（通信与信息系统专业论文）roadm在光传输网络中的应用研究.pdf

摘要 社会经济飞速发展，各种新型通信业务需求也急剧增长，对现有的光网络通信技 术提出了更高的要求，光网络朝着大容量、高速率、长距离以及智能化方向发展。现 有d w d m 系统解决了大容量、高速率、长距离的应用需求，在各级传送网建设中应 用越来越多。 本文首先介绍了d w d m 系统的基本概念和发展背景，在其基础上引出了 r o a d m 系统的产生和发展，r o a d m 使d w d m 系统具备了智能化特征，并为之带 来了新的发展和应用空间。文中随后介绍了当前r o a d m 系统w b 、p l c 和w s s 三 种技术方案的基本原理和功能实现，通过对这三种技术方案中r o a d m 关键器件特 性的研究，探讨了r o a d m 设备如何应用于光传送网络的问题并对其在网络中具有 的智能化特性进行了阐述。 在具备智能性的同时，r o a d m 在组网应用过程串也面临一些新的课题：线路衰 耗的变化，不同波长通道功率的不均衡以及不同传输路径中色散补偿的不匹配等都给 r o a d m 组网应用设置了障碍。本文分析了这些限制因素，寻求在组网过程中采取必 要措施来进行规避的方法，通过对自动线路功率调整、自动光通道功率均衡和自动色 散补偿的研究，以及对波长调度问题的探讨，提出了r o a d m 设备的智能化组网应 用方案，大大增强了r o a d m 在组网过程中的生存性，使其大容量、智能化传送的 特点得到了充分体现，并通过实际组网验证了r o a d m 的组网能力。最后，本文提 出了一些今后如何进一步改进的考虑。 关键词：光网络；可重构分插复用；衰耗：信噪比；色散；自动交换光网络 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ei n c r e a s ei nt h en e e df o ra l lk i n d so f c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sh a sb e e ns u d d e na n dm a r k e d t h i su r g e so p t i c a ln e t w o r k st o d e v e l o pa l o n gt h ed i r e c t i o na b o u tb i gc a p a c i t y , h i 曲s p e e dr a t e ，l o n gd i s t a n c ea n d i n t e l l i g e n c e t h ee x i s t e dd w d ms y s t e mm e e t st h er e q u i r e m e n t sf o rb i gc a p a c i t y , h i g h s p e e dr a t ea n dl o n gd i s t a n c e ，a n dw i l lb em o r ea n dm o r ea p p l i e di na l ll e v e l so ft r a n s p o r t n e t w o r k s t h i st h e s i sa tf i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t i o na n dd e v e l o p m e n tb a c k g r o u n do f d w d ms y s t e m ，a n dt h e nd e s c r i b e st h eg e n e r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fr o a d m s y s t e m d w d m s y s t e mw i t l li n t e l l i g e n c eb yr o a d mb r i n g san e wd e v e l o p m e n ts p a c e t h i st h e s i s g i v e s ad e t a i l e dd e s c r i p t i o no fb a s i cp r i n c i p l e sa n df u n c t i o nr e a l i z a t i o no ft h et h r e e t e c h n o l o g i e ss u c ha sw b ，p l ca n dw s s i nr o a d m s y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s e sa b o u t k e yd e v i c e so fr o a d m i nt h et h r e et e c h n o l o g i e s ，w ep r o b ei n t ot h ep r o b l e mo nh o wt o u s er o a d md e v i c ei n t oo p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k sa n dd i s c u s st h ei n t e l l i g e n c ep r o p e r t yo