全光交叉技術(shù)發(fā)展及應用

  ROADM（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer）可以實現(xiàn)多維度、大容量波長級調(diào)度，具備低時延、低功耗的優(yōu)點，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站點內(nèi)部連纖數(shù)量急劇增加，導致開通和維護時間長、易出錯，占地面積、功耗也大幅增加。全光交叉（Optical Cross-Connect，OXC）針對ROADM在使用中出現(xiàn)的問題進行了優(yōu)化和改進，使用全光無阻交叉的光背板，與高集成度的光線路板和光上下路板配合，實現(xiàn)了插板即連纖，避免了復雜的內(nèi)部連纖，提高了開通和維護效率。OXC單機柜可實現(xiàn)32維交叉調(diào)度，減少了占地面積。從2018年開始，OXC技術(shù)在中國移動、中國電信、中國聯(lián)通等運營商廣泛應用。

  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（波長選擇開關(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，不支持競爭無關(guān)；將WSS和光放大器集成，占用1個槽位，可以實現(xiàn)32路業(yè)務上下，通過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個槽位?？梢詫崿F(xiàn)8/16維，48波業(yè)務上下，支持8/16維競爭無關(guān)。

  OXC的光線路單板將WSS、光放大器、OP、OSC、OTDR功能模塊進行高度集成，一塊光線路單板占用一個槽位，實現(xiàn)一個光方向的相應功能。光線路板通過高密度連接器與光背板相連，可以將一組波長調(diào)度到任意光方向或調(diào)度到任意光上下路單板進行業(yè)務上下（見圖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WSS單板面板光口光纖連接。對于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雜、易出錯、不易維護的問題，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光纖布線機布線，封裝到柔性板材中，形成支持無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，還需要留有光纖進行光性能監(jiān)控、背板插損檢測，實際上多于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，國內(nèi)和國外多個廠家都具有批量生產(chǎn)發(fā)貨能力。同時，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特點。一是高密度，對于16維OXC光連接器至少要達到32芯光纖，32維OXC至少要達到64芯光纖，才能保證OXC站點內(nèi)各光板的全互聯(lián)。實際上還要給監(jiān)控、檢測、環(huán)回等功能預留連接光纖，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接精度、多次插拔的可靠性、彈性設計、低插損等特點。

  標準MT連接器已可實現(xiàn)24芯光纖封裝，多組MT形成陣列，再結(jié)合彈性設計、背板插座、單板插座等，即可實現(xiàn)完整的OXC光連接器。另外端面鍍膜工藝改進的非接觸式連接器也在研究中，有望進一步增加連接器容量，提高連接器性能。

  波長選擇開關(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設計的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，通過改變加在液晶單元上的驅(qū)動電壓，改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)。雙折射棱鏡對不同偏振態(tài)的光折射率不同，從而通過改變?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)再增加時需要更多的LC級聯(lián)，設計和封裝困難。

  基于MEMS的WSS，每個MEMS微鏡都可單獨控制，通過改變控制電壓，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?，進入不同的輸出光口，實現(xiàn)波長選擇。MEMS可以用于高端口WSS和M×N WSS。由于微鏡之間的間距過大，占空比低，在連續(xù)光譜操作時會產(chǎn)生光譜凹陷，不能實現(xiàn)靈活柵格，應用場景受限。

  基于LCoS的WSS，在硅基底上基于CMOS晶體管設計技術(shù)實現(xiàn)液晶的驅(qū)動電路?；咨嫌卸S像元陣列，每個像元都可單獨通過驅(qū)動電路改變電壓，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，可實現(xiàn)光信號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波導由于折射率差大，可以實現(xiàn)半徑很小的微環(huán)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整微環(huán)的諧振狀態(tài)實現(xiàn)指定波長的上下路。近年來相關(guān)研究，對于基于MRR的WSS方案中自由頻譜區(qū)（FSR）范圍、hitless無損調(diào)整、偏振無關(guān)等比較關(guān)鍵的問題提出了一些解決方案，期待進一步解決加工精度、控制復雜度等相關(guān)問題，實現(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進行波長選擇的濾波器設計方案，同樣距離技術(shù)成熟還需要一定的時間。

  OXC的優(yōu)勢

  與ROADM相比，OXC通過板卡功能高度集成、光背板，可以大大減少占地面積，降低設備功耗和簡化內(nèi)部連纖（見圖4）。20維OXC只需要使用1個機柜，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，相應功耗也降低。站點內(nèi)部的光纖連接都通過光背板，完成插板即連纖，提高了開通效率，降低了維護成本。

