一种新型ROADM设备的光转发器设计与实现
时间：02-27
来源：中国光通信网
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1 引言
随着以IP业务为主的数据业务迅速增长，对网络带宽的需求变得越来越高，同时对网络带宽的动态分配要求也越来越迫切，要求网络向着高容量、智能化、动态可配置方向发展。DWDM系统中ROADM可方便的配置、可动态改变波长资源分配，可以满足动态可配置的业务需要，必将在DWDM系统中广泛应用。而光转发单元（OTU）是其中关键的部分，将非标准波长光信号变换成DWDM 标准波长光信号，并对波长通道进行性能监视和保护倒换，因此研究其性能和实现问题具有重要的实用价值。
2 ROADM|0">ROADM简要介绍
光分插复用设备（OADM）是DWDM环网组成的基本单元，OADM在光域内实现了SDH中的ADM（分插复用器）在时域内完成的功能，采用OADM组网可以灵活实现波长上下路，使网络具备动态重构和自愈功能，是未来全光网的重要设备之一。从功能角度来说，无论作为骨干节点本地交换局节点还是用户业务接入节点，OADM必须提供以下主要功能：
（1）可以有选择地按需上下路波长，每一次上下路波长都不影响直通波长，这一点保证了在不需要再生地情况下尽可能多得使用级联OADM。
（2）具有波长转换功能以实现开放式结构，使网络具有波长兼容和业务透明性，在上下路波长时可在承载本地业务的非标准波长与DWDM标准波长之间灵活转换。
（3）具有功率均衡能力，必须有能力有效控制直通波长和本地上下路波长的功率以补偿链路损耗。
（4）具有对波长进行管理和开销处理能力，可在远端或本地进行管理控制。
（5）满足光通信对传输光信号的常规要求，例如对最大信噪比OSNR，功率一致性和光损耗的要求等。
目前，从波长信道的上下路方式来看ROADM主要分为两大类：（1）开关型ROADM。上下路操作由光开关完成，输入光开关的是单波长（波段）信号，利用波长解复用器或波长光栅路由器(WGR)来实现解复用功能。该方案结构简单，控制容易，但损耗较大、成本较高，且光开关的时延会造成数据的丢失。(2)调谐型ROADM，即目前比较成熟的"耦合单元＋滤波单元＋合波器"方案。输入滤波器的是多波长信号，其工作原理为：输入的多波长复用光信号被光耦合器分成若干部分，一部分送给动态信道均衡器（DCE），由其控制特定波长信道通过或阻塞并阻断的波长信道。通过可调谐滤波器下路到本地，而上路的波长信道则经过可调谐激光器发射后通过光耦合器复用进传输线路，DCE同时完成增益均衡功能。这种结构提供了最大的网络配置灵活性。本文所介绍的OTU应用于此类系统中，在ROADM中的位置如图1所示：
整个ROADM系统主要由以下几大部分组成：线路处理部分，性能监控部分，分插复用部分，光转发单元和网元监控部分。其中，线路处理部分主要完成主光通道信号的功率放大、增益均衡和线路保护等处理功能；性能监控部分负责监测光纤线路上的多波长光信号，提取相关性能参数并上报给设备监控单元；分插复用部分负责对多波长光信号中若干单波长信号实施下路、直通、上路操作；转发单元OTU将客户层设备的非标准波长光信号变换成DWDM 标准波长光信号；网元监控部分负责对节点设备内各功能模块单元及环境条件实施监控，并对外提供网络管理接口。
3 OTU单元技术实现
OTU 单元是实现开放式WDM系统的关键。它将任意标准的光信号转换至满足G.692要求的波长光信号，在DWDM 系统上传输。目前在光网络中OTU有光/ 电/ 光型和全光型，全光型OTU尚未完全达到商用水平，本文介绍的OTU属于光/ 电/ 光型。OTU主要有三个功能：一是在光信号恶化的情况下执行再生功能；二是波长的上下路；三是执行开销处理，因为OTU可以接触电信号，所以它很容易进行开销处理。本设计支持动态信道，因此采用可调谐器件，"可调谐滤波器＋可调谐激光器"组合实现。整个OTU单元包括传送、控制、通信、电源、显示和接口等六个部分，其中主要是传送和控制部分。