f r o a d md e v i c ei nt h en e t w o r k s a l t h o u g hr o a d mb r i n g st h en e t w o r k si n t e l l i g e n c e ，r o a d m ，w h i c hi sa p p l i e dt o o r g a n i z en e t w o r k s ，w i l lf a c es o m en e wc h a l l e n g e sa sf o l l o w s ：t h ec h a n g eo fc i r c u i t a t t e n u a t i o n ，n ob a l a n c eo fp o w e ri nd i f f e r e n tw a v e l e n g t hc h a n n e l sa n d1 1 0m a t c ho f d i s p e r s i o ni nd i f f e r e n tt r a n s p o r tp a t h s t oa v o i dt h e s eb a r r i e r s ，w ep r o v i d et h ei n t e l l i g e n c e o r g a n i z i n gn e t w o r k ss c h e m ew i t hr o a d m d e v i c eb a s e do nt h et e c h n o l o g i e si n c l u d i n g a u t o m a t i ca d j u s f i n gt e c h n o l o g yo fp o w e r , a u t o m a t i ce q u a l i z i n gt e c h n o l o g yo fo p t i c a l c h a n n e lp o w e ra n da u t o m a t i cc o m p e n s a t i n gt e c h n o l o g yo fd i s p e r s i o n a n ds o m e t h i n ga b o u t w a v e l e n g ha s s i g n m e n th a sb e e nd i s c u s s e d t l l i ss c h e m ee n h a n c e st h er e l i a b i l i t yo f r o a d md e v i c ea p p l i e di no r g a n i z i n gn e t w o r k sa n do w n st h ep r o p e r t i e ss u c h 嬲b i g c a p a c i t ya n di n t e l l i g e n c e ，a n dat e s ts y s t e m i so f f e r e dt ov a l i d a t e dt h e a b i l i t yo f r o a d m f i n a l l y , w eg i v et h ef u t u r ew o r ka b o u tf u r t h e ri m p r o v i n g0 1 1 1 s y s t e m k e yw o r d s ：o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ；r o a d m ；l o s s ；o s n r ；d i s p e r s i o n ；a u t o m a t i c s w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 1波分复用技术概述 第一章引言 d w d m 是密集波分复用技术的英文缩写，它是利用单模光纤的大带宽以及低 损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。与传统 的单信道系统相比，密集波分复用系统( d w d m ) 不仅极大地提高了网络系统的通 信容量，充分利用了光纤的带宽，而且具有扩容简单等诸多优点，特别是对业务透 明，可以同时直接接入多种业务更使得它的应用前景十分广阔。 d w d m 系统的构成如图1 1 所示。主要部分包括：光波长转换单元、合波器、 放大器、分波器、光监控信道等。图1 2 为一个的d w d m 系统的发送端的光谱图。 图1 1d 粕m 系统组成示意图 图1 2 一个实际渊d m 系统的光谱图 武汉邮电科学研究院硕士论文 社会经济飞速发展，各种新型通信业务也急剧增长，对现有的光网络通信技术 提出了更高的要求，光网络朝着大容量、高速率、长距离以及智能化方向发展。目 前，d w d m 设备已经广泛应用于各级传输网络的建设，从骨干网络到本地及城域 核心网络d w d m 通信平台所占比重越来越大，越过s d h 层，直接实现i p 业务在 w d m 网络上传输的呼声越来越高。超长距离w d m 设备的大量商用以及 8 0 x 4 0 g b i t s 波分系统的面世基本上解决了大容量、高速率、长距离的应用需求，因 此，迫切需要一种技术来缓解目前w d m 设备智能化程度不足的状况。 