  · 集成度高，占地面積小，節(jié)省機房空間

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

  · 綠色節(jié)能，便捷開通，維護方便，運維成本低

  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，設備功耗降低，同時減少了電源端子需求數(shù)量。同時，采用光背板解決了ROADM內(nèi)部連纖數(shù)量多、開通效率低、維護困難的問題，實現(xiàn)了內(nèi)部“零”光纖連接，插板即連纖；插入一塊光線路單板，連接線路光纖進行軟件配置即可開通1維；插入一塊光上下單板，連接相關(guān)業(yè)務單板，軟件設置即可開通業(yè)務，開通便捷；支持光層OAM，可監(jiān)測每個波長通道的業(yè)務速率、出光功率、中心波長、源節(jié)點等信息并進行路由校驗，便于故障定位，降低運維成本。

  · 支持超大容量光交叉，低時延

  支持CE、C++和L++波段，單個機柜支持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)務單板配合，可實現(xiàn)波長級交叉調(diào)度；與OTN設備配合使用，可實現(xiàn)子波長及波長級交叉調(diào)度。光交叉節(jié)點只通過光纖連接，幾乎達到“零”時延。

  · 網(wǎng)絡智能化

  智能化網(wǎng)絡應支持網(wǎng)絡拓撲及資源自動發(fā)現(xiàn)、業(yè)務開通及控制、路由計算、智能化調(diào)度、網(wǎng)絡性能監(jiān)控等功能。OXC作為物理層設備，支持CDC功能，可解決波長沖突問題，增加光交叉調(diào)度的靈活性，提高網(wǎng)絡資源的利用率；支持FlexGrid，可實現(xiàn)傳輸管道帶寬的動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)100G、超100G等波長智能化調(diào)度；支持光域均衡和光功率自動優(yōu)化，減少WSS的串通代價，提升系統(tǒng)傳輸性能，增加可用路由，提高了網(wǎng)絡的生存性。OXC在干線、城域網(wǎng)絡的應用，尤其是在高維度網(wǎng)絡的應用，為網(wǎng)絡智能化提供了保障。

  OXC的應用及發(fā)展

  2018年開始，國內(nèi)各廠家陸續(xù)開始推出16/20/32維OXC產(chǎn)品，取代ROADM在中國移動、中國電信和中國聯(lián)通等運營商的干線、城域網(wǎng)絡商用。

  干線網(wǎng)絡傳輸距離長達數(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)點業(yè)務量大（尤其是核心節(jié)點），業(yè)務上下占用OXC維度多。16/20和32維OXC分別有16、20和32個槽位，每個槽位可以插入光線路單板或光上下路單板，實現(xiàn)一個光線路方向接入或一組32波業(yè)務上下。在網(wǎng)絡設計時，需要考慮當期的線路維度及業(yè)務上下。同時，需要考慮將來線路維度及上下業(yè)務擴容的需求，為后期擴容預留槽位。后期擴容非常方便，插入一塊光線路板即可增加一個線路維度，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擴展口，每個擴展口可以實現(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，實現(xiàn)單個OXC槽位96波業(yè)務上下。

  城域網(wǎng)絡傳輸距離短，一般為數(shù)百公里，采用Mesh組網(wǎng)，物理鏈路多，線路維度多，每個維度均有業(yè)務上下。核心節(jié)點線路維度多，上下業(yè)務量大；非核心節(jié)點線路維度少，擴容潛力小。同樣，需要根據(jù)當期及后期線路維度和上下業(yè)務需求確定OXC的維度。一般情況下，國內(nèi)城域網(wǎng)核心節(jié)點采用32維OXC，非核心節(jié)點采用16維OXC。

  網(wǎng)絡發(fā)展帶來核心節(jié)點光層調(diào)度維數(shù)的增加，同時，核心站點上下業(yè)務量增多。在電信西北環(huán)網(wǎng)絡，太原樞紐樓站點已經(jīng)達到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)點高維度的需求。隨著網(wǎng)絡的進一步發(fā)展，高維度的需求越來越多，高維度64維或128維會成為OXC的一個發(fā)展方向。

  在高維度情況下，本地上下路很容易存在來自不同線路維度的同波長業(yè)務沖突，所以CDC需求（波長無關(guān)、方向無關(guān)、競爭無關(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)務上下數(shù)量多的需求。同時，M×N WSS還不支持L++波段。高維度、多端口CDC及波段擴展也是OXC的一個發(fā)展方向。

  隨著網(wǎng)絡的Mesh化、智能化，對光交叉的調(diào)度能力要求越來越高。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、開通維護易出錯等問題，只商用了9維和20維。OXC通過光背板、高集成度光線路板和光上下路板解決了上述問題。OXC支持超大交叉容量，具有高集成度、占地面積小，開通運維便捷、綠色節(jié)能等優(yōu)點，已經(jīng)在中國移動、中國電信、中國聯(lián)通等運營商干線和城域網(wǎng)得到廣泛應用。同時，隨著網(wǎng)絡發(fā)展，支持更高維度、多端口CDCF、支持L++波段CDCF也是需要進一步解決的問題。

圖4   OXC和ROADM對比示意圖

  作者：中興通訊 李紅軍，王東，葉兵