光无源器件系列 - 全光网络

光纤通信发展回顾

从产业发展的角度观察,光纤通信经历了四个阶段,目前处于第五阶段的早期。早在1970年,低损耗光纤和室温工作半导体激光器的出现,启动了光纤通信技术的产业化。

然而,光纤通信技术的广泛应用是在1990年代,美国政府于1993年发布了“国家信息基础设施(NII)”计划,光纤通信技术是NII计划的重要组成部分,在这一时期得到快速发展。光纤通信在这一时期的代表性技术是DWDM,该技术让光纤通信系统的容量增长数十倍。在2001年左右,随着互联网泡沫的破灭,光纤通信的发展速度减缓。

之后于2004年左右,在互联网服务和内容还没出现的情况下,日本大规模部署FTTH。随着中国在2008年左右加入,光纤到户的发展在2012年左右达到顶峰。在2001年之前部署的光纤,终于得到充分的利用。

光纤通信产业发展第四阶段与数据中心相联系。移动互联网的快速发展促进了大型数据中心的建设,谷歌公司自2010年左右开始,领导了光纤互连技术在数据中心的应用,这成为光纤通信技术在电信领域之外的新增长点。

以上是光纤通信产业发展的前四个阶段,近两年来,5G成为全世界的聚焦点,它以高速率、广连接和低时延为特征。无线通信技术已经成就了5G的前两项特征,然而,5G通信的时延与支撑无线基站的光纤网络有关。终端设备的高速率和广连接,耗尽了光纤通信系统的带宽,导致更多的时延。光纤网络有待升级,重点在城域网的升级。基于成本考虑,现有的城域网主要是基于CWDM和FOADM(固定光分叉复用器)技术,为了升级网络,之前应用于骨干网中的DWDM和ROADM(可重构光分叉复用器)技术,有望下沉至城域网。

全光网结构

为了提高光纤网络的效率和运营成本,新一代的全光网AON应具有SDN(软件定义网络)功能,SDN网络可通过软件设置来重构,免于人工操作。ROADM是实现SDN网络的关键设备,如图1所示。基于ROADM的全光网包括三层架构:长途网、城域网和接入网。长途网实现大城市之间的连接,通常建设成MESH(网状网)结构。城域网则通常采用光纤环网结构,随着电信业务的多样化和复杂化,城域网演进成多环结构,包括一个核心环网和多个边缘环网。接入网由城域环网提供支持,并延伸到终端用户附近。接入网与用户之间的最后连接方式包括FTTx(光纤到商务楼宇、学校和家庭,等等)和无线基站。

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图1. 全光网结构

即将到来的5G应用促进全光网的升级,作为全光网中的关键部分,ROADM市场有望迎来快速增长,特别是在城域网中的应用。

CDC-F ROADM是什么?

每个ROADM节点包含一个网络节点接口(NNI)和一个用户网络接口(UNI)。NNI互连来自/去往多个传输方向的DWDM信号,这些DWDM信号以波长粒度在各传输方向之间切换。UNI以波长粒度下载目的地为本节点的信号,并从本节点上传信号。为了实现无阻塞的波长交换和上/下载,新一代ROADM节点要求具有无色、无方向性和无竞争(CDC ROADM)的特点。

考虑一个8维ROADM节点,每个传输方向有80个DWDM信道,因此节点处需要处理的总波长数为8×80=640个。然而根据统计,在每个ROADM节点的UNI侧需要上/下载处理的波长数一般小于总数的20%,大多数波长仅在NNI侧进行交换。因此UNI侧配置640×20%=128个上/下载端口数就足够了。然而,只准备20%的上/下载端口,要求每个端口都是多面手,意味着每个上载或者下载端口能够根据控制系统的安排,上载或者下载去往或者来自不同方向的不同波长(无色和无方向性),同时要求UNI侧能够同时下载来自不同方向的相同波长(无竞争)。

光纤中传输的信号,可能存在不同比特率。在高速传输系统中,因调制产生边带,不同比特率的信号需要不同的信道宽度。如图2所示,比特率为100G、400G和1T的信号,分别需要50GHz、75GHz和150GHz的信道宽度,这与低速信号(≤25G)大不相同。低速信号通常占用信道宽度为50GHz或者100GHz,取决于DWDM系统的设计,而非受限于信号的调制速率。

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图2. 不同比特率的信号所需的信道宽度

为了适应即将到来的高速传输,DWDM系统应具有超信道功能,信道宽度应该是可变的,可根据需要动态调整为50GHz、75GHz、100GHz、150GHz,等等。超信道功能是系统设计语言,光学模块设计人员通常用另一个词“灵活带宽”表述相同意思。

