用中的灵活性。 北京交通大学硕士学位论文 4 多业务接入功能。如s t m n 系列s d h 信号的接入和千兆以太 网信号的接入等。 根据具体应用场合的具体要求，可以配置不同的基本功能和附加功 能。 2 2o a d m 的结构 2 2 1o a d m 的物理模型 一般的o a d m 节点结构可以用四端口模型来表示，如图2 1 所示， 幽2 1o a d m 的占术功能框图 其基本功能包括三项： “ 下路需要的波长信号， 复用进上路信号，使其 它波长信道尽量不受 影响地通过节点。 o a d m 具体的工作过 程如下：从线路来的 w d m 信号包含n 个波长信道，进入o a d m 的输入端，根据业务需求， 从n 个波长信道中，有选择性地从下路端( d r o p ) 输出所需要的波长信 道，同时相应地从上路端( a d d ) 输入所需要的波长信道而其它与本地 无关的波长信道就直接通过o a d m ，和上路波长信道复用在一起后，从 o a d m 的线路输出端输出。 2 2 2 基于复用解复用器和空间交换单元的o a d m 这种方案的优点是结构简单，分插复用控制方便，器件成熟。如复 用解复用器都可以用普通的薄膜滤波器型或阵列波导光栅( a w g ) 型， 空间交换单元一般采用光开关和光开关阵列。此种结构的分插复用单 北京交通大学硕士学位论文 元，串扰主要来自于复用解复用器，但如果复用器也采用滤波器型器 件，会大大减小系统的串扰。这是目前较为流行的分插复用结构方案。 图2 2 是对这种方案的具体实现。 解复用器复用器 上婚信号下路信呼 1 1 1 2 2 丛于复i j 解复_ | i j 糕和光) i ：芙的o a d m 号 从图2 2 中可以看到，输入的w d m 信号在解复用器中被解开成单 波长信号。当通过光开关时，由光开关决定每一路信号是下路还是直通。 由于每路波长信道都要经过一个光开关，调整各个光开关的开关状态就 可以实现不同波长信道的上下路，从而实现o a d m 的上下话路功能。 在这种o a d m 结构中，光开关是它的核心技术。下面我们详细介 绍一些光开关的有关技术。 传统的光开关主要有波导光开关和机械光开关两种类型。波导光开 关的开关速度在微秒到亚毫秒量级，体积小且易于集成为阵列，但其插 入损耗、隔离度等指标较差。机械光开关虽然有较低的插入损耗和串扰， 但是体积庞大、可扩展性一般，不适合用于大规模开关矩阵及在o x c 北京交通大学硕士学位论文 中应用。随着技术的不断发展，新材料的不断涌现，目前已出现了微电 机械开关、喷墨气泡开关、液晶光开关、全息光栅开关等诸多新型器件。 表征光开关特性的主要有开关速度、开关矩阵规模、插入损耗、串扰、 偏振敏感性、可靠性以及可扩展性等参数。基于不同的应用，采用不同 技术的光开关的发展也不尽相同。以下是对几种主要光开关的分析比 较： 1 微电机械光开关 微光电机械系统( m e m s ) 光开关通过静电或其他控制力使活动的 微镜发生机械转动，从而改变输入光波的传播方向从而实现开关功能。 这种类型的二维光开关阵列插入损耗小于4 d b ，开关时问小于1 0 m s ：由 于受光程损耗的限制，最大可以实现3 2 3 2 端口，不过可将多个阵列 连接起来形成大的交换矩阵。m e m s 光开关可用类似i c 的工艺成批量 生产，成本低、具有很强的竞争力：由于m e m s 的特性与光信号的格 式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等无关，且在损耗、扩展 性能上优于其它类型。因此m e m s 光t 刀：关及阵列有可能成为核心光交 换器件中的主流。 2 马赫一曾德干涉仪型开关 这种光开关由两个3 d b 耦合器和两个波导臂组成，通常是在铌酸锂 ( l i 卜m 0 3 ) 衬底上制作一对平行光波导，波导两端分别连接一个3 d b 的y 型分束器，通过注入波导臂的电流改变其折射率，使光程发生相应变化 形成相干增强或相消，达到开关的目的。其优点是非机械性开关即速度 快，达到微秒量级，但缺点也很明显，消光比仅在2 0 d b 左右。