1 2r o a d m 的产生 d w d m 传输系统存在o m t 光终端节点、o l a 光线路放大节点、o a d 光分插 复用节点等几种基本网络节点设备。其中，o a d 节点设备主要应用于在传输路径 上有部分波长上下需求的站点以节省网络投资，目前主要采用静态的f o a d m ( f i x e do p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x e r - - 固定光分插复用器) ，从结构上有串行和并行 两种。串行的o a d m 节点设备的光路结构如图1 3 所示。 多通道输入口 m p i - r 多通道输出口 m p i s 单通道下路1 3s d nr a n 单通道上路口 图1 3 串行0 a d 节点光路图 从图上可以看出，对有些波长没有设置上下接口而进行直通，每个节点上下的 波长取决于该节点中o a d 器件的特性，一旦各节点在工程开通时波长确定，后期 改动这些波长上下位置将非常困难。近年来，出现了一种并行结构的o a d 节点设 备，如图1 4 所示。这种节点设备将传输线路中的所有波长全部解复用，需要上下 路的波长配置相应的光转发单元，不需要上下的波长则通过光跳纤直接送至光复用 器进行复用继而上线路传输。这种并行结构的o a d 节点大大增强了上下波长的灵 活性，如果发生上下波长变动，只需要改动解复用器和复用器之间的光跳纤即可。 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 多 图1 4 并行结构0 a d 节点光路图 并行结构的o a d 节点虽然大大增强了组网的灵活性，但是在发生波长上下节点 位置变更时还是需要人工对光跳纤进行重新连接，而一个波分传输系统中复用波长数 比较多，光连接跳纤也非常多，人工改动这些光跳纤的连接将会是很烦杂的事情而且 容易造成误操作导致其他波长传输业务出现中断。由此，r o a d m 应运而生。r o a d m 的出现大大增强了o a d m 节点的智能化，通过网管而不是人工就可以实现光波长路径 的变更，非常灵活。 r o a d m ( r e c o n f i g u r a b l eo p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r - - 重构光分插复用器) 是光纤通信网络的节点设备，它的基本功能是在波分系统中通过远程配置实时完成选 定波长的上下路，而不影响其他波长信道的传输，并保持光层的透明性。如图1 5 所 示，不改动任何连纤，从节点a 至节点c 的波长九1 就可以通过网管控制将通信路由变 图1 5r o a d m 波长调度示意图 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 r o a d m 在继承w d m 技术具备大容量、高速率特性的同时，克服了静态 f o a d m 在城域w d m 网络中应用时存在的业务调度不灵活、带宽利用率低、维护 成本高等局限性，成为未来建设本地、城域网络的发展方向。大量的市场信息反馈 表明，下述特征是r o a d m 最吸引运营商的地方： 迅速提供波长级业务的开展： 面对大客户提供波长级业务( 如支持s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k 存储局域网) 等) ，只能依托d w d m 网络，而传统的d w d m 设备配置主要通过人工进行，费时 费力，直接影响业务的开通及对客户新需求的反应速度。而若采用r o a d m 节点设 备，则在硬件具备的条件下，仅需通过网管系统进行远端配置即可，极大地方便了这 种新增业务的开展，提高了对客户新需求的反应速度【1 1 。 具备方便、灵活的业务调配能力： f o a d m 设备在建设初期需确定各节点上下波长数和波长值，对后期网络扩容， 业务调配存在极大的局限。特别是在网络设计阶段通常无法预先准确测算出每一个节 点在未来的几十年中业务需求的变化，也无法在需要的时候进行不中断业务的升级扩 容。而r o a d m 技术则可以在相当大的程度上解决网络未来扩容和重新配置的问题， 它具备的节点重构能力，提高了整个d w d m 网络业务的重构能力，降低了网络建设 初期对网络的规划要求，增强了网络应对突发业务提供传输服务的能力，提升了网络 灵活性。 具备可靠的业务保护倒换能力： 在城域网中，由于现代社会正向信息化转型迈进，整个社会都是在数据网络的支 撑下来运行，例如银行系统各银行之间的数据传送和交互、医疗系统居民健康保险数 据的登录传送，此外，税务、保险、交通等各行各业都离不开数据网的支撑。如果网 络对突发的故障不能提供可靠的保护，无论对用户和运营商来讲都是无法接受的，而 r o a d m 设备具备优异的业务保护能力以提供可靠的业务保护，大大提高了业务传送 的可靠性。 高效的运维、管理能力： 在网络日常维护中，对于增开业务及线路调整工作，均需要采用目前的人工调整 4 武汉邮电科学研究院硕十论文 方式，需投入大量人力、财力，响应速度慢而且效率低。采用r o a d m 后，则可通过 远程网管进行操作，可极大的提高工作效率和反应速度，能降低日常维护和运行成本。 综上所述，面对建设本地网、城域网的技术需求，r o a d m 凭借自身的灵活性、 维护开通的快捷性及良好的可扩展性，将为建设新的d w d m 网络提供最完美的解 决方案。 1 3r o a d m 的发展 作为新兴的下一代光网络技术，r o a d m 正引起各方的广泛关注。