全光交叉技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

訊石光通訊網(wǎng) 2023/4/25 21:09:17

  ROADM(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer)可以實(shí)現(xiàn)多維度、大容量波長(zhǎng)級(jí)調(diào)度,具備低時(shí)延、低功耗的優(yōu)點(diǎn),滿足干線、城域及數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等組網(wǎng)需求。隨著維度增加,ROADM站點(diǎn)內(nèi)部連纖數(shù)量急劇增加,導(dǎo)致開(kāi)通和維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、易出錯(cuò),占地面積、功耗也大幅增加。全光交叉(Optical Cross-Connect,OXC)針對(duì)ROADM在使用中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn),使用全光無(wú)阻交叉的光背板,與高集成度的光線路板和光上下路板配合,實(shí)現(xiàn)了插板即連纖,避免了復(fù)雜的內(nèi)部連纖,提高了開(kāi)通和維護(hù)效率。OXC單機(jī)柜可實(shí)現(xiàn)32維交叉調(diào)度,減少了占地面積。從2018年開(kāi)始,OXC技術(shù)在中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通等運(yùn)營(yíng)商廣泛應(yīng)用。

  OXC組成及關(guān)鍵技術(shù)

  OXC主要包含光背板、光線路板和光上下路板,涉及光背板、高密度光連接器、1×N WSS(波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān))、M×N WSS等關(guān)鍵技術(shù)。光背板包括柔性光背板及高密度連接器。OXC的光上下路單板分為支持CDF(Colorless、Directionless、Flexgrid)光上下路單板以及支持CDCF(Colorless、Directionless、Contentionless、Flexgrid)兩種,如圖1和圖2所示。前一種采用TWIN 1×N WSS,不支持競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān);將WSS和光放大器集成,占用1個(gè)槽位,可以實(shí)現(xiàn)32路業(yè)務(wù)上下,通過(guò)單板的高密度連接器及光背板的光纖連接,調(diào)度到任意光方向。后一種采用M×N WSS,占用2個(gè)槽位??梢詫?shí)現(xiàn)8/16維,48波業(yè)務(wù)上下,支持8/16維競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān)。

  OXC的光線路單板將WSS、光放大器、OP、OSC、OTDR功能模塊進(jìn)行高度集成,一塊光線路單板占用一個(gè)槽位,實(shí)現(xiàn)一個(gè)光方向的相應(yīng)功能。光線路板通過(guò)高密度連接器與光背板相連,可以將一組波長(zhǎng)調(diào)度到任意光方向或調(diào)度到任意光上下路單板進(jìn)行業(yè)務(wù)上下(見(jiàn)圖3)。

圖1   光上下路板(CDF)

圖2   光上下路單板(CDCF)

圖3   光線路板

  光背板

  ROADM不同光方向調(diào)度和本地上下通過(guò)WSS單板面板光口光纖連接。對(duì)于9維、20維和32維ROADM,連纖數(shù)量分別為81根、400根和1024根。為了解決大量光纖連接復(fù)雜、易出錯(cuò)、不易維護(hù)的問(wèn)題,OXC采用了光背板技術(shù)。將ROADM單板光口之間的內(nèi)部連纖轉(zhuǎn)化為光背板上的高密度互聯(lián)光纖。將內(nèi)部連纖分成多組通過(guò)光纖布線機(jī)布線,封裝到柔性板材中,形成支持無(wú)阻光纖連接的柔性光背板。以32維OXC為例,需要將光纖分為32組,每組64芯,還需要留有光纖進(jìn)行光性能監(jiān)控、背板插損檢測(cè),實(shí)際上多于64芯。目前,32維的柔性光背板的生產(chǎn)加工已經(jīng)非常成熟,國(guó)內(nèi)和國(guó)外多個(gè)廠家都具有批量生產(chǎn)發(fā)貨能力。同時(shí),業(yè)界具備更高維度柔性光背板的生產(chǎn)能力,滿足OXC向更高維度發(fā)展的需求。