为实现 更快的开关速度和更低的插入损耗，最近出现了利用半导体光放大器混 合集成的对称马赫一曾德型全光开关。它将半导体光放大器集成在硅基 北京交通大学硕士学位论文 平面干涉仪的两臂上。通过对两臂施加超短控制光脉冲( 宽度为2 p s ，频 率为1 0 g h z ) 和半导体光放大器的非线性，实现了接近矩形的开关窗口， 且开关速度不受限于载流子寿命，最快能达到p s 量级，这种结构还比使 用平行条状无源光波导的光开关具有更低的插入损耗。 3 全息光栅开关 全息光栅开关依靠布拉格光栅实现对光的选择性反射，通过全息的 形式在晶体内部生成布拉格光栅。当加电时，布拉格光栅把光反射到输 出端口，反之，光就直接通过晶体。该技术可以很容易地组成上千端口 的光交换系统，且开关速度快，为n s 量级。由于全息光栅开关中没有可 移动器件。因此它的可靠性好，损耗低。根据t r e l l i sp h o t o n i c s 公司报道， 2 4 0 2 4 0 端口的交换系统的插损低于4 d b ，端到端的重复性也比较好， 但器件的功耗比较大并且需要高电压供电。这种技术可以跟三维 m e m s 技术竞争纳秒量级的交换速度可以用于未来的光路由器中。 4 声光t 刀i 关 利用声光效应制作的光开关类似声光可调谐滤波器，通过在铌酸锂 材料中引入射频i u 声波，形成波长选择性布拉格光栅，输入光波在沿 着内部有声波的波导传输时，其偏振在波长与声波布拉格光栅匹配时将 发生变化，从而利用偏振分束器就可以实现波长选择，并在此基础上实 现开关功能。该类器件的消光比主要由t e 模和t m 模的转换效率决定， 一般都小于2 0 d b 。目前最大端口为2 5 6 2 5 6 ，由于没有机械的运动部 分。所以可靠性好。对l 2 开关，插入损耗可以做到2 5 d b ，开关速度 比较快，为5 2 5 n s 。 2 2 3 基于耦合滤波单元和复用器的o a d m 北京交通大学硕士学位论文 这种q a d m 方案结构简单，耦合单元一般采用普通的耦合器或光 环形器等，滤波单元有光纤光栅( f b g ) 、f p 腔滤波器等。它的主要性 能取决于滤波单元的性能，就目前的器件水平而言，光纤光栅的隔离度 高于2 0 d b ，o 8 衄，而f p 腔的隔离度性能更好，可达4 0 d 副0 8 m 。 图2 3 是目前较普遍采用的一种o a d m 方案，多波长、加m 信号 经光环行器选路，所用的光栅为多个具有不同中心波长的f b g 光栅阵 列。每路的光栅对准一个波长通道，通过光开关选择的被光栅反射的波 长经环行器下路到本地，其它线路的信号波长通过光栅和从环行器的上 路信号台波，继续在线路上向前传输。根据所选用的中心波长不同，可 以实现任意选择的上路下路波长信道，这种结构可以实现上下路任意波 长的信道。属于可变波长分插复用的o a d m 。 光纤光栅 一ifi 卜一 一jl 卜_ 一ili 卜 一卜 圈2 3 基于光环形器和光纤光棚的o a d m 在这种o a d m 方案结构中，光环形器和光纤光栅是最主要的器件。 光环形器有三端口和四端口两种类型，其工作原理如图2 4 所示， 光传送顺序沿顺时针方向，图2 4 ( a ) 中由l 端输入的信号只能沿顺时针 方向进入2 和3 端，而不能沿逆时针方向进入3 和2 端，这样就防止了 光线的反射。( b ) 的原理与( a ) 相同，只是端口比( a ) 多一个。 北京交通大学硕士学位论文 ( a ) 三端口环形器( a ) 四端口环形器 图2 4 光环形器工作原理图 光纤光栅是通过改变光纤芯区的折射率，产生小的周期性空间调制 而形成的。其折射率通常仅在1 0 一一l o 。之间。将光纤置于周期性空间变 化的紫外光束形成的空间干涉条纹下来照射光纤，这样就在光纤的芯区 生成了周期性折射率调制。 光纤光栅大体上可以分为两大类：b r a 鲳反射光栅( 反身于型短周期光 栅) 和长周期传输光栅。其中在w d m 光传送网络中，b r a g g 光纤光栅成 为光域里信道上下路的一种关键功能器件。 