全光交换节点技术

1、全光交换节点技术摘要为了克服传统光通信网络由于电子交换所带来的“电子瓶颈”和电子设备的高额成本，人们提出了全光网(AON的概念。和传统光通信网络相比，全光网有很多优点。但目前全光网还不是很成熟，其中主要的技术障碍来自光交叉连接器（OXC）和光分插复用器（OADM）技术。本文结合全光网的发展，主要介绍光交叉连接器(OXC的基本原理、性能指标，对不同的节点结构进行了比较与讨论，并对多粒度OXC结构的研究背景、原理、结构进行了介绍，最后对全文内容做了相应的小结。关键词光交叉连接器，全光网，交换节点，多粒度光交叉连接器一，前言为了克服传统光通信网络由于电子交换所带来的“电子瓶颈”和电子设备的高额成本，

2、人们提出了全光网(AON的概念。全光网以波长路由光交换技术和波分复用传输技术(WDM为基础，它的网络节点由光分插复用器和光交叉连接器构成，能在光域上实现高速信息流的传输、交换、路由和故障恢复等功能。如图1所示，和传统光通信网络不同，全光网任意两个结点之间的信号传输与交换全部采用了光波技术，也就是网络节点的交换中使用了光交叉连接器(OXC和光分插复用器(OADM来替代传统的数字交叉连接器(DXC和数字分插复用器(ADM1。图1 OXC与OADM和传统光通信网络相比，全光网有很多优点。但目前全光网还不是很成熟，其中主要的技术障碍来自OXC和OADM技术。光交叉连接器(OXC与光分插复用器(OADM

3、作为全光网中最重要的网络器件，是真正实现全光网关键性功能的必要前提，也是目前国内外光通信器件厂商研究和开发的热点。由于之前已有同学对OADM进行了相关的介绍，因此本文结合全光网的发展，主要介绍光交叉连接器(OXC的基本原理、性能指标，对不同的节点结构进行了比较与讨论，并介绍与比较了目前国内外厂商的主要产品。二，基本原理和模块2.1 基本原理图2给出了传统的OXC节点结构示意图，其核心是一个大容量的波长交叉连接矩阵。OXC节点的基本功能是在各输入端和输出端光纤上复用的DMDW信道之间建立全光的通道互连模式。由于目前没有一种光子器件可以在空间和波长域上同时完成DMDW信道交换，因此必须把DMDW信

4、号先在空间或波长域上进行分解，得到一组状态单纯的单波长信号，再对他们进行交叉连接。扩展级网络完成输入端DMDW信号的解复用功能，集中级网络在输出端对单波长信号重新进行复用，交换级网络位于扩展级网络与集中级网络之间，实现单波长信号在空间或波长域上的全光交叉连接。扩展级、交换级、集中级共同构成了OXC节点的光通道交叉连接结构和本地的上路和下路(Local add/drop业务的端口直接和波长交换结构相连。图2 OXC节点结构从对业务的处理方式角度来考虑，OXC主要完成两个方面的功能：光通道的交叉连接功能和本地上下光路功能。 一个完整的OXC包括输入部分（放大器EDFA，解复用DMUX），交叉连接模

5、块（光交叉连接矩阵）、输出部分（波长变换器OTU，光功率均衡模块，复用器）、控制和管理模块等部分。2.2 光交叉连接模块从上面的模型看出，实现光交叉连接的关键是传送矩阵的实现，一般是通过光开关矩阵来实现。下面列出几种主要的实现技术与器件。（1）自由空间光交换利用波导光栅路由器(WGR，马赫-曾德尔干涉器，实现在任一输入端口的给定波长可以出现在特定的端口，或者将一个激光束机械的选通到多根光纤之中。（2）光的固态器件光的固态器件是一个半导体方向耦合器，能在所加的控制信号作用下有选择的改变其通道的光特性，起到光开关的作用。包括声-光耦合器、电-光耦合器等。例如通过改变电流来控制半导体波导的折射率，或

6、是改变外加电场控制铁电体LiNbO3晶体的折射率，从而实现对光波的选择与波长变化。（3）基于电-机械反射镜的器件目前光交叉连接技术已经开始使用微电机械系统(MEMS，利用沉积、腐蚀和平版印刷手段，在基片上用毫微米技术制造出微机械反射镜阵列和电传动机构，控制反射光束进行交换。在这些光开关器件中，开关速度是其中一个重要的参数，它决定了OXC能否实现光数据流的高速传递从而发挥全光网的速度带宽优势。表1是几种器件的开关速度比较。表1 几种光开关器件的性能参数类型速度热-光开关器件ms量级声-光开关器件s量级电-光复合陶瓷开关器件s量级MEM开关器件s量级Si上的SiO2平面器件ms或s量级LiNbO3