l e h m a n b r o t h e r s 的分析师就预期r o a d m 市场将在2 0 0 6 2 0 0 7 年逐步浮出水面。v e r i z o n 在 2 0 0 5 年就发布了相关的r o a d m 需求建议书，h e a v yr e a d i n g 预测这笔订单价值将 超过2 亿美元【。 根据i n f o n e t i c sr e s e a r c h 发布的调查报告显示，2 0 0 4 年全球r o a d m 设备收入 超过了l 亿美元，并将以爆炸性的速度持续增长到2 0 0 8 年。可重构光分插复用 ( r o a d m ) 设备收入在国外市场虽然到目前为止仍然只占总体城域w d m 市场的 一小部分，但随着运营商持续地建造那些采用r o a d m 技术的城域w d m 传输网络， 相信r o a d m 在总体城域w d m 收入所占比例将越来越高，预计到2 0 0 8 年会超过 5 0 【2 】。 r o a d m 在发达国家和地区，有相当大的声势，这在很大程度上是由于几个重 要的运营商( 主要在北美，包括a t & tc o r p 、s b sc o m m u n i c a t i o ni n c 和v e r i z o n c o m m u n i c a t i o n si n c 等) 表现出用它们升级自己基础网络的兴趣。i n f o n e t i c sr e s e a r c h i n c 在2 0 0 4 年进行了一项关于r o a d m 的研究( 本文中引述的内容来源于l i g h t r e a d i n g 网站上相关文章的引述) 。该研究发现，在其调研的2 7 个全球主要电信运 营商中，2 6 家准备在未来部署r o a d m 技术，而且其中的大约2 5 ，计划在未来 的1 2 个月内实施r o a d m 技术3 1 。 目前r o a d m 系统在北美已经有不少应用，例如富士通宣布其f l a s h w a v e7 5 0 0 节点的出货量已经超过2 2 0 个，其中北美地区超过9 0 的r o a d m 铺设采用的是富 士通的f l a s h w a v e7 5 0 0d w d m 系统【4 】。 对于曾受到业界诸多眼球关注的美国地方贝尔r o a d m 设备招标事宜，来自 o f c 的消息指出，富士通和泰乐有望作为第一和第二供应商的身份为a t & t ( i i i 先 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 前的s b c ) 提供r o a d m 设备，而v e r i z o n 则可以选择朗讯科技作为该公司r o a d m 设备的主要供应商1 1 。 国外目前能提供具备r o a d m 功能的设备供应商很多，主要如思科系统，富 士通，朗讯科技，阿尔卡特，西门子，马可尼，i n f i n e r a ，m a h i ，m e r i t o n ，m o v a z ， o p v i s t a ，t r o p i c 等。据了解，富士通一直是北美r o a d m 市场上的领先供应商，占 据了相当的市场份额，其产品目前已经广泛应用到北美的m s o 市场中，而朗讯的 r o a d m 技术是由其合作伙伴m o v a z 提供的，被朗讯整合到m e t r o p o l i s 波长服务管 理( w s m ) 光网络平台中。上述公司目前还未就此事作出公开回应，不过a t & t 则表示他们的设备采购大门仍向其他厂商敞开着1 1 。 r o a d m 器件和子系统供应商也不少，如c a p e l l a ，j d s u ，n e o p h o t o n i c s ， c e m o l u x ，c h r o m u x ，c o a d n a ， e n g a n a ， g l i m m e r g l a s s ，l a m b d ac r o s s i n g ， l i g h t c o n n e c t ，m e t c o n n e x ，p h o x t a l ，p i r e l l i ，p o l y c h r o m i x ，以及x t e l l u s 。国内目 前已有光迅等器件生产厂家对r o a d m 器件展开了研究。 由此可见，r o a d m 组网是w d m 网络应用的发展方向，在未来w d m 组网中 将会发挥越来越关键的作用。 1 4 本文研究内容 本文正是针对r o a d m 的出现，通过分析其特点，试图解决r o a d m 系统在 组网应用方面遇到的问题，所做的工作主要包括以下几个方面： 1 阐述了r o a d m 的产生和发展； 2 介绍了r o a d m 系统各种方案原理和功能实现； 3 分析各种r o a d m 方案的智能化特征； 4 分析了r o a d m 组网面临的一些技术问题( 主要是物理损伤和波长调度) ； 5 针对r o a d m 组网中的技术问题寻找解决方案； 6 阐述了不同应用环境下的r o a d m 组网方案； 7 探索未来r o a d m 组网发展。 