b r a g g 光栅又称为反射型短周期光栅，由于周期性的折射率扰动仅会 对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传送时， 入射光谱仅在相应的频串上被反射回来，其余的透视光谱则不受影响， 光纤光栅就起到了光波选择反射的作用，如图2 5 所示。 图2 5 光纤光栅原理示意图 北京交通大学硕士学位论文 图2 6 是采用f p 腔滤波器实现的o m 方案。f p 腔滤波器又称 f - p 干涉仪，是由两块平行的高反射率的镜面构成谐振腔，如图2 7 所 示，它对特定波长九的光波发生谐振而得到频率选择性。凡= 2 叫，z ，m 为整数。f p 腔滤波器的功率传递函数为： 丁( 厂) = a ( 1 一只) 2 ( 1 一r ) 2 + 4 尺s i n 2 2 丌( 厂一五) v ) 式中尺是腔壁的反射系数，a 。是内部损耗，是腔体的长度，v 是 腔体内的光速= c ，i 口 光环形器 卜路信号 酗2 6 基于f p 腔滤波器实现的o a d m 腔一长l 同相 的波 v h 旷 来回反射 力口 出 反射镜反射镜 图2 7f p 滤波器工作原理示意图 号 北京交通大学硕士学位论文 在这种方案中输入的w d m 信号经过f 牛腔滤波器后，下路需要的 波长信号到本地节点，其它波长信号被反射后继续向前传输。本地节点 上路的业务使用与下路信号相同的波长上路到输出线上。在这个方案 中，一个突出的优点在于f p 腔滤波器的连续可调性，因此可以根据需 要上下路任意波长，它的不足之处在于对温度的不稳定性。 2 2 4 基于波长光栅路由器( w g r ) 的o a d m w g r 是一种光栅型的波长路由器，具有双向性，即一个方向输入 为解复用方式，那么另一个方向输入为复用方式。 如图2 培所示，以n n 的w g r 为例，它的输出端口的解复用下 来的波长次序与输入端口有关，一般是这样的：假设w d m 信号有对应 于w g r 的n 个波长，输入和输出端口排序分别为l n ，输出端口1 n 的解复用波长分别为1 n ，当w d m 信号从端口l 进入时，输出端 口l n 解复用的波长依次为l n ，当从输入端2 进入时输出端端口 1 n 的解复用波长依次为n ，1 - n - l ，依此类推，因此在w g r 的输 入端可以用光开关来选择w d m 信号的不同输入口，山此来决定下路的 波长，实现o a d m 的可调谐性。 下路波长上路波长 图2 8 基于波长光栅路由器( w g r ) 的o a d m 上路信号与直接通过的信号进入w g rb 后以复用的方式合波为 北京交通大学硕士学位论文 w d m 信号，经选择开关进入到输出光纤。这种方案的一种简化就是w g r b 和后面的1 n 光开关用一个n l 的耦合器代替。这种方案能做到相 邻通道的隔离度在2 5 d b 1 6 i u i l 以上。同样也可以用这种方案同时下路多 路波长。还有就是可以采用w g r2 2 的光开关组合实现o a d m 。但相 邻通道的间隔低于2 0 d b 1 6 m 。 由阵列波导光栅( a w g ) 构成的o a d m 是一种新颖的o a d m 结构， a w g 是一种类似于w g r 的器件，它是通过在硅晶片上生长薄层的石英 玻璃构成的。石英玻璃经过高温处理，影印到波导电路中，然后切割成 小块的电路：占片，电路中每个波长都指向具有多个光纤输出的石英板。 出于波导影印到硅晶片上完全类似于计算机芯片的制作，阵列波导的价 格并不正比于信道数，因此，该技术适合于生产大信道数、小型化的装 簧。它的主要缺点是滤波形状较差。有较大的偏振损耗、信道间隔离度 小、需要稳定控制等。 图2 - 9 为一种基于1 n 的a w g 的o a d m 结构方案，简称为一对 a 、v g 单向o a d m 方案： 图2 9 基于一对艚g 的0 a 蹦 北京交通大学硕士学位论文 图2 i oa w g 解复用一复用环陋i o a d m 当w d m 信号从圈2 9 中的任意链路输入端口进入a w g1 时，各个 信道波长被解复用并分别送到不同的输出链路端口每一输出波长信道 和本地同波长信逆经过2 2 光开关实现波长上下路功能或直通功能，从 2 2 光开关输出的上路波长信道或直通波长信道经过a w g2 实现波长 复用功能。