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1、第五章第五章 可重构光分插复用器可重构光分插复用器张敏明：张敏明：万助军：万助军：华中科技大学光电学院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ROADM5.2 波长阻塞器5.3 波长选择型ROADM5.4 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：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：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
2、为采用光交换，与通信速率和协议格式无关。OXC和和ROADM是实现动态全光通信网的关键器件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双向光纤环网中的ROADM节点结构节点结构：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
3、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，而城域网中个，而城域网中总节点数量往往达到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。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，需要为升级扩容作好准备，因此需要大量的动态器件因此需要大量的动态器件ROADM和和OXC。ROADM的市场需求2006年年9月，月，H
4、eavy Reading发布发布ROADM设备市场研究报告，对之前两年设备市场研究报告，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年年较较2006年增长年增长246%，市场总额将达到，市场总额将达到9.2亿美元。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OXCROADM的分类广播广播&选择型选择型ROADM（B&S型）：型）：损耗
5、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。波长选择型波长选择型ROADM（WS型）：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。从结构角度分成从结构角度分成 B&S型和型和WS型：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：从功能角度分成四类：波长阻塞器第五章
6、 可重构光分插复用器5.1 全光通信网中的ROADM5.2 波长阻塞器5.3 波长选择型ROADM5.4 波长选择开关5.5 ROADM技术对比基于MEMS技术的波长阻塞器l基于基于MEMS微镜技术微镜技术l贝尔实验室的贝尔实验室的Neilson等人报道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l基于液晶（基于液晶（LC）技术）技术lJDSU公司方案公司方案可以阻
7、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l基于基于PLC技术技术lNeophotonics公司方案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 阻塞器采用两级阻塞器采用两级MZI光开关以
8、降低串扰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ROADM5.2 波长阻塞器5.3 波长选择型ROADM5.4 波长选择开关5.5 ROADM技术对比基于PLC技术的WS型ROADM基于基于PLC技术的传统技术的传统ROADM结构：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。基于基于PLC技术、上技术、上/下载模块分离的下载模块分离的ROADM结构：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D
9、uPont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
10、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朗讯公司报道的混合结构I类类ROADM：PLC技术与MEMS技术相结合；通道数为16，通道间隔为100GHz；
11、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，上贝尔实验室报道，上/下载模块分离的下载模块分离的II类类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ROADMAT&T实验室报道的混合结构实验室
12、报道的混合结构II类类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ROADM5.2 波长阻塞器5.3 波长选择型ROADM5.4 波长选择开关5.5 ROADM技术对比基于LCoS技术的WSS澳大利亚澳大利亚Engana Pty公司的公司的Baxter等人报道等人报道LCoS是一种以有源硅片为基底的
13、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贝尔实验室的贝尔实验室的Marom等人报道等人报道14WSS通道数为128，通道间隔为50GHz；IL小于5dB，PDL小于1dB；
14、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加拿大加拿大Metconnex公司的公司的Ducellier等人等人报道报道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贝尔实验室的贝尔实验室的Doerr等人报道等人报道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
15、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也可以由也可以由WSS组合而成组合而成第五章 可重构光分插复用器5.1 全光通信网中的ROADM5.2 波长阻塞器5
16、.3 波长选择型ROADM5.4 波长选择开关5.5 ROADM技术对比波长阻塞器技术对比ApproachCHsIL(dB)PDL(dB)0.5dB-PB(100GHz)Crosstalk(dB)DCE1(dB)ResponseMEMS6450.3558 GHz-351010msLC10050.3050 GHz-401530msPLC24050.4050 GHz-353510ms1.DCEDynamic Channel Equalization，通道均衡，WB兼有通道均衡功能；2.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
17、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ApproachCHsIL(dB)PDL(dB)0.5dB-PB(100GHz)Crosstalk(dB)Response(ms)ROADM TypeTFF+MOM-SW18100.527 GHz-3010AWG+MEMS-SW32140.540 GHz-4010AWG+TO-SW24070.540 G
18、Hz-4010,1.MOM-SWMicro-Opto-Mechanical Switch，微机械光开关；2.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
19、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ApproachCHsPortsIL(dB)PDL(dB)0.5dB-PB(100GHz)Crosstalk(dB)Response(ms)LCoS801950.580-4010msMEMS1281451.074-4010msPLC+MEMS39197.60.350-3510msPLC140197.50.240-4310ms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
20、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：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
21、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：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1.Eldada L.Advances in ROADM technologies and subsystems.Proc.of SPIE,2005:5970222.Tomlinson W.J.Wavelength-selective switching-architecture and technology overview.O
22、FC2004:WC33.Baxter G.,Frisken S.,Abakoumov D.Highly programmable wavelength selective switch based on liquid crystal on silicon switching elements.OFC2006:OtuF24.Maro D.M.,Neilson D.T.,Greywall D.S.Wavelength-selective 1K switches using free-space optics and MEMS micromirrors:theory,design,and implementation.J.Lightwave technol.,2005,4:1620-