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 第二章r o a d m 技术方案分析 当前业界流行的实现r o a d m 的方案主要有三种，分别是：w b ( w a v e l e n g t h b l o c k e r - - 波长阻断器) 方案，以集成d e m u x s w i t c h m u x 的p l c ( p l a n a rl i g h t w a v e c i r c u i t 一平面光波导) 器件为代表的方案，w s s ( w a v e l e n g t hs e l e c t i v es 州t c h 一波 长选择性开关) 方案，本章针对各种不同方案具体分析其技术特点。 2 1w b 方案技术特点 波长阻断器( w b ) 是最简单的r o a d m 器件，它允许特定的波长通过或阻断。 因为并没有实际的交换发生，波长阻断器有时被看成为单通道的l x l 光开关。阻断 器通常采用液晶技术，也可用如m e m s 等。一个典型w b 的基本结构包括波长分 波和合波以及光衰减阵列。在输入端分波器件把所有波长分开，分别送到衰减阵列 处理( 衰减，均衡或阻断) ，然后通过合波器送到输出端口光纤中，如图2 1 所示。 图2 2 指示了器件内部的光路传输。 - 叵 壬 ，7 、 ， 一 卜 。 图2 2 帅内部光路图 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 分波合波技术有衍射光栅、a w g 技术等。用作阻断器的液晶( l c ) 作为一种 凝聚态物质，其特性与结构介于固态晶体与各向同性液体之间，是有序性的流体，从 宏观上看，它既具有液体的流动性、粘滞性，又具有晶体的各向异性，能像晶体一样 发生双折射、布拉格反射、衍射及旋光效应，也能在外电场作用下产生热光、电光或 磁光效应。当对液晶施加电场时将改变液晶分子的排列方向，一定偏振方向的入射光 将在晶体中发生双折射现象( 电控双折射效应) ，使o 光与e 光的折射率发生变化，从而 改变。光与e 光的折射率差1 5 j 。 从图2 3 可知，由入射光纤射入的光束经过双折射晶体后分成偏振状态互相垂直 的。光和e 光。当液晶未加电压时，光束经过液晶时。光和e 光不发生变化，经过双折射 晶体后重新合为一束光，此时光功率未发生衰减；而当施加外电场时，液晶分子取向 重新排列，从而导致其透光特性发生变化。当对液晶加上最大电压时，经过液晶的。 光和e 光的偏振方向各自变化9 0 。，变成e 光和。光进人双折射晶体，两束光无法再合 为一束，产生最大衰减。所以对液晶加载不同的电压，便能得到不同光功率的衰减。 基于液晶的电控双折射效应，我们可以在光路上设计液晶v o a 归j 。 晶体1 l晶体2 、。 一输出 输入一 准直器 一 t n 藏晶盒 准直器 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 模块具有波长分出、插入、阻断和直通、均衡、功率监视等功能，可用于c 波段或 l 波段间隔为1 0 0 g h z 的d w d m 系统，功耗也较低。 将w b 器件用于r o a d m 节点的配置如图2 4 所示。往往在w b 之前利用一 个分路器将线路信号一分为二，分光比可以根据实际情况进行选择，一般下路信号 和直通信号功率比为3 0 ：7 0 ，下路信号接入分波器或者可调滤波器可以对本节点需 要下路的光信号进行分波接收，本地需要上路信号经过合波器后与直通信号通过一 个合路器进行合路即可放大输出，其中直通信号在w b 中可以对每个波道设置一定 衰耗以调节平坦度。因为采用耦合器作为下话分路器件，从中可以很容易看出w b 节点具备广播和组播能力。 图2 4w b 在节点中配置图 2 2p l 0 方案技术特点 利用集成平面光路( i p l c ) 技术的r o a d m 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。i p l c 通常采用阵列波导光栅 ( a w g ) 将信号分出不同波长以及利用开关改变或是直通或是插入的波长路径。 i p l c 技术可以把所有的器件包括分波合波器( m u x d e m u x ) 、衰减器、光开 关和光监视技术混合集成在一个晶片上，在规模生产时具有成本和结构上的优势。 模块内部结构见图2 5 所示。 图2 5 中可以看出，p l c 型r o a d m 分成二部分，分出方面的解复用( d e m u x t ) 模块和可重构光插入复用( r o a m ) 模块。r o a m 模块包含2x l 开关和可变光衰减器 ( v o a ) 使任意信道插入或直通。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。 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 l i l o p d l k 眨p d 2 图2 5p l c 型r o a d a ! 模块内部结构 m p l c 中的光开关一般为m z i 光开关或c m i 光开关。m z i 开关的工作原理如下： 将一束光分裂为两个光束，使之分别进入两个波导，然后在其中一束光上附加一定 的相位偏移，最后再将两束光合在一起，如图2 6 所示。通过改变m z i 两臂上的相 位偏移，可以在m z i 的输出部分实现对光束的干涉控制。 形啼 圈 图2 6m z i 光开关示意图 c m i 光开关的物理原理和z m i 光开关完全不同。c m i 光开关不是基于干涉原 理，而是根据波导内不同阶模式之间的光学特性不同而进行工作的。