控制部分单片机利用485串口和网管系统进行通信，完成OTU单板初始化，波长通道性能数据采集，当前温度信息，告警信息的提取(包括输出光谱中心波长偏移越限，输出光信号丢失，激光器温度越限，偏流越限，输入输出光功率越限等)，B1,J0字节提取,对可调谐激光器和可调谐滤波器的调谐控制等功能。
传送部分完成光通道的波长变换、性能监视、波长调谐等功能。OTU单元进行两路信号的处理：一路信号是用户侧SDH信号被OTU 单元接收，经过收发模块接收后转换成电信号，经电层的CDR和B1/J0模块处理，完成时钟数据恢复和性能监测，然后经过线路侧的可调谐激光器转变为所需波长光信号送出端口；另一路是线路侧的信号经可调谐滤波器后得到所要下路的波长信号，然后经收发模块转变成电信号，在电层经过CDR和B1/J0模块后再经收发模块转换成光信号给用户侧。
3.1 可调谐激光器
网络侧上路任意波长信号通过可调谐激光器完成。目前常见的可调谐激光器实现技术主要有以下几种：电流控制、温度控制和机械控制等类型。其中电流控制技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有纳秒级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较些温控技术激光器是通过改变激光器内的温度从而改变有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。这种控制技术的缺点是单个模块的调谐的宽度不宽，一般只有几个nm，而且调谐时间比较长，一般需要几秒的调谐稳定时间，因此这种激光器目前用在WDM系统中实用价值不大。基于温控技术的主要有DFB（分布反馈）和DBR（分布布喇格反射）激光器。机械控制主要是基于MEMS（微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB（分布反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构。
本设计采用的可调谐激光器采用SG-DBR（Sampled Grating Distributed Bragg Reflector采样光栅分布式布喇格反射激光器）结构，集成了1个SG-DBR激光器、1个电吸收外调制器（EAM）和1个SOA（半导体光放大器）放大器，同时还附加波长锁定器，可选VOA（可调光衰减器）组件。通过改变前布喇格光栅区、相位调整区和后布喇格光栅区的电流来改变该区域的分子分布结构，从而改变布喇格光栅的周期特性。该集成光源可产生90个不同的波长信道，信道间隔50GHZ，信道切换抑制输出功率小于-30dbm，波长切换时间小于10ms，该器件经2.5Gbit/s、200km的光纤传输后的功率代价小于2dB并通过选用集成波长锁定器解决了波长漂移问题。单片机通过232串行接口和激光器通信，对其进行控制。
从目前发展趋势来看，可调谐激光器有巨大的应用前景，是目前光网络应用的一大热点，许多新老器件商纷纷投身于可调谐激光器的研究和开发中，大多数可调谐激光器具有覆盖波长范围宽、较高的边模抑制比、带有波长锁定功能和适于实用化的封装技术，同时可调谐激光器内部均带有控制电路，便于控制使用。因此从技术角度看可调谐激光器的发展日益成熟，随着价格的降低将替代固定波长传统激光器。
3.2 可调谐滤波器
传统的OADM系统必须用波分复用器将所有波长分别独立，再通过电路控制选择要下载的波长。这里利用可调谐滤波器只需将要处理的波长筛选出来，无须对每一个波长分别设置光电转换及监测设备。