此方案结构可实现动态重构的o a d m 结构，且支持网络的简 单升级。 图2 1 0 为采用单个a w g 实现0 a d m 功能方案，简称为a w g 解 复用一复用环回o a d m 结构一个a w g 兼有解复用和复用功能，a w g 端口配置为( w + 1 ) ( w + 1 ) ，相邻波长间隔相同的w 路复用光波信道首 先被解开为单信道输出，经过一组2 2 光开关实现波长上下路或直通 功能，然后，相应的同波长环回到a w g 相应的输入端，经过a w g 复 用输出。 2 2 5 基于声光可调谐滤波器( a o t d 的o a d m 北京交通大学硕士学位论文 a o t f 由换能器和晶体模式转换单元( 声光介质，一般采用l i 卜m 0 3 晶体) 构成。其工作原理见图2 1l 。将射频( r f ) 信号加于换能器可形成 声波。当声波沿媒质传播时，将使光在特定的正交方向产生绕射现象， 此时使用偏振器就可从入射光束( 主信号) 中分离出绕射光束，从另一个 角度看，也就是由声波产生一个周期性的折射系数的调制( 也称为光栅 格) ，该光栅能从入射光束( 主信号) 中分离出绕射部分，意味着只要施 加射频( r f ) 信号一个或多个波长的光信号便可分离出来。当一次取出多 个波长的光信号时，可重复使用多个a o t f ，以获得各个所需波长的光 信号。 号 魏制选敞佰 7 f 恻2 l la o t f t 作原理图 图2 l l 中，干线的输入w d m 信号如、 、 、也和上路信号 进 入a o t f 以后，经偏振分束器( p b s ) 分成t m 模和t e 模进入声波波段 选频，控制的模式转换单元，选频针对不同的干线波长可以进行调 谐。比如要下路五，选频，要调到一个相应的频率上，当w d m 信号经 过模式转换单元时，五的t e 模、t m 模之间发生转换，t e 模变为t m 模，t m 模变成t e 模，经过下一个p b s 之后，从下路端口输出下路到 本地，其它的波长和上路波长经模式转换单元后没有变化，从输出端口 输出到干线。 北京交通大学硕士学位论文 30 x c 的基本功能与结构 3 1o x c 的基本功能 0 x c 通过对波长通道的处理，完成对网络进行管理的功能。o x c 在网络节点通过对指定的波长进行互连，能有效地利用波长资源。当光 纤中断或节点失效时，o x c 能够自动完成故障隔离，重新选择路由，网 络重新配置等操作，使业务不中断。当业务发展需要对网络结构进行调 整时，o x c 可以简单迅速地完成网络的升级和调度。 作为实际应用的0 x c ，应具各以下几项基木功能： 1 超大容量。以d w d m 技术为基础实现多方向、大容量的传送 能力，能够满足未来不断增眭的传输彝量要求。 2 大容量无阻塞的光交叉连接( 交换) 能力。实现波长颗粒度的交 叉连接( 交换) 。 3 传输业务透明。复用方式与系统的传输速率及调制方式无关， 不同容量的光纤系统、数字或模拟信号均可兼容传输。 4 多种接入方式。对于接入信号中所承载的业务是透明的，即接 入信号可以承载多种不同的宽带业务。 5 基于波长通道的端到端连接指配。 6 基于波长通道的网络恢复。能够以预置路由和自动实时计算两 种方式支持各种复杂拓扑结构光网络的路由保护和恢复。 7 完善的网元和网络管理系统。网元管理实现节点内部管理功 能。网络管理实现由0 x c 、o a d m 、o t m 设各等组成的w d m 光网络 的管理。能够动态配置业务路由，快速恢复网络传输业务。 的管理。能够动态配置业务路由，快速恢复网络传输业务。 ， 北京交通丈学硕士学位论文 8 与其他厂商设各的互连互通。能够实现不同厂商设各之间光通 道的互通。并且能够根据标准的协议，实现网管信息的互通、自愈环的 互通和波长路由动态重构的互通。 嚣瓣，蜮i 卿y 篇墨抄 图3 io x c 设待的功能框图 图3 1 所示为一个实际的o x c 设各的功能框图。在o x c 接收端 口，波分复用光信号首先进入低噪声高增益输入线路放大器( e d f a ) 放 大，经过解复用器( d m u x ) 分解为单波长通路光信号( 扎) 。