光交叉连接和光分插复用

光交叉连接（OXC）
最近几年，光网络技术发展日新月异，光交叉连接（OXC）作为光网络层的核心设备在经过一系列的现场试验后，技术日趋成熟，已能看到实用化的曙光。本文主要从系统设备、器件、OXC恢复、光网络的管理以及未来的发展几方面谈谈自己的看法。




OXC设备分类
就OXC设备而言，目前主要有以下三种：一种是基于光纤级的交叉连接（FXC），我们可以理解为具有交叉能力的光配线架（ODF），或称为智能光配线架，是OXC的初级阶段，有一定市场需求，缺点是设备本身独立组网能力差。另两种是基于波长级交叉的OXC，根据应用场合的不同分为波长选择性交叉连接（WSXC）和波长可交换交叉连接（WIXC）。WIXC主要针对骨干网应用，承载业务一般是STM-16/OC-48或STM-64/OC-192甚至STM-256/OC-768，节点内使用O/E/O波长转换器，以实现大容量、长距离传输，交叉矩阵既可以由光交叉完成，也可用电交叉实现，特别是随着半导体技术的发展，电交叉芯片规模越来越大（目前单片可达160Gbit/s，交叉颗粒更小），而光交叉由于受技术、成本等因素的制约，基于电交叉的OXC也会有一定的发展空间。WIXC的优点是技术成熟，性能有保证，可以实现严格无阻塞的波长交换，可实现波长重用，提供虚波长路由（VWP），缺点是系统透明性较差、由于大量使用O/E/O波长转换器，价格昂贵，但在目前情况下，仍不失为一种比较实际的解决方案。另一种是基于本地网或城域网应用的波长选择性交叉连接设备（WSXC），节点内一般不使用或部分使用O/E/O波长转换器，以兼容多速率、多业务，节点内光交叉矩阵可由若干个较小规模的光开关构成，在目前大规模的光交叉矩阵技术未完全成熟、价格太高的情况下，WSXC更具有现实意义。需要注意的是，在由WSXC或OADM组成的光网络中，要禁止产生波长环路，以免引起自激，造成系统不稳定；而OXC将来的发展方向是支持全业务的透明全光网，这有赖于全光波长转换和全光3R再生的实用化。表1是WIXC和WSXC比较。




OXC设备的主要功能、特点
基于OXC、OADM构成的光传送网，可以在光域上实现高速信息的传输、交换和故障恢复，具有结构简单、可靠性高、透明性好等突出优点。尤其是OXC设备，通过对指定波长进行交叉互连，使得OXC在WDM全光网络中更具应用价值。在发生光纤中断或节点失效时，OXC能够自动完成故障隔离、路由重选等操作，使业务不致不断，当业务发展需要对网络结构进行调整时，OXC可以简单地完成网络的升级和调度。目前OXC主要提供如下功能。

•光层的保护和恢复，包括环网/格状网（RING/MESH）的保护和恢复；

•端到端光通道业务的指配（网络级交叉）；

•网络优化和恢复算法；

•动态带宽管理，按需分配带宽；

•多种业务接入能力；

•光信道自动均衡；

•色散管理；

•光传送网OCH/OMS/OTS三层模型的网络管理系统，具备业务管理能力；

•兼顾骨干网、城域网、本地网应用。




主要技术难点
目前OXC设备研制中碰到的主要难点有以下几点：一是如何解决系统透明性与长距离传输的矛盾，虽然目前可以通过采用拉曼（RAMAN）光放大技术和前向纠错编码技术（FEC）延伸传输距离，但根本出路还在于全光波长转换技术及全光3R再生技术的实用性；二是由于受光器件的制约，特别是大规模的光交叉矩阵开关的制约（技术、成本的制约），系统的规模和灵活性不够理想。理论上讲，只要光交叉矩阵的规模足够大，OXC、OADM也完全可以像电层的DXC和SDH ADM一样，实现不同速率等级上的任意交叉和上下，最起码可实现类似于SDH中的AU-4高阶全交叉；三是在OXC性能监测，尤其是光通道层（OCH）的性能监测方面实现起来代价较高，主要是需要监测的点太多而客户层（OCH层）业务又具有多样性（如速率、信号格式不同），需要对不同类型的业务根据其特征分别处理，目前，ITU-T G.709数字包封技术（Digital wrapper）可为这一问题提供统一的解决方法，应引起重视；四是如何抑制串扰，由于光器件的隔离度不可能无限高（如解复用器、光开关），波长通道间存在带间串扰，在由OXC/OADM构成的半动态光网络中，信号被多次交叉连接和反复复用，因此，在与其他波长通道复用时相应转化为其他通道的带内串扰（既同频串扰），并且很难消除。串扰的主要来源还包括光放大器ASE噪声及光纤的非线性等，在动态/半动态光网络中，还要考虑由于光放大器级联带来的瞬态响应；五是在网络管理方面，按照ITU-T光传送网的分层结构（G.872），光传送网的网元管理系统一般按光通道层（OCH）、光复用段层（OMS）、光传送层（OTS）三层设计，具备ECC通信和四大管理功能，但具体细节还不够详细，很多内容有待进一步研究和规范。




光分插复用(OADM)
OADM是波分复用（WDM）光网络的关键器件之一，其功能是从传输光路中有选择地上下本地接收和发送某些波长信道，同时不影响其它波长信道的传输。也就是说，OADM在光域内实现了传统的SDH（电同步数字层次结构）分插复用器在时域内完成的功能，而且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号，这一点比电ADM更优越。