目前应用比较多的可调谐滤波器主要有声光可调谐滤波器（ATOF），光纤布喇格光栅（FBG），F-P腔干涉仪，微机械式（MEMS），阵列波导式（AWG）等。它们主要的波长调谐手段有改变光栅通道长度，机械应力，声光效应，电光效应，热光效应，电压控制等。本设计采用的得可调谐滤波器是基于介质薄膜干涉技术的，采用直流电压控制，可以线性调节，通过给一个外部驱动器加一个直流电压，就高速重复连续地执行滤波器调节，对整个C波段光波长信道进行滤波选择接收。直流电压通过单片机输入一个通道号给数模转换芯片转换得到。这里波长转换速率小于60ms，调节误差+/-0.01nm，调谐范围30nm, 0.8nm间隔串扰超过20dB。图3 是当单片机输出某通道号时在光谱分析仪上得到的某路波长的光谱图。
本设计采用的连续可编程时钟数据恢复电路CDR支持12.3MHz-2.7GHz的速率信号，利用I2C总线与单片机通信，支持STM-1/4/16,FEC,GbE,HDTV的格式信号。该CDR芯片可以实现对数据速率的自动锁定，无需参考时钟及额外控制，时钟提取速度很快，约在10ms左右。另外CDR模块还可以在输入信号丢失或输入信号帧失步时告警。
另外，本OTU上装有温度传感器，实时获得当前温度，通过I2C总线和单片机进行通信，由上层网管对各单盘设置温度门限，超温时报警并开启风扇，因为风扇不必一直开启，故减少了功率和噪声。
4 性能评估
与其他传统OADM中的光转发单元比起来，该OTU单元具有以下特点：①信道间隔100GHz,根据需要可以扩充至64波，即50GHz,可以实现32波中任意n个波长的灵活上下；②具有独特的上下路波长的端口指配功能；③支持链型、环型、十字交叉等组网；④具有很好的开放性，采用了先进的速率自适应光接口技术，能够支持很宽的自适应速率范围，该系统中的OTU能够支持的信号速率范围为100Mbit/s～2.7Gbit/s, 为多种异步业务提供波长转换，覆盖了从100Mbps、155Mbps、622Mbps、GE到2.5G bps等各种异步/同步速率、帧格式的业务，同一系统中的不同波长都可以是独立的速率和数据格式；⑤插入损耗低，信道隔离度高，转换效率高；⑥结构简单，方便升级。
随着以IP业务为主的数据业务迅速增长，对网络带宽的需求变得越来越高，同时对网络带宽的动态分配要求也越来越迫切，要求网络向着高容量、智能化、动态可配置方向发展。DWDM系统中ROADM可方便的配置、可动态改变波长资源分配，可以满足动态可配置的业务需要，必将在DWDM系统中广泛应用。而光转发单元（OTU）是其中关键的部分，将非标准波长光信号变换成DWDM 标准波长光信号，并对波长通道进行性能监视和保护倒换，因此研究其性能和实现问题具有重要的实用价值。
2 ROADM|0">ROADM简要介绍
光分插复用设备（OADM）是DWDM环网组成的基本单元，OADM在光域内实现了SDH中的ADM（分插复用器）在时域内完成的功能，采用OADM组网可以灵活实现波长上下路，使网络具备动态重构和自愈功能，是未来全光网的重要设备之一。从功能角度来说，无论作为骨干节点本地交换局节点还是用户业务接入节点，OADM必须提供以下主要功能：
（1）可以有选择地按需上下路波长，每一次上下路波长都不影响直通波长，这一点保证了在不需要再生地情况下尽可能多得使用级联OADM。
（2）具有波长转换功能以实现开放式结构，使网络具有波长兼容和业务透明性，在上下路波长时可在承载本地业务的非标准波长与DWDM标准波长之间灵活转换。
（3）具有功率均衡能力，必须有能力有效控制直通波长和本地上下路波长的功率以补偿链路损耗。
（4）具有对波长进行管理和开销处理能力，可在远端或本地进行管理控制。
（5）满足光通信对传输光信号的常规要求，例如对最大信噪比OSNR，功率一致性和光损耗的要求等。
