全光网络实现关键:光分插复用(OADM)节点技术

2006-05-07 15:50:09来源: 电子产品世界

    光通信具有带宽大、可靠性高、成本低等特点,光通信系统和光网络飞速发展给信息时代带来新的革命。 OADM节点在光网络中的应用,使得环内路由操作不受传输信号类型和速率的影响,从而实现本地网的透明,为提供端到端的波长业务奠定基础。也就是说用户可以根据自己的需要将任何形式,任何速率的信息承载在某一个波长上,而网络通过波长标识路由将其传到目的地。

一、概述

    WDM光网络简介

    随着数据业务以几何级数增长,尤其是Internet的迅速普及,现有网络技术已远远不能适应广大用户对网络速度和带宽的要求。90年代中期后走向实用的光波分复用(WDM)技术可以较好地利用光纤的宽带能力,是一种比较经济实用的扩大传输容量的方法,因而在近年来得到迅速发展,目前商品化的系统传输容量已达400Gb/s,实验系统则达到10Tb/s。

    然而,目前光纤传送的信息到了节点上还必须全部经过光/电转换,依靠电子设备进行互联和交换,再把电信号转换成光信号向下传输。光电转换和电子设备的速率限制了交换容量的提高,即形成所谓的“电子瓶颈”。

    可以预计,建立在WDM传输和OADM、OXC光节点基础上的WDM全光网(WDM-AONs)将成为占主导地位的新一代光纤通信网络,以其高度的透明性、兼容性、可重构性和可扩展性,满足当今信息通信容量急剧增长的需要。

    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。

    OADM的研究进展和技术水平

    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。

二、OADM的技术原理

    OADM的物理模型

    如图1所示为OADM的基本原理示意图。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、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。其系统结构如图2所示。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

    如图3所示是包含8个FP结构介质膜的级联结构的分波器。

    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结构如图4所示,包括一个输入波导阵列和输出波导阵列,在二维波导平板上成几何中心对称。

    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。

    如图5所示,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。

附表 三种结构OADM的典型值

OADM 多层介质膜16通道
频率间隔100GHz
波导光栅阵列16通道
频率间隔100GHz
光纤光栅带度0.4nm
1dB带宽(nm) 0.4 0.4 0.09
隔离度(db) 25 22 25
损耗(dB) 7 9 6
偏振敏感性(dB) 0.2 0.8 0.2
温漂系数(nm/℃) 0.0005 0.01 0.01

三、小结

   
随着半导体工艺以及光子集成技术的不断发展,可以预计,未来OADM将向小型化、集成化发展,其价格也会进一步降低,从而满足实用化的需要。

关键字:全光网络  网络  实现  关键

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