鉴于OADM在骨干网节点及本地接入中的重要作用，国内外各大学、公司和团体都展开了比较深入的研究，有力的推动了OADM商业化进程。美国于1994年开始的MONET计划，包含基于声光可调谐滤波器结构的8波长通道OADM节点的研究。欧盟于1995年开始的ACTS计划中有COBNET（联合光干线通信网）和METON（光城域通信网）两个项目都与OADM有关，该计划对OADM器件进行了广泛而深入的研究。

从商业化程度来看，目前Lucent公司已经研制出40×10Gb/s带有完善网络接口的OADM节点，并成功推向市场。其它如Alcatel，Siemens，NEC等公司也都有成熟产品推出。目前国内对OAMD的研究也取得了很大进展，在863-300项目“中国高速信息示范网”中，大唐、武邮、中兴分别完成了8路波长，任意上下的OADM节点，具有完善的网络管理接口，可根据网络需求，对OADM进行灵活配置。




OADM的物理模型
一般的OADM节点可以用四端口模型来表示，基本功能包括三种：下路需要的波长信道，复用进上路信号，使其它波长信道尽量不受影响地通过。OADM具体的工作过程如下：从线路来的WDM信号包含N个波长信道，进入OADM的“Main Input”端，根据业务需求，从N个波长信道中，有选择性地从下路端（Drop）输出所需的波长信道，相应地从上路端（Add）输入所需的波长信道。而其它与本地无关的波长信道就直接通过OADM，和上路波长信道复用在一起后，从OADM的线路输出端（Main Output）输出。




网络设计对OADM的要求
根据不同的组网设计、业务需求情况和资源配置，光网络对用于其中的OADM节点有一定的要求，主要集中在性能要求上，具体体现在以下几个方面：重构性、可扩展性、透明性以及多通道处理能力。

此外，引入OADM对网络管理有利有弊。尽管OADM允许光信道的灵活管理，但其灵活性不是完全不受约束的，OADM带来的信号恶化需要认真考虑。在网络目标与OADM的光性能上存在一个技术选择的平衡点。




OADM 中的主要参数
主要参数有：信道间隔、信道带宽、中心波长、信道隔离度、波长温度稳定度、信道差损均匀性。




OADM节点技术分类和比较
OADM节点的核心器件是光滤波器件，由滤波器件选择要上/下路的波长，实现波长路由。目前应用于OADM中的比较成熟的滤波器有声光可调谐滤波器、体光栅、阵列波导光栅（AWG）、光纤布拉格光栅（FBG）、多层介质膜等。

根据可实现上下波长的灵活性，OADM可分为固定波长OADM、半可重构OADM和完全可重构OADM。从实际应用上看固定波长OADM和半可重构OADM已可以应用于系统中，而在大型网络节点中可以上下任意波长信道的完全可重构OADM实现起来还有一定难度。

从OADM实现的具体形式来看，主要包括分波合波器加光开关阵列及光纤光栅加光开关两大类。

1）分波合波器加光开关阵列

这种结构的波长路由采用分波合波器，OADM的直通与上下的切换由光开关或光开关阵列来实现。这种结构的支路与群路间的串扰由光开关决定，波长间串扰由分波合波器决定。由于分波合波器的损耗一般都比较大，所以这种结构的主要不足是插损较大。目前分波合波器多采用体光栅、多层介质膜和阵列波导光栅等器件。从物理上看分波器反过来用就成为合波器，当然在实际设计上分波器与合波器的考虑还是略有不同的,下面从构成分波器的角度对这三种器件分别加以简要介绍。

多层介质膜

多个FP腔级联构成多层介质膜，根据每个FP腔的透过波长不同来实现解复用功能，这是多层介质膜的工作原理。其优点是顶带平坦，波长响应尖锐，温度稳定性好，损耗低，对信号的偏振性不敏感，在商用系统中广泛应用。但由于它要通过透镜与光纤相连，因而光纤耦合需要精确校准，另外其稳定性也受到环境温度的影响，因此在生产与复制过程中难以保证通带中心波长的精确控制。

体光栅

体光栅属于角色散型器件。衍射光栅在玻璃衬底上沉积环氧树脂，在其上制造光栅线，构成反射型闪耀光栅。入射光照射到光栅上后，由于光栅的角色散作用，不同波长的光以不同角度反射，然后经透镜汇聚到不同的输出光纤，从而完成波长选择作用。由于体光栅是体型装置，不易制造，价格昂贵。

阵列波导光栅

将光从普通的N×N星型耦合器的任何一处输入都将传到所有输出端，没有任何波长选择性。而在阵列波导光栅(AWG)中，任何工作频段内的输入光都将从一个确定的端口输出，这样就可以实现复用和解复用的功能。与目前常用的多层介质膜相比，AWG的特点是结构紧凑、价格便宜、信道间隔更窄，适用于多信道的大型节点。

AWG需要解决的问题有：偏振的影响、温度的影响、光纤的连接与耦合。

2）光纤光栅

光纤布拉格光栅（FBG）是使用紫外光干涉在光纤中形成周期性的折射率变化（光栅）制成的光器件。其优点是可直接写入通信光纤，成本低，生产重复性高，可批量生产，易于与各种光纤系统连接，连接损耗小，波长、带宽、色散可灵活控制。存在的主要问题是受外界环境的影响较大，如温度、应变等因素的微小变化都会导致中心波长的漂移。

干线WDM信号经开关选路，每路的光栅对准一个波长，被光栅反射的波长经环行器下路到本地，其他的干线信号波长通过光栅经环行器跟本地节点的上路信号波长合波，继续在干线上向前传输。这个方案可以根据开关和光栅来任意选择上下话路的波长，使网络资源的配置具有较大的灵活性。由于每个FBG只能下一路波长信道，由于生产成本的原因，这种结构只能适用于上下话路不多的小型节点。