目前，从波长信道的上下路方式来看ROADM主要分为两大类：（1）开关型ROADM。上下路操作由光开关完成，输入光开关的是单波长（波段）信号，利用波长解复用器或波长光栅路由器(WGR)来实现解复用功能。该方案结构简单，控制容易，但损耗较大、成本较高，且光开关的时延会造成数据的丢失。(2)调谐型ROADM，即目前比较成熟的"耦合单元＋滤波单元＋合波器"方案。输入滤波器的是多波长信号，其工作原理为：输入的多波长复用光信号被光耦合器分成若干部分，一部分送给动态信道均衡器（DCE），由其控制特定波长信道通过或阻塞并阻断的波长信道。通过可调谐滤波器下路到本地，而上路的波长信道则经过可调谐激光器发射后通过光耦合器复用进传输线路，DCE同时完成增益均衡功能。这种结构提供了最大的网络配置灵活性。本文所介绍的OTU应用于此类系统中，在ROADM中的位置如图1所示：
整个ROADM系统主要由以下几大部分组成：线路处理部分，性能监控部分，分插复用部分，光转发单元和网元监控部分。其中，线路处理部分主要完成主光通道信号的功率放大、增益均衡和线路保护等处理功能；性能监控部分负责监测光纤线路上的多波长光信号，提取相关性能参数并上报给设备监控单元；分插复用部分负责对多波长光信号中若干单波长信号实施下路、直通、上路操作；转发单元OTU将客户层设备的非标准波长光信号变换成DWDM 标准波长光信号；网元监控部分负责对节点设备内各功能模块单元及环境条件实施监控，并对外提供网络管理接口。
3 OTU单元技术实现
OTU 单元是实现开放式WDM系统的关键。它将任意标准的光信号转换至满足G.692要求的波长光信号，在DWDM 系统上传输。目前在光网络中OTU有光/ 电/ 光型和全光型，全光型OTU尚未完全达到商用水平，本文介绍的OTU属于光/ 电/ 光型。OTU主要有三个功能：一是在光信号恶化的情况下执行再生功能；二是波长的上下路；三是执行开销处理，因为OTU可以接触电信号，所以它很容易进行开销处理。本设计支持动态信道，因此采用可调谐器件，"可调谐滤波器＋可调谐激光器"组合实现。整个OTU单元包括传送、控制、通信、电源、显示和接口等六个部分，其中主要是传送和控制部分。
控制部分单片机利用485串口和网管系统进行通信，完成OTU单板初始化，波长通道性能数据采集，当前温度信息，告警信息的提取(包括输出光谱中心波长偏移越限，输出光信号丢失，激光器温度越限，偏流越限，输入输出光功率越限等)，B1,J0字节提取,对可调谐激光器和可调谐滤波器的调谐控制等功能。
传送部分完成光通道的波长变换、性能监视、波长调谐等功能。OTU单元进行两路信号的处理：一路信号是用户侧SDH信号被OTU 单元接收，经过收发模块接收后转换成电信号，经电层的CDR和B1/J0模块处理，完成时钟数据恢复和性能监测，然后经过线路侧的可调谐激光器转变为所需波长光信号送出端口；另一路是线路侧的信号经可调谐滤波器后得到所要下路的波长信号，然后经收发模块转变成电信号，在电层经过CDR和B1/J0模块后再经收发模块转换成光信号给用户侧。
3.1 可调谐激光器
网络侧上路任意波长信号通过可调谐激光器完成。目前常见的可调谐激光器实现技术主要有以下几种：电流控制、温度控制和机械控制等类型。其中电流控制技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有纳秒级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较些温控技术激光器是通过改变激光器内的温度从而改变有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。这种控制技术的缺点是单个模块的调谐的宽度不宽，一般只有几个nm，而且调谐时间比较长，一般需要几秒的调谐稳定时间，因此这种激光器目前用在WDM系统中实用价值不大。基于温控技术的主要有DFB（分布反馈）和DBR（分布布喇格反射）激光器。机械控制主要是基于MEMS（微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB（分布反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构。
