全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵：光分插復(fù)用（OADM）節(jié)點(diǎn)技術(shù)

1、    全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵：光分插復(fù)用（OADM）節(jié)點(diǎn)技術(shù)    全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵：光分插復(fù)用（OADM）節(jié)點(diǎn)技術(shù)    類別：通信網(wǎng)絡(luò)      作者：清華大學(xué)電子工程系 初元量     張漢一    來(lái)源：電子產(chǎn)品世界          

2、               全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵：光分插復(fù)用（OADM）節(jié)點(diǎn)技術(shù)                 光通信具有帶寬大、可靠性高、成本低等特點(diǎn),光通信系統(tǒng)和光網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展給信息時(shí)代帶來(lái)新的革命。 OADM節(jié)點(diǎn)在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,使得環(huán)內(nèi)路由操作不受傳輸信號(hào)類型和速率的影響,從而實(shí)現(xiàn)本地網(wǎng)的透

3、明,為提供端到端的波長(zhǎng)業(yè)務(wù)奠定基礎(chǔ)。也就是說(shuō)用戶可以根據(jù)自己的需要將任何形式,任何速率的信息承載在某一個(gè)波長(zhǎng)上,而網(wǎng)絡(luò)通過(guò)波長(zhǎng)標(biāo)識(shí)路由將其傳到目的地。     一、概述     WDM光網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介     隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，尤其是Internet的迅速普及，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)廣大用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度和帶寬的要求。90年代中期后走向?qū)嵱玫墓獠ǚ謴?fù)用（WDM）技術(shù)可以較好地利用光纖的寬帶能力，是一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的擴(kuò)大傳輸容量的方法，因而在近年來(lái)得到迅速發(fā)展，目前商品化的

4、系統(tǒng)傳輸容量已達(dá)400Gb/s,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)則達(dá)到10Tb/s。     然而，目前光纖傳送的信息到了節(jié)點(diǎn)上還必須全部經(jīng)過(guò)光/電轉(zhuǎn)換，依靠電子設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)和交換，再把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)向下傳輸。光電轉(zhuǎn)換和電子設(shè)備的速率限制了交換容量的提高，即形成所謂的“電子瓶頸”。     可以預(yù)計(jì)，建立在WDM傳輸和OADM、OXC光節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上的WDM全光網(wǎng)(WDM-AONs)將成為占主導(dǎo)地位的新一代光纖通信網(wǎng)絡(luò)，以其高度的透明性、兼容性、可重構(gòu)性和可擴(kuò)展性，滿足當(dāng)今信息通信容量急劇增長(zhǎng)的需要。   &

5、#160; OADM是波分復(fù)用（WDM）光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件之一，其功能是從傳輸光路中有選擇地上下本地接收和發(fā)送某些波長(zhǎng)信道，同時(shí)不影響其它波長(zhǎng)信道的傳輸。也就是說(shuō)，OADM在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的SDH（電同步數(shù)字層次結(jié)構(gòu)）分插復(fù)用器在時(shí)域內(nèi)完成的功能，而且具有透明性，可以處理任何格式和速率的信號(hào)，這一點(diǎn)比電ADM更優(yōu)越。     OADM的研究進(jìn)展和技術(shù)水平     鑒于OADM在骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及本地接入中的重要作用，國(guó)內(nèi)外各大學(xué)、公司和團(tuán)體都展開(kāi)了比較深入的研究，有力的推動(dòng)了OADM商業(yè)化進(jìn)程。美國(guó)于1994年開(kāi)始的MO

6、NET計(jì)劃，包含基于聲光可調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)的8波長(zhǎng)通道OADM節(jié)點(diǎn)的研究。歐盟于1995年開(kāi)始的ACTS計(jì)劃中有COBNET（聯(lián)合光干線通信網(wǎng)）和METON（光城域通信網(wǎng)）兩個(gè)項(xiàng)目都與OADM有關(guān)，該計(jì)劃對(duì)OADM器件進(jìn)行了廣泛而深入的研究。     從商業(yè)化程度來(lái)看，目前Lucent公司已經(jīng)研制出40×10Gb/s帶有完善網(wǎng)絡(luò)接口的OADM節(jié)點(diǎn)，并成功推向市場(chǎng)。其它如Alcatel，Siemens，NEC等公司也都有成熟產(chǎn)品推出。目前國(guó)內(nèi)對(duì)OAMD的研究也取得了很大進(jìn)展，在863-300項(xiàng)目“中國(guó)高速信息示范網(wǎng)”中，大唐、武郵、中興分別完成了8