7、开关器件ns量级聚合物非线性电-光器件ps量级总的说来，有许多种方法来实现光交叉连接。其中传统光机械开关可靠性好，但开关速度太慢，并且它们不能适合大批量生产，所以不适合用于高速宽带网络节点OXC中。基于LiNbO3的交换矩阵，由于对波长较敏感，损耗偏高，所以也不是很理想。基于InP的集成数字光开关矩阵，对偏振状态不敏感，可靠性好，适合于批量生产，但还需要解决插人损耗和光通道隔离度的问题。另外光放大器（SOA）开关虽然可以对信号进行放大以补偿分波/合波的损耗具有很宽的光带宽，但是SOA的偏振相关性很大，不容易克服，所以这种光开关也得不到广泛的应用。以MEMS为基础制造出来的光开关是无源开关，与光

8、信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振作用、传播方向等均无关，同时在进行光处理过程中不需要经过光/电或电/光转换，可直接在光域中进行。但是由于成本和可靠性等一系列原因，商用的MEMS光开关阵列的交换规模仅达到8×8和16×16，更大规模的光开关阵列只是在试验阶段，还远未成熟2。2.3 波长变换模块波长转换器可以将信号从一个波长转换到另一个波长上，实现波域的交换。目前有两种基本的方式来实现波长转换：光电混合方式和全光方式。光电混合方式在功率、信号再生、波长和偏振敏感性等方面性能优良，但它对不同的传输代码格式和比特率不透明。所以OXC中的波长变换器用的是全光变换方式。2.4 其

9、他模块OXC设备中，掺铒光纤放大器(EDFA的作用是有效补偿线路损耗和节点内部损耗，延长传输距离。EDFA具有宽频带，对调制方式和传输码率透明等特点。均功器使各波长通道光功率的差异在允许的范围内，防止在经过多个节点的EDFA级联以后对系统造成严重的非线性效应。控制和管理单元实现OXC设备各功能模块的控制和管理。它有自动保护倒换功能，也能够支持光传送网的端到端的连接指配，动态配置波长路由，完成快速保护和恢复网络传输业务。三，交叉连接节点的性能和结构OXC的性能大体上分为两类：一类与的具体结构相关，如阻塞性能、模块性、广播发送能力、可扩展性性等。另一类涉及光器件的物理特性，主要指节点的各种传输性能

10、指标，如是否支持虚波长通道；阻塞特性；链路模块性；波长模块性；广播发送能力；配置、保护和恢复时间；成本。OXC的光交换模块可以采用两种基本的交换机制：空间交换和波长交换。实现空间交换的器件有各种类型的光开关，它们在空间域上完成输入端到输出端的交换功能。实现波长交换器件是指各种类型的波长变换器，可以将信号从一个波长转换到另一个波长上，实现波长域上的交换。下面结合以上的性能指标，分析几种典型的OXC节点结构。3.1 基于空间交换的OXC结构实现空间交换的器件主要是各种类型的光开关和波长选择器(可调谐光滤波器和解复用器，它们在空间域上完成光从输入端到输出端的交换功能。(1 基于空间光开关矩阵和波分复

11、用/解复用器对的OXC结构图3为基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构图。图3 基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构图它利用波分解复用器将链路中的波分复用(WDM信号在空间上分开，然后利用空间光开关矩阵在空间上实现交换，完成交换的光信号经过波分复用器复用到输出链路。由于采用了波长变换器，每个波长的信号可实现波长变换后再复用到输出链路，从而支持虚波长通道。这里的开关矩阵在最初的设计容量确定后就定下来了，即使业务量较小时也不能减小，所以既无波长模块性，也无链路模块性。(2 基于分送耦合开关的OXC结构A.Watanabe等人于1994年提出了基于分送耦合开关(deli

12、vering and coupling switches的OXC结构，如图4所示。图4 基于分送耦合开关的OXC结构分送开关是一种新型光开关，由1 2个光开关和耦合器构成，如图5所示。每个1 2个光开关由一个1 2耦合器和2个1 1个光门组成，具有四种状态：全通，全不通，1号通，2号通。这样的分送开关可将多个输入波长耦合到一个输出端，也可将一个输入波长广播发送到多个输出端。图5 分送耦合开关结构分送耦合开关的这些性质，使得这种OXC结构用波分复用器就实现了广播发送功能。该结构中，每条输入输出链路对应一个M N分送耦合开关，增加一条链路只需要增加一个波分复用器，M个波长变换器和一个分送耦合开关和

13、一个耦合器，具有链路模块性。该结构需要N个M N分送耦合开关，对应MN N个交叉点，2MN×N个光门，Nf个波分解复用器和MN个波长变换器。(3 基于空间开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构除了基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC和基于分送耦合开关的OXC，另外还有基于空间开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构（如图6所示）和基于平行波长开关的OXC结构。图6 基于空间开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构3.2 基于波长变换的OXC结构实现波长变换的主要是各种类型的波长变换器，它们可以将信号从一个波长转换到另一个波长，实现波长域上的变换。(1 基于阵列波导光栅复用器的多级波长变换