c m i 光开关可 以在标准的p l c 制造环境和平台( 例如硅基氧化硅、绝缘硅和磷化铟) 上生产。其 组成模块包括模分复用器和动态模式转换器。从某种意义上说，c m i 模式上下路 器件是一个复用器，它可以在一个波导和另个波导之间实现光波的上下路。c m i 模式上下路器件可以将造成损耗的模式相互作用与造成串扰的模式相互作用隔离 开，这是由于不同模式在波导中的传播路径不同。c m i 光开关的另一个组成模块是 1 0 武汉由b 电科学研究院硕十论文 动态模式转换器件。该器件对多模波导进行操作，它有两种工作模式。在“关 状 态下，模式转换器是一个无源器件。光束可以直接通过它而不发生任何变化。此时， 模式的阶数没有改变，而且插入损耗非常低。模式转换器的结构是完全对称的，因 此它对波长的依赖性很小，而且可以提供较大的带宽。在“开”状态下，通过热一 光效应可以改变器件的折射率，从而完成模式转换。此时，进入模式转换器的光束 的模式发生了变化( 通常是从零阶模式变为一阶模式) 1 6 】。如图2 7 所示。 c m ：2 2 光开关 ：藏蕊黑蒜= 赢盎1 1 嘲警茹盘笛茬菡篙菇茹茹盏蔷盈卜一二 模式 动态模式模式 上j 下路 转换器 上吓路 图2 7c m i 光开关示意图 应用i p l c 的r o a d m 系统的设计如图2 8 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i p l c 技术初步应用的是小规模开关 _ “ ( 2x 1 ) 。由于输入输出端的交叉点数目很多，采用高阶开关的难度很大，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。 西向下路东向卜路 两向| j 路 东向下路 图2 8 应用p l c 型模块的r o a d m 节点结构 武汉邮电科学研究院硕士论文 与w b 节点相同，p l c 节点也是利用分路器将线路信号分为下路和直通两部 分，直通信号在模块内部设置衰减后与上路信号合路输出。与w b 节点不同的是， p l c 节点的模块自身具备对每个上路和直通波长的功率监测功能，这样就为配合其 内置的可调衰减器构成反馈式自动通道功率调整提供了条件。利用自动通道功率调 整这项功能，p l c 能够不靠人工干预就可以将节点出口的线路平坦度控制在非常理 想的范围内。 2 3w s s 方案技术特点 光交换元件发展的下一步是波长选择开关( w s s ) 。与i p l c 相比w s s 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。w s s 应用于网格节点才开 始不久，但w s s 模块已能从几家供应商获得。 基于m e m s 技术的全光交换原理并不复杂。m e m s 技术被用来在硅晶上刻出 微小的反射镜，这些微小的反射镜被排成一个二维的阵列。每一个反射镜都有一个 活动的微镜架以及可以被电信号驱动的微铰链。处于正常状态的微反射镜平躺着， 电压信号加上后，微反射镜立起来，可以将入射光信号反射到垂直的方向上去。一 个n n 的二维反射阵列可以用来控制n 束信号光之间的全交换。 虽然原理并不复杂，m e m s 全光交换的技术实现却并不简单。可以用于商业系 统的m e m s 全光交换系统依然是凤毛麟角，大多数的系统仍处于实验阶段。但在 光学和硅技术上取得的进步每天都在推动业界向这一目标迈进。一年前o m m 公司 在一个无人值守的端局内的现场试验第一次演示了基于m e m s 子系统的光交换机 成功地传送了业务数据流。现场试验提供了一套包括4 4 和8 x 8 全光交叉连接交换 机的光交叉连接子系统。这次试验是由美透明光网络联盟( n t o n c ) 主持的。 n t o n c 包括北电、g s t 电信公司、s p r i m 通信公司、l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验 室和b a r t 公司等。在整个试验过程中光交换机的工作都很正制丌。 用于w s s 的m e m s 开关属于三维开关，三维m e m s 的镜面能向任何方向偏 转，这些阵列通常是成对出现，输入光线到达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵 列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。镜面的位置要控制得非常精确，达到百 1 2 一 武汉邮电科学研究院硕士论文 二二= 二一 万分之一度。三维m e m s 阵列可能是大型交叉连接的正确选择，特别是当波长带 同时从根光纤交换到另一根光纤上。三维m e m s 主要靠两个n 微镜阵列完成两 个光纤阵列的光波空间连接，每个微镜都有多个可能的位置。由于m e m s 光开关 是靠镜面转动来实现交换，所以任何机械摩擦、磨损或震动都可能损坏光开关f 8 i 。 图2 9 描述了w s s 内部功能结构，图2 1 0 描述了w s s 内部的光路图。 图2 9 中可以看出，w s s 为1x n 的关开关，可以把输入端的任意一个或任意多 个波长通道送到w s s 的n 个输出端口中的任意一个端口。x 寸1x n n w s s ，一般由复用 器解复用器、衰减器阵列和m ( m 为输入波长数) 4 - 1x n 光开关组成。复用器解 复用器可以是衍射光栅技术、a w g 技术。衰减器光开关技术为液晶技术、m e m s 等。 