7、路波長(zhǎng)，任意上下的OADM節(jié)點(diǎn)，具有完善的網(wǎng)絡(luò)管理接口，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求，對(duì)OADM進(jìn)行靈活配置。        二、OADM的技術(shù)原理     OADM的物理模型     如圖1所示為OADM的基本原理示意圖。一般的OADM節(jié)點(diǎn)可以用四端口模型來(lái)表示，基本功能包括三種：下路需要的波長(zhǎng)信道，復(fù)用進(jìn)上路信號(hào)，使其它波長(zhǎng)信道盡量不受影響地通過(guò)。OADM具體的工作過(guò)程如下：從線路來(lái)的WDM信號(hào)包含N個(gè)波長(zhǎng)信道，進(jìn)入OADM的“Main Inpu

8、t”端，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，從N個(gè)波長(zhǎng)信道中，有選擇性地從下路端（Drop）輸出所需的波長(zhǎng)信道，相應(yīng)地從上路端（Add）輸入所需的波長(zhǎng)信道。而其它與本地?zé)o關(guān)的波長(zhǎng)信道就直接通過(guò)OADM，和上路波長(zhǎng)信道復(fù)用在一起后，從OADM的線路輸出端（Main Output）輸出。     網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)對(duì)OADM的要求     根據(jù)不同的組網(wǎng)設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)需求情況和資源配置，光網(wǎng)絡(luò)對(duì)用于其中的OADM節(jié)點(diǎn)有一定的要求，主要集中在性能要求上，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：重構(gòu)性、可擴(kuò)展性、透明性以及多通道處理能力。   

9、     此外，引入OADM對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理有利有弊。盡管OADM允許光信道的靈活管理，但其靈活性不是完全不受約束的，OADM帶來(lái)的信號(hào)惡化需要認(rèn)真考慮。在網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)與OADM的光性能上存在一個(gè)技術(shù)選擇的平衡點(diǎn)。     OADM 中的主要參數(shù)     主要參數(shù)有：信道間隔、信道帶寬、中心波長(zhǎng)、信道隔離度、波長(zhǎng)溫度穩(wěn)定度、信道差損均勻性。     OADM節(jié)點(diǎn)技術(shù)分類和比較     OADM節(jié)點(diǎn)

10、的核心器件是光濾波器件，由濾波器件選擇要上/下路的波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)路由。目前應(yīng)用于OADM中的比較成熟的濾波器有聲光可調(diào)諧濾波器、體光柵、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）、光纖布拉格光柵（FBG）、多層介質(zhì)膜等。     根據(jù)可實(shí)現(xiàn)上下波長(zhǎng)的靈活性，OADM可分為固定波長(zhǎng)OADM、半可重構(gòu)OADM和完全可重構(gòu)OADM。從實(shí)際應(yīng)用上看固定波長(zhǎng)OADM和半可重構(gòu)OADM已可以應(yīng)用于系統(tǒng)中，而在大型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中可以上下任意波長(zhǎng)信道的完全可重構(gòu)OADM實(shí)現(xiàn)起來(lái)還有一定難度。        從OAD

11、M實(shí)現(xiàn)的具體形式來(lái)看，主要包括分波合波器加光開(kāi)關(guān)陣列及光纖光柵加光開(kāi)關(guān)兩大類。     1）分波合波器加光開(kāi)關(guān)陣列     這種結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)路由采用分波合波器，OADM的直通與上下的切換由光開(kāi)關(guān)或光開(kāi)關(guān)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)的支路與群路間的串?dāng)_由光開(kāi)關(guān)決定，波長(zhǎng)間串?dāng)_由分波合波器決定。由于分波合波器的損耗一般都比較大，所以這種結(jié)構(gòu)的主要不足是插損較大。目前分波合波器多采用體光柵、多層介質(zhì)膜和陣列波導(dǎo)光柵等器件。從物理上看分波器反過(guò)來(lái)用就成為合波器，當(dāng)然在實(shí)際設(shè)計(jì)上分波器與合波器的考慮還是略有不同的