所有波 长通路的光信号进入光交叉连接矩阵( o x a ) 。o x a 应具备完全无阻塞 的交叉连接能力，支持单向、双向、广播的交叉连接方式。对于波长转 换交叉连接( w i x c ) 形式的o x c 完成交叉连接后的波长通路光信号首 先进入光波长转换单( o u t ) 进行波长变换，然后对不同波长的光信号进 行波长通道功率均衡后，再经复用器完成输出w d m 信号的汇接。经过 输出功率放大器( e d f a ) 将信号放大至线路传输所需的功率电平，信号 由发送端口进入光纤线路。而对于波长选择交叉连接( w s x c ) 形式的 o x c ，完成交叉连接后的波长通路光信号无须再经过光波长转换单元 ( o u t ) 进行波长变换，直接进入波长通道功率均衡，经复用器完成输出 北京交通大学硕士学位论文 w d m 信号的汇接。一般情况下，o x c 设备还应该具备分插复用功能。 由毋路由器( r o u t 神、s d h 设各来的光信号进入光波长转换单元 ( 0 1 m ) 进行波长变换，成为指定波长的光信号，然后上路至光开关阵列 ( o ) ，经o x a 交叉连接后复用到相应的输出端口。完成波长通路支 路信号的插入功能。与之相对应，从不同输入端口来的任意波长通路的 光信号也可以经由0 x a 下路。完成波长通路支路信号的分出功能。分 出的支路信号进入路由器( 口i b u t e r ) 、s d h 设备的相应端口。 如图3 1 所示，组成o x c 的主要模块有：掺铒光纤放大器( e d f a ) 、 复用器解复用器( m i x ，d m u x ) 、光开关阵列( o x a ) 、波长通路功率均 衡器( e q u a i i z e r ) 、光波长转换单元( o u t ) 、控制和管理单元( c o n i r o l m a l l a g e m e n t ) 。各模块的主要功能如下： 1 掺铒光纤放大器( e d f a ) 在o x c 设备中，e d f a 的作用是有效地补偿线路损耗和节点内部 损耗，延长传输距离。掺铒光纤放大器有很宽的频带( 几十纳米) ，它们 对于光波系统提供了各种“透明”特性，在放大时不必考虑它们的码率 和调制方式，而且能把w d m 系统中各个波长通道的信号光全部同时放 大。在o x c 设备的输入和输出端口分别采用输入线路放大器和输出功 率放大器补偿光纤线路损耗和节点内部损耗。由于o x c 设备组成的光 网络具有动态重构的特性，会引起e d f a 这样的有源器件的瞬态和非线 性响应。导致波长通道性能的波动。在多个e d f a 级联时，e d f a 的增 益不平坦性会导致增益尖峰效应或自滤波效应。因此，为了适应光网络 的动态路由配置、自愈保护倒换等功能，对e d f a 提出了增益均衡和增 益钳制的要求。增益钳制是指通过e d f a 的所有波长通道的信号光功率 的增益保持恒定。以保证在波长通道数增减时剩余波长通道不会因功率 北京交通丈学硕士学位论文 过高而产生非线性效应，从而保证剩余波长通道的正常传输。目前常用 的实现方式有两种：( a ) 在系统工作波长之外，再加一个闲频光，此闲 频光功率大小随输入光功率大小而变化，保持输出总功率不变。( b ) 通 过微处理器( c p u ) 采样e d f a 输入输出光功率，经过数字处理后，控制 e d f a 泵浦激光器光功率。 增益均衡是指当e d f a 输入的所有波长通道的信号光功率一致( 平 坦) 时，e d f a 输出的所有波长通道的信号光功率保持一致( 平坦) 。目前 比较成熟的实现方式是在e d f a 中间加入增益平坦滤波器。 2 复用器解复用器( m u ) ( ，d m i ) 在0 x c 设备的输入侧，需要使用解复用器把w d m 多波长信号分 离成单波长信号，以便于进行交叉连接处理。在o x c 设备的输出侧， 需要使用复用器把单波长信号汇合成为w d m 多波长信号。目前大量实 用的m u x ，d m u x 类型主要有：光纤光栅型m u ) ( d m u x 、多层介质膜 型m u x d m u x 、阵列波导( a w g ) 型m u x d m u x 等。