m e m s 技术采用微反射镜开交换波长，可靠性是个问题。w s s 技术支持任意波长到 任意端口应用，w s s 为单代码设备，不需要预先规划，可以从r o a d m 升级到多自 由度节点。 用作r o a d m 节点时，w s s 可以很方便的在多个方向间交换波长，如图2 t l l 所示。 线 路 输 入 口 西 乡一曩 一。 l e 4 一 弋? 图2 9w s s 内部结构图 1 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 t t 研、 0 2 一一一；爿 - - l l 行 0 1 1 - 芬 固 誊 器 定 i 反 射 陷镜 现 r 反 诤 液 r 日 一一二黼一一一。 射 宅 眭 镜 列 一 j阵 列 一 疗向2 入 图2 1 0w s s 内部光路图 飞、。一么口，。j 一一 一 。之芝一一 uu 图2 1 1 多方向w s s 波长交换 2 4 三种技术方案应用比较 方向8 出 方向3 出 方向2 方向1 甘 w b 采用液晶技术，成本较低，但功能相对简单，仅支持单通道的阻断或者衰 耗调节，而且衰耗调节尚无法形成闭环系统。p l c 技术在节点结构上和w b 比较相 似，器件自身加入通道上路功能，因为自身具备对通道功率的监测能力，可以很方 便的实现通道衰耗调节的闭环控制，这种片上集成技术利于规模生产，成本下降空 间比较大。w s s 技术最为复杂，目前成本也最高，在1x n 结构中输入端口的任意 波长可以输出至n 中的任意一个端口，对于多方向波长交换节点的应用非常简单， 1 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 而且每个通道都独立带有衰耗调节器，有些厂家的器件甚至可以做到对衰耗调节的 闭环控制。 从上面的描述可以看出，三种r o a d m 子系统技术，各具特点，采用何种技 术，主要视应用而定。w b 和p l c 两种方案比较类似，都属于二维应用的r o a d m 节点，而w s s 因为具有多端口交换能力，在多方向通信节点中有竞争优势。 h e a v y r e a d i n g 对北美运营商的统计，超过7 0 的需求仍然为2 - d e g r e e 的应 用，而只有大约1 0 的r o a d m 节点，将会采用4 一d e g r e e 或以上的节点。因此， 基于w b p l c 的r o a d m ，可以充分利用现有的成熟技术，对网络的影响最小，易 于实现从f o a d m 到2 维r o a d m 的升级，具有极高的成本效益。而基于w s s 的r o a d m ，可以在所有方向提供波长粒度的信道，远程可重配置所有直通端口和 上下端口，适宜于实现多方向的环间互联和构建m e s h 网络。因此，三种技术各有 所长，在不同的网络应用中都有相应的地位。 1 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 第三章r o a d m 传输组网面临的问题 r o a d m 节点因为其灵活的配置能力而具备优异的组网性能，使静态的组网模 式逐渐过渡到动态的、可重构的网络，在动态可重构网络中会遇到比静态网络复杂 多的组网限制。信号传输中的功率管理、色散管理因为传输路由的变动将会更为困 难，波长调度带来的波长冲突也是需要审慎解决的一大难题。 3 1r o a d m 系统的功率衰耗和0 s n r 光纤衰耗是表示光纤对光能量传输损失的参数，光纤损耗的原因主要有吸收损 耗和散射损耗。 光纤的吸收损耗是由于光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，它们把光能以 热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗，吸收损耗包括以下几种【9 】： 1 物质本征吸收损耗这是由于物质固有的吸收引起的损耗。它有两个频带， 一个在近红外的8 1 2 岬区域里，这个波段的本征吸收是由于振动。另一个物质固 有吸收带在紫外波段，吸收很强时，它的尾巴会拖到0 7 1 1 i m a 波段里去。 2 掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗光纤材料中含有跃迁金属如铁、铜、铬 等，它们有各自的吸收峰和吸收带并随它们价态不同而不同。由跃迁金属离子吸收 引起的光纤损耗取决于它们的浓度。另外，o h 一存在也产生吸收损耗，o h 一的基 本吸收极峰在2 7 p m 附近，吸收带在o 5 1 0 岬范围。对于纯石英光纤，杂质引起 的损耗影响可以不考虑。 3 原子缺陷吸收损耗光纤材料由于受热或强烈的辐射，它会受激而产生原子 的缺陷，造成对光的吸收，产生损耗，但一般情况下这种影响很小。 光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。散射中最重要的是瑞利散射， 它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。光纤材料在加热过程中，由于热 骚动，原子得到的压缩性不均匀，使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀。这 种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这 些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引 起损耗。