12、,下面從構(gòu)成分波器的角度對(duì)這三種器件分別加以簡(jiǎn)要介紹。     多層介質(zhì)膜     多個(gè)FP腔級(jí)聯(lián)構(gòu)成多層介質(zhì)膜，根據(jù)每個(gè)FP腔的透過(guò)波長(zhǎng)不同來(lái)實(shí)現(xiàn)解復(fù)用功能，這是多層介質(zhì)膜的工作原理。其優(yōu)點(diǎn)是頂帶平坦，波長(zhǎng)響應(yīng)尖銳，溫度穩(wěn)定性好，損耗低，對(duì)信號(hào)的偏振性不敏感，在商用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。但由于它要通過(guò)透鏡與光纖相連，因而光纖耦合需要精確校準(zhǔn)，另外其穩(wěn)定性也受到環(huán)境溫度的影響，因此在生產(chǎn)與復(fù)制過(guò)程中難以保證通帶中心波長(zhǎng)的精確控制     如圖3所示是包含8個(gè)FP結(jié)構(gòu)介質(zhì)膜的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)

13、的分波器。     體光柵     體光柵屬于角色散型器件。衍射光柵在玻璃襯底上沉積環(huán)氧樹(shù)脂，在其上制造光柵線，構(gòu)成反射型閃耀光柵。入射光照射到光柵上后，由于光柵的角色散作用，不同波長(zhǎng)的光以不同角度反射，然后經(jīng)透鏡匯聚到不同的輸出光纖，從而完成波長(zhǎng)選擇作用。由于體光柵是體型裝置，不易制造，價(jià)格昂貴。     陣列波導(dǎo)光柵     將光從普通的N×N星型耦合器的任何一處輸入都將傳到所有輸出端，沒(méi)有任何波長(zhǎng)選擇性。而在陣列波導(dǎo)光柵

14、(AWG)中，任何工作頻段內(nèi)的輸入光都將從一個(gè)確定的端口輸出，這樣就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)用和解復(fù)用的功能。與目前常用的多層介質(zhì)膜相比，AWG的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、信道間隔更窄，適用于多信道的大型節(jié)點(diǎn)。     AWG結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括一個(gè)輸入波導(dǎo)陣列和輸出波導(dǎo)陣列，在二維波導(dǎo)平板上成幾何中心對(duì)稱。     AWG需要解決的問(wèn)題有：偏振的影響、溫度的影響、光纖的連接與耦合。     2）光纖光柵     光纖布拉格光柵（FBG）是使用紫外光

15、干涉在光纖中形成周期性的折射率變化（光柵）制成的光器件。其優(yōu)點(diǎn)是可直接寫(xiě)入通信光纖，成本低，生產(chǎn)重復(fù)性高，可批量生產(chǎn)，易于與各種光纖系統(tǒng)連接，連接損耗小，波長(zhǎng)、帶寬、色散可靈活控制。存在的主要問(wèn)題是受外界環(huán)境的影響較大，如溫度、應(yīng)變等因素的微小變化都會(huì)導(dǎo)致中心波長(zhǎng)的漂移。     如圖5所示，干線WDM信號(hào)經(jīng)開(kāi)關(guān)選路，每路的光柵對(duì)準(zhǔn)一個(gè)波長(zhǎng)，被光柵反射的波長(zhǎng)經(jīng)環(huán)行器下路到本地，其他的干線信號(hào)波長(zhǎng)通過(guò)光柵經(jīng)環(huán)行器跟本地節(jié)點(diǎn)的上路信號(hào)波長(zhǎng)合波，繼續(xù)在干線上向前傳輸。這個(gè)方案可以根據(jù)開(kāi)關(guān)和光柵來(lái)任意選擇上下話路的波長(zhǎng)，使網(wǎng)絡(luò)資源的配置具有較大的靈活性。由于每個(gè)

16、FBG只能下一路波長(zhǎng)信道，由于生產(chǎn)成本的原因，這種結(jié)構(gòu)只能適用于上下話路不多的小型節(jié)點(diǎn)。     附表 三種結(jié)構(gòu)OADM的典型值         OADM    多層介質(zhì)膜16通道    頻率間隔100GHz    波導(dǎo)光柵陣列16通道    頻率間隔100GHz    光纖光柵

17、帶度0.4nm        1dB帶寬（nm）    0.4    0.4    0.09        隔離度（db）    25    22    25        損耗（dB）    7    9    6        偏振敏感性（dB）    0.2    0.8    0.2