  高密度連接器

  光背板通過(guò)高密度連接器與光線路單板及光上下路單板連接。

  OXC的光連接器必須具備兩個(gè)特點(diǎn)。一是高密度,對(duì)于16維OXC光連接器至少要達(dá)到32芯光纖,32維OXC至少要達(dá)到64芯光纖,才能保證OXC站點(diǎn)內(nèi)各光板的全互聯(lián)。實(shí)際上還要給監(jiān)控、檢測(cè)、環(huán)回等功能預(yù)留連接光纖,所需要的光纖芯數(shù)更多。二是可以盲插,需要連接器具備高對(duì)接精度、多次插拔的可靠性、彈性設(shè)計(jì)、低插損等特點(diǎn)。

  標(biāo)準(zhǔn)MT連接器已可實(shí)現(xiàn)24芯光纖封裝,多組MT形成陣列,再結(jié)合彈性設(shè)計(jì)、背板插座、單板插座等,即可實(shí)現(xiàn)完整的OXC光連接器。另外端面鍍膜工藝改進(jìn)的非接觸式連接器也在研究中,有望進(jìn)一步增加連接器容量,提高連接器性能。

  波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)WSS

  光上下路單板和光線路板核心器件為1×N WSS和M×N WSS,相關(guān)技術(shù)主要包括基于自由空間光學(xué)設(shè)計(jì)的LC Array(Liquid Crystal Array)、MEMS(Micro-Electro Mechanical System)和LCoS(Liquid Crystal on Silicon)及基于硅光的微環(huán)諧振器MRR(Micro-Ring Resonator)和MZI (March-Zehnder Interferometer)。

  基于LC陣列的WSS,通過(guò)改變加在液晶單元上的驅(qū)動(dòng)電壓,改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)。雙折射棱鏡對(duì)不同偏振態(tài)的光折射率不同,從而通過(guò)改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài),控制出射光的偏轉(zhuǎn)角度。LC Array技術(shù)主要用于1×9和1×20 WSS,端口數(shù)再增加時(shí)需要更多的LC級(jí)聯(lián),設(shè)計(jì)和封裝困難。

  基于MEMS的WSS,每個(gè)MEMS微鏡都可單獨(dú)控制,通過(guò)改變控制電壓,可以控制MEMS微鏡的旋轉(zhuǎn)角度,從而改變?nèi)肷涔獾姆瓷浣嵌?,進(jìn)入不同的輸出光口,實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇。MEMS可以用于高端口WSS和M×N WSS。由于微鏡之間的間距過(guò)大,占空比低,在連續(xù)光譜操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生光譜凹陷,不能實(shí)現(xiàn)靈活柵格,應(yīng)用場(chǎng)景受限。

  基于LCoS的WSS,在硅基底上基于CMOS晶體管設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)液晶的驅(qū)動(dòng)電路?;咨嫌卸S像元陣列,每個(gè)像元都可單獨(dú)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路改變電壓,從而改變像元上面液晶的相位。分別調(diào)整相鄰像元相位延遲,可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)在各端口之間的自由切換。LCoS技術(shù)具有更高的填充比因子,像元分辨率也更高,已用于制作高端口的1×N WSS,更適合制作支持靈活柵格的M×N  CDCF WSS,已成為主流。

  基于微環(huán)諧振器MRR(Micro-Ring Resonator)的WSS,SOI波導(dǎo)由于折射率差大,可以實(shí)現(xiàn)半徑很小的微環(huán)結(jié)構(gòu),通過(guò)調(diào)整微環(huán)的諧振狀態(tài)實(shí)現(xiàn)指定波長(zhǎng)的上下路。近年來(lái)相關(guān)研究,對(duì)于基于MRR的WSS方案中自由頻譜區(qū)(FSR)范圍、hitless無(wú)損調(diào)整、偏振無(wú)關(guān)等比較關(guān)鍵的問(wèn)題提出了一些解決方案,期待進(jìn)一步解決加工精度、控制復(fù)雜度等相關(guān)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化突破。另外,也有基于MZI和微環(huán)組合或者單純基于MZI進(jìn)行波長(zhǎng)選擇的濾波器設(shè)計(jì)方案,同樣距離技術(shù)成熟還需要一定的時(shí)間。