一个具备无色、无方向性和无竞争功能的ROADM节点,称为CDC ROADM,如果节点进一步支持灵活带宽功能,则称为CDC-F ROADM。

ROADM结构

ROADM节点通常由波长选择开关(WSS)和其他模块组成,CDC功能取决于ROADM节点的结构,而灵活带宽功能则取决于其中的关键模块WSS。目前主流的WSS技术方案有三种:MEMS、液晶(LC)和硅基液晶(LCOS),其中LCOS WSS源生性支持灵活带宽功能,LC WSS经优化设计之后也能支持灵活带宽功能,而MEMS WSS则不支持该功能。以下五种ROADM结构,重点讨论它们如何支持CDC功能。

图3所示ROADM结构#1,其NNI侧由1×N端口WSS构成,一个M维(图中仅画出三维)ROADM节点需要2M个WSS。UNI侧包含数个上/下载模块(图中仅画出了两个),每个下载模块由两个背靠背连接的1×N端口WSS构成,每个上载模块由一个1×N端口WSS与一个光分路器背靠背连接构成。由1×N端口WSS的功能可知,此ROADM结构可支持信号的无色、无方向性上/下载。然而,当ROADM节点的维度大于UNI侧上/下载模块数量时,将会中图中红色圈中位置发生波长竞争。或许我们可以通过增加上/下载模块数量来解决波长竞争问题,但代价不菲。因此这种ROADM结构不能完全满足CDC ROADM功能,只能确定为CD ROADM。

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图3. ROADM结构#1

第二种ROADM结构如图4所示,与ROADM#1一样的是,其UNI侧也是由1×N端口WSS构成,而UNI侧由多播光开关MCS构成。一个M×N端口MCS开关有M个输入端口和N个输出端口,由M个1×N端口光分路器(PS)和N个M×1端口光开关(OSW)构成。光信号从其中一个输入端口输入,首先被光分路器分成N份,向所有N个光开关广播;然后由对应目标输出端口的光开关选择接收到的光信号,而其他光开关而忽略该信号。

根据1×N端口WSS和MCS的功能,ROADM结构#2可实现CDC功能,然而,MCS中的光分路器在分光广播时,产生的损耗太大,因此需要光放大器阵列来补充光功率。配置光放大器阵列,其代价不菲。

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图4. ROADM结构#2

图5所示为ROADM结构#3,与前述结构的差异还是在UNI侧,它以两个M×N端口WSS实现信号的CDC(无色、无方向性、无竞争)上/下载。一个M×N端口WSS有M个输入端口和N个输出端口,它可以将任意输入端口中的任意波长组合,交换到任意输出端口。M×N端口WSS的损耗远小于MCS,因此无需配置光放大器。

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图5. ROADM结构#3

ROADM结构#4如图6所示,其UNI侧采用了阵列波导光栅(AWG)和大规模矩阵开关。大规模矩阵开关一般通过3D MEMS微镜阵列和自由空间光学结构实现,因此也被称为3D MEMS光开关。3D MEMS光开关可实现非常大的规模,如512×512端口。

在ROADM结构#4的下载模块中,所有波长首先被AWG解复用,然后所有解复用端口被3D MEMS光开关交换至下载端口。上载模块的工作原理与下载模块相似。此ROADM结构可实现CDC功能,并未所有达到或者发自此节点的波长提供100%的备用端口。

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图6. ROADM结构#4

第五种ROADM结构如图7所示,它与图5结构有点相似,差别是M×N端口WSS被M×N端口adWSS替代。adWSS是上/下载波长选择开关的简写,它有M个输入端口和N个输出端口,所有输入端口都是DWDM端口,而所有输出端口都是单波长端口。adWSS可将任意一个波长,从任意输入端口交换至任意输出端口。

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图7. ROADM结构#5

各种ROADM结构总结

对上述各种ROADM结构的总结如下:所有结构的NNI侧均以1×N端口WSS构建,差别在UNI侧。ROADM #1仅支持无色和无方向性功能,确定为CD ROADM。ROADM #2属于CDC ROADM,但是因光分路器损耗大,需配置光放大器阵列,成本较高。ROADM #3将M×N端口WSS引入UNI侧,从而实现CDC功能,但M×N端口WSS目前在全球仅有一家供应商。同时,M×N WSS(典型端口数为8×24)提供的下载端口数,对高维度ROADM节点远远不够。ROADM #4具有CDC功能,并提供100%上/下载端口备用。然而,100%备用收发模块(Rx和Tx),从成本角度考虑,并不合算。ROADM #5的UNI侧需要用到adWSS,一个典型的adWSS有8×128个端口,意味着一个8维ROADM节点中配置两个adWSS就够了。然而,adWSS技术尚未成熟,离商用还有距离。

基于上述考虑,ROADM #2是当前主流的CDC ROADM解决方案;ROADM #3是一个潜在竞争者,前提是成本下降和出现更多供应商;ROADM #5在技术成熟时,将会是最有竞争力的解决方案。

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