其中光纤光栅 型m u x ，d m u x 、多层介质膜型m u ) ( d m u x 主要用于波长通道间隔为 i o o 啪和2 0 0 n m 的系统。对于波长通道间隔为5 0 n r n 和2 5 眦的系统 由于制作工艺等原因，一般不使用这两种类型的m u x ，d m u x ，而普遍 采用阵列波导型d x 。 3 光开关阵列( o x a ) o x c 的核心是性能价格比好、容量可扩展、稳定可靠的光开关矩 阵。从实现角度来看，比较成熟的技术主要是由电光开关、热光开关、 机械光开关( 包括微电子机械开关m e m s ) 等构成的光开关矩阵。电光开 关、热光开关( 固态波导光开关) 易于集成，开关速度较快，但插入损耗 较大，偏振相关特性、隔离度都不如机械光开关。 北京交通大学硕士学位论文 4 波长通路功率均衡器( e q u a l i z e r ) 在动态可配置的光网络中，由于波长通道的增减及波长通道路由 的变化，使波长通道光功率经常发生变化。在o x c 节点中，不同波长 通道在节点内部经过的路径是不相同的，解复用器、光开关等对它们的 损耗也是各不相同的。波长通道光功率的变化和差异，在经过多个节点 的e d f a 级联以后会对系统造成严重的非线性效应，从而影响波长通道 承载的业务的质量。解决办法是通过功率均衡调节各个波长通道的功 率，使得在节点的输出端各个波长通道问的功率不均衡度在允许的范围 以内。此外，也可以根据节点性能指标要求调节单波长通道输出光功率。 5 光波长转换单元( o u t ) 光网络中，在对波长路由进行配置时，光信号的波长不一定能完 全满足系统的要求。引入光接口变换器( o i t ) 可以解决光波长不匹配的 问题。光波长转换单元( o u t ) 一般采用光电光( o ，o ) 的方式实现， 具有3 r ( r e s h a p i n g 、r e - t i m i n g 、r e - g e n e r a t i o n ) 或者2 r ( r e - s 1 1 a p i n g 、 r e - g e n e r a t i o n ) 功能。其优点是信号得到再生各项光口指标可靠满足 w d m 系统的要求。缺点是信号不透明，不同速率及格式的信号需要不 同的o t u 支持。目前，基于半导体光放大器( s o a ) 技术的全光0 t u 正 成为研究热点，它能够克服光电光o t u 的缺点，实现信号透明的波 长转换。全光波长转换器可以采用两种方案实现，一种是利用半导体光 放大器中交叉增益调制( x g m ) 效应的波长转换器：一种是利用s o a 中 交叉相位调制( x p m ) 效应的波长转换器。 6 控制和管理单元( c o n i m l m a n a g e m e n t ) 控制和管理单元完成光传送网网元级的控制管理功能。实现0 x c 设备各功能模块的控制和管理，并对上级网管系统提供支持。管理功能 北京交通大学硕士学位论文 上以故障管理和性能管理为主，此外还包括配置及安全等方面的管理功 能。除此之外，控制和管理单元还应实现网元节点问的控制管理信息的 处理和传输功能，根据自动保护倒换控制协议实现自动保护倒换功能。 能够支持光传送网的端到端的连接指配，动态配置波长路由，快速保护 和恢复网络传输业务。 控制和管理单元的硬件实现一般采用多级分布式微处理器设计， 软件实现一般采用面向对象技术，具有分柿式的处理能力和标准开放的 接口。支持不同协议下的网络控制和管理。 3 20 x c 的结构 3 2 1 基于光纤光栅的o x c 结构 用光纤光栅可以构成窗口陡峭的带通或者带阻滤波器，因此可以用 它来构成o x c 。下面先介绍由光纤光栅如何构成2 2 的交叉连接结构， 而其它任何规模的n n 交叉连接结构都可由2 2 的基本交叉连接结 构搭建丽成。图3 2 就是2 2 的基本交叉连接结构，包括2 个3 端口光 环形器和一个实现波长交换的模块，称其为w 模块。 光环形器 光环形器 图3 22 x 2 波长交叉连接结构 2 7 0 1 北京交通丈学硕士学位论文 图3