  OXC的優(yōu)勢(shì)

  與ROADM相比,OXC通過(guò)板卡功能高度集成、光背板,可以大大減少占地面積,降低設(shè)備功耗和簡(jiǎn)化內(nèi)部連纖(見(jiàn)圖4)。20維OXC只需要使用1個(gè)機(jī)柜,占地面積降低了2/3。只需使用30多塊單板,單板使用數(shù)量降低2/3,相應(yīng)功耗也降低。站點(diǎn)內(nèi)部的光纖連接都通過(guò)光背板,完成插板即連纖,提高了開(kāi)通效率,降低了維護(hù)成本。

  · 集成度高,占地面積小,節(jié)省機(jī)房空間

  ROADM站點(diǎn)需要使用光放大、WSS、OSC、OTDR、OP等分離單板,單板種類多,數(shù)量大,需要使用多個(gè)機(jī)柜。OXC進(jìn)行了優(yōu)化,對(duì)相關(guān)單板功能進(jìn)行了高度集成,光線路板和光上下路板只占用一個(gè)槽位即可實(shí)現(xiàn)線路方向接入和32波業(yè)務(wù)上下;只需要一個(gè)機(jī)柜可實(shí)現(xiàn)32維光交叉調(diào)度,節(jié)省占地面積2/3。

  · 綠色節(jié)能,便捷開(kāi)通,維護(hù)方便,運(yùn)維成本低

  16維OXC只需要一主一備63A電源,32維OXC只需要兩主兩備63A,與ROADM相比,設(shè)備功耗降低,同時(shí)減少了電源端子需求數(shù)量。同時(shí),采用光背板解決了ROADM內(nèi)部連纖數(shù)量多、開(kāi)通效率低、維護(hù)困難的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部“零”光纖連接,插板即連纖;插入一塊光線路單板,連接線路光纖進(jìn)行軟件配置即可開(kāi)通1維;插入一塊光上下單板,連接相關(guān)業(yè)務(wù)單板,軟件設(shè)置即可開(kāi)通業(yè)務(wù),開(kāi)通便捷;支持光層OAM,可監(jiān)測(cè)每個(gè)波長(zhǎng)通道的業(yè)務(wù)速率、出光功率、中心波長(zhǎng)、源節(jié)點(diǎn)等信息并進(jìn)行路由校驗(yàn),便于故障定位,降低運(yùn)維成本。

  · 支持超大容量光交叉,低時(shí)延

  支持CE、C++和L++波段,單個(gè)機(jī)柜支持32維,可支持1024T光交叉,滿足干線及城域光交叉容量的需求;與支線路合一的業(yè)務(wù)單板配合,可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)級(jí)交叉調(diào)度;與OTN設(shè)備配合使用,可實(shí)現(xiàn)子波長(zhǎng)及波長(zhǎng)級(jí)交叉調(diào)度。光交叉節(jié)點(diǎn)只通過(guò)光纖連接,幾乎達(dá)到“零”時(shí)延。

  · 網(wǎng)絡(luò)智能化

  智能化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼百Y源自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)開(kāi)通及控制、路由計(jì)算、智能化調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控等功能。OXC作為物理層設(shè)備,支持CDC功能,可解決波長(zhǎng)沖突問(wèn)題,增加光交叉調(diào)度的靈活性,提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率;支持FlexGrid,可實(shí)現(xiàn)傳輸管道帶寬的動(dòng)態(tài)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)100G、超100G等波長(zhǎng)智能化調(diào)度;支持光域均衡和光功率自動(dòng)優(yōu)化,減少WSS的串通代價(jià),提升系統(tǒng)傳輸性能,增加可用路由,提高了網(wǎng)絡(luò)的生存性。OXC在干線、城域網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,尤其是在高維度網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,為網(wǎng)絡(luò)智能化提供了保障。

  OXC的應(yīng)用及發(fā)展

  2018年開(kāi)始,國(guó)內(nèi)各廠家陸續(xù)開(kāi)始推出16/20/32維OXC產(chǎn)品,取代ROADM在中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通等運(yùn)營(yíng)商的干線、城域網(wǎng)絡(luò)商用。