本设计采用的可调谐激光器采用SG-DBR（Sampled Grating Distributed Bragg Reflector采样光栅分布式布喇格反射激光器）结构，集成了1个SG-DBR激光器、1个电吸收外调制器（EAM）和1个SOA（半导体光放大器）放大器，同时还附加波长锁定器，可选VOA（可调光衰减器）组件。通过改变前布喇格光栅区、相位调整区和后布喇格光栅区的电流来改变该区域的分子分布结构，从而改变布喇格光栅的周期特性。该集成光源可产生90个不同的波长信道，信道间隔50GHZ，信道切换抑制输出功率小于-30dbm，波长切换时间小于10ms，该器件经2.5Gbit/s、200km的光纤传输后的功率代价小于2dB并通过选用集成波长锁定器解决了波长漂移问题。单片机通过232串行接口和激光器通信，对其进行控制。
从目前发展趋势来看，可调谐激光器有巨大的应用前景，是目前光网络应用的一大热点，许多新老器件商纷纷投身于可调谐激光器的研究和开发中，大多数可调谐激光器具有覆盖波长范围宽、较高的边模抑制比、带有波长锁定功能和适于实用化的封装技术，同时可调谐激光器内部均带有控制电路，便于控制使用。因此从技术角度看可调谐激光器的发展日益成熟，随着价格的降低将替代固定波长传统激光器。
3.2 可调谐滤波器
传统的OADM系统必须用波分复用器将所有波长分别独立，再通过电路控制选择要下载的波长。这里利用可调谐滤波器只需将要处理的波长筛选出来，无须对每一个波长分别设置光电转换及监测设备。
目前应用比较多的可调谐滤波器主要有声光可调谐滤波器（ATOF），光纤布喇格光栅（FBG），F-P腔干涉仪，微机械式（MEMS），阵列波导式（AWG）等。它们主要的波长调谐手段有改变光栅通道长度，机械应力，声光效应，电光效应，热光效应，电压控制等。本设计采用的得可调谐滤波器是基于介质薄膜干涉技术的，采用直流电压控制，可以线性调节，通过给一个外部驱动器加一个直流电压，就高速重复连续地执行滤波器调节，对整个C波段光波长信道进行滤波选择接收。直流电压通过单片机输入一个通道号给数模转换芯片转换得到。这里波长转换速率小于60ms，调节误差+/-0.01nm，调谐范围30nm, 0.8nm间隔串扰超过20dB。图3 是当单片机输出某通道号时在光谱分析仪上得到的某路波长的光谱图。
本设计采用的连续可编程时钟数据恢复电路CDR支持12.3MHz-2.7GHz的速率信号，利用I2C总线与单片机通信，支持STM-1/4/16,FEC,GbE,HDTV的格式信号。该CDR芯片可以实现对数据速率的自动锁定，无需参考时钟及额外控制，时钟提取速度很快，约在10ms左右。另外CDR模块还可以在输入信号丢失或输入信号帧失步时告警。
另外，本OTU上装有温度传感器，实时获得当前温度，通过I2C总线和单片机进行通信，由上层网管对各单盘设置温度门限，超温时报警并开启风扇，因为风扇不必一直开启，故减少了功率和噪声。
4 性能评估
与其他传统OADM中的光转发单元比起来，该OTU单元具有以下特点：①信道间隔100GHz,根据需要可以扩充至64波，即50GHz,可以实现32波中任意n个波长的灵活上下；②具有独特的上下路波长的端口指配功能；③支持链型、环型、十字交叉等组网；④具有很好的开放性，采用了先进的速率自适应光接口技术，能够支持很宽的自适应速率范围，该系统中的OTU能够支持的信号速率范围为100Mbit/s～2.7Gbit/s, 为多种异步业务提供波长转换，覆盖了从100Mbps、155Mbps、622Mbps、GE到2.5G bps等各种异步/同步速率、帧格式的业务，同一系统中的不同波长都可以是独立的速率和数据格式；⑤插入损耗低，信道隔离度高，转换效率高；⑥结构简单，方便升级。
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