另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产 生损耗。 1 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 此外，还有波导散射损耗，这是由于交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射， 实际上它是由表面畸变或粗糙所引起的模式转换或模式耦合。一种模式由于交界面 的起伏，会产生其他传输模式和辐射模式。由于在光纤中传输的各种模式衰减不同， 在长距离的模式变换过程中，衰减小的模式变成衰减大的模式，连续的变换和反变 换后，虽然各模式的损失会平衡起来，但模式总体产生额外的损耗，即由于模式的 转换产生了附加损耗，这种附加的损耗就是波导散射损耗。要降低这种损耗，就要 提高光纤制造工艺。对于拉得好或质量高的光纤，基本上可以忽略这种损耗。 光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会 使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过 包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。不过当弯曲半径大于5 1 0 c m 时， 由弯曲造成的损耗可以忽略。 在氢氧根离子吸收的问题上，光纤中存在的氢氧根离子的最大吸收峰波长约在 1 3 8 5 n m 处，从而造成1 4 0 0 n m 波长区的不可用性。w d m 通信所用波长集中在1 5 5 0 窗口，属于光纤的低损耗窗口之一。早期的网络建设中，由于受技术限制，光纤选 型比较单一，因此目前无论是骨干网还是接入网，g 6 5 2 光纤占绝对主导地位。现 在，为适应不同的应用，特性各异的新型光纤不断问世，如大有效面积光纤、无水 峰光纤、低色散斜率光纤等。 传输光纤的衰耗对光通信系统非常重要，它在很大程度上决定着传输系统的中 继距离。 e d f a 面世后，光信号传输中光纤产生的损耗可以利用e d f a 进行弥补。掺铒 光纤放大器在密集波分复用系统中的应用见图3 1 。其主要是补偿传输中的光纤损 耗和色散补偿器等无源器件的插入损耗，根据放大器在系统中的位置及作用，可以 分成以下三种类型： 1 功率放大器( b o o s t e r a m p l i f i e r ) ，处于合波器之后，用于对合波以后的多个 波长信号进行功率提升，然后再进行传输，由于合波后的信号功率一般都比较大， 所以，对功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比较大 的输出功率。 2 线路放大器( l i n e a m p l i f i e r ) ，处于功率放大器之后的线路中间各个站点， 1 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 用于周期性地补偿线路损耗和色散补偿器件的插入损耗，一般要求比较小的噪声指 数，较大的输出光功率。 3 前置放大器( p r e a m p l i f i e r ) ，处于分波器之前，线路放大器之后，用于补偿 分波器和色散补偿器的插入损耗，放大信号以满足接收机的灵敏度，要求噪声指数 很小，对输出功率没有太大的要求。 光纤 图3 1 掺铒光纤放大器在r o a d n 系统中的应用 从掺铒光纤放大器的工作原理我们知道它在放大信号的同时也是存在自发辐 射的，因此在对光信号进行放大时也带来了不必要的噪声。在e d f a 中，铒离子周 围的电子从基态被泵浦到激发态。在光信号穿过掺铒光纤( 典型的长度大约为1 5 。 至4 0 米) 时，前者从受激发的电子中抽取能量，信号随之得以放大。可是电子可 以自发地回落到基态，同时随机地辐射出光子。掺铒光纤的前端随机辐射生成的光 子可以在光纤的后部分获得放大，其放大机理与输入光信号的一样。这种自发辐射 产生的信号的相位是随机的【1 0 】，因而是噪声。该噪声将使光电检测器输出3 个噪声分 量【1 1 】，即由于光功率增加产生的额外散弹噪声，信号一自发辐射差拍噪声和自发辐射 一自发辐射差拍噪声，通过使用窄带光滤波器0 n m 带宽) 可以滤掉大部分自发辐射一 自发辐射差拍噪声，同时减少额外散弹噪声，但无法滤除信号自发辐射差拍噪纠1 2 】。 掺铒光纤放大器噪声特性的衡量可以由噪声指数( n f ) 来描述。在具有若干个e d f a 级联的传输系统中，光放大器的a s e 噪声将同信号光一样重复一个衰减和放大周 期【1 3 】。因为进来的a s e 噪声在每个光放大器中均经过放大，并且叠加在那个光放 大器所产生的a s e 上，所以总a s e 噪声功率就随光放大器数目的增多而大致按 比例增大。 a s e 噪声频谱分布也是沿系统长度展开的。当来自第一个光放大器的a s e 噪 声被送入第二个光放大器时，第二个光放大器的增益分布就会因增益饱和效应导致 1 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 a s e 噪声而发生变化，同样，第三个光放大器的有效增益分布会也会发生变化。 这种效应会向下游传递给下一个光放大器。即使在每个光放大器处使用窄带滤波 器，a s e 噪声也会积累起来，这是因为噪声存