  干線網(wǎng)絡(luò)傳輸距離長(zhǎng)達(dá)數(shù)千公里,一般采用星型組網(wǎng),物理鏈路不多,線路維度不高,但節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量大(尤其是核心節(jié)點(diǎn)),業(yè)務(wù)上下占用OXC維度多。16/20和32維OXC分別有16、20和32個(gè)槽位,每個(gè)槽位可以插入光線路單板或光上下路單板,實(shí)現(xiàn)一個(gè)光線路方向接入或一組32波業(yè)務(wù)上下。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮當(dāng)期的線路維度及業(yè)務(wù)上下。同時(shí),需要考慮將來(lái)線路維度及上下業(yè)務(wù)擴(kuò)容的需求,為后期擴(kuò)容預(yù)留槽位。后期擴(kuò)容非常方便,插入一塊光線路板即可增加一個(gè)線路維度,插入一塊光上下路板即可增加一組32波本地上下。本地上下路板有兩個(gè)擴(kuò)展口,每個(gè)擴(kuò)展口可以實(shí)現(xiàn)32波上下,在OXC槽位緊張的情況下,可以與傳輸子架上的WSS單板配合,實(shí)現(xiàn)單個(gè)OXC槽位96波業(yè)務(wù)上下。

  城域網(wǎng)絡(luò)傳輸距離短,一般為數(shù)百公里,采用Mesh組網(wǎng),物理鏈路多,線路維度多,每個(gè)維度均有業(yè)務(wù)上下。核心節(jié)點(diǎn)線路維度多,上下業(yè)務(wù)量大;非核心節(jié)點(diǎn)線路維度少,擴(kuò)容潛力小。同樣,需要根據(jù)當(dāng)期及后期線路維度和上下業(yè)務(wù)需求確定OXC的維度。一般情況下,國(guó)內(nèi)城域網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn)采用32維OXC,非核心節(jié)點(diǎn)采用16維OXC。

  網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來(lái)核心節(jié)點(diǎn)光層調(diào)度維數(shù)的增加,同時(shí),核心站點(diǎn)上下業(yè)務(wù)量增多。在電信西北環(huán)網(wǎng)絡(luò),太原樞紐樓站點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到57維。目前,已商用的1×N WSS最多只支持32維,不能滿足現(xiàn)網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn)高維度的需求。隨著網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展,高維度的需求越來(lái)越多,高維度64維或128維會(huì)成為OXC的一個(gè)發(fā)展方向。

  在高維度情況下,本地上下路很容易存在來(lái)自不同線路維度的同波長(zhǎng)業(yè)務(wù)沖突,所以CDC需求(波長(zhǎng)無(wú)關(guān)、方向無(wú)關(guān)、競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān))成為OXC的重要需求。目前商用的M×N WSS有8/16維,上下路端口數(shù)一般為24,不能滿足高維度以及本地業(yè)務(wù)上下數(shù)量多的需求。同時(shí),M×N WSS還不支持L++波段。高維度、多端口CDC及波段擴(kuò)展也是OXC的一個(gè)發(fā)展方向。

  隨著網(wǎng)絡(luò)的Mesh化、智能化,對(duì)光交叉的調(diào)度能力要求越來(lái)越高。ROADM采用分離的單板,存在占地面積大、功耗高、內(nèi)部連纖數(shù)量多、開(kāi)通維護(hù)易出錯(cuò)等問(wèn)題,只商用了9維和20維。OXC通過(guò)光背板、高集成度光線路板和光上下路板解決了上述問(wèn)題。OXC支持超大交叉容量,具有高集成度、占地面積小,開(kāi)通運(yùn)維便捷、綠色節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通等運(yùn)營(yíng)商干線和城域網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用。同時(shí),隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展,支持更高維度、多端口CDCF、支持L++波段CDCF也是需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

圖4   OXC和ROADM對(duì)比示意圖

  作者:中興通訊 李紅軍,王東,葉兵

新聞來(lái)源:中興通訊技術(shù)(簡(jiǎn)訊)

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