14、OXC结构该结构由Wen De Zhang等人于1996年提出，如图7所示。图7 基于阵列波导光栅复用器的多级波长变换OXC结构它巧妙的利用了阵列光栅复用器(arrayed waveguide grating multiplexer，AWGM的特性，将多级波长变换器连接起来，完全在波长域上实现光通道的交换。一个AWGM可以同时实现波分复用和解复用的功能，并且将间隔宽度为自由谱宽(free spectral range的整数倍的多个波长复用到一个输出端。图中的1×1波长变换器由一个解复用器，M个波长变换器和1个耦合器构成，完成将M个输入波长转换成为R个内部波长中某个波长的功能。(2 完

15、全基于波长变换的OXC结构R.Sabella和E.IanneneL于1996年提出一种支持虚波长通道的结构，如图8所示。在这种结构中，所有输入链路的WDM信号首先被波长变换器转换成MN个不同的内部波长，然后通过一个大耦合器送到MN条支路中，由可调谐滤波器选出一个所需的波长，再由波长变换器转换成所需的外部波长与其他波长复用到输出链路中。这种结构不仅具有波长模块性和链路模块性，而且还具有广播发送能力。但缺点是对波长变换器和可调谐滤波器的性能要求很高，因为它们的工作范围需要覆盖所有MN个内部波长。图8 完全基于波长变换的OXC结构这种结构主要需要Nf个上述的1×1波长变换器，MNf个一般波

16、长变换器和MNf个可调谐滤波器，而不需要空间交换器件。从AON对于节点交换的要求来看，它要求信号在整个网络传输的过程中避免光-电-光信号转变，要求采用全光域波长变换，实现光网络的透明性。单纯从性能角度考虑，完全基于波长变换的OXC结构性能最好，但是它对于波长变换器和可调谐滤波器的性能要求很高，要求工作范围能覆盖所有MN个内部波长，所以成本较高。四，多粒度OXC研究4.1 研究背景随着通信业务量的快速增长和光网络技术的不断发展，单根光纤可复用波长数达数千个波长，而一根光缆中可以包含数百根光纤。同时DWDM网络的拓扑结构也从原来简单的点到点方式向环网和网状网方向发展。这些都使得网络的交换容量不断提

17、高，下一代网络要求有Tbps级交换。传统的光交叉连接器OXC采用基于波长粒度的交换，所有的光路信号必须适配到波长粒度后，经过光的交叉连接矩阵进行交换，所有这些都将使OXC具有极大的规模，也将增加控制的复杂性，最终将成为网络容量的瓶颈。为此人们提出了多粒度光交叉连接节点（MG-OXC，Multi-Granularity OXC）：即在原来的波长交换之前加入波带、光纤等更大粒度的交换结构3，图9是一个典型的MG-OXC节点示意图。图9 MG-OXC交换结构多粒度OXC光网络中，光交换节点中可以进行交换的粒度不仅仅是波长，还可以是数个波长组成的波带甚至是整个光纤。波带和光纤粒度的业务在交换节点中无须

18、适配到波长粒度，而是作为一个整体经过交叉连接矩阵进行交换，这样使得交叉连接矩阵的规模大大减小。从硬件的角度看，多粒度交换大大减少了交换节点中交换矩阵和光复解用器的端口数，简化了管理控制。其次，由于光信号经过的光器件数的减少，使传输延时减小，可以放松对再生的要求，从而降低生产与维护成本。MG-OXC是交换结构中聚合光纤、波带、波长三种交换粒度。4.2 多粒度OXC设计(1 三层多粒度交换结构为了实现任意输入端到输出端的无阻塞交换，从左边进入光纤交换盒的光信号，根据其业务需要选择配置从而进行光纤交换或进行更细粒度的波带交换或波长交换。其结构如图10所示：图10 三层动态配置的MG-OXC结构此结构

19、包含光纤交叉连接（FXC），波带交叉连接（BXC），波长交叉连接（WXC）共三层。如果一根光纤中所有波长波带信号都不需要在本地进行交叉连接或上下路处理，则它直接通过FXC旁路通过。对于波带级交换，对若干个相邻波长捆绑在一起进行交叉连接处理，由BXC实现。对于波长级交换，对若干个波带进一步分解成波长信号通过WXC进行交叉连接或上下路操作。MG-OXC可以灵活地进行波长、波带、光纤的组合，适合在动态业务模型下进行的业务流梳理。(2 二层多粒度交换结构两层多粒度交换结构是一种从交换规模和性能上介于三层和单层结构之间的结构。单层结构不能完成中间节点的业务汇聚。而三层结构中由于不同粒度之间经过的光开关的

20、级数差别较大，导致信号的衰减差别也较大。因此提出两层的交换结构，既能够实现中间节点业务汇聚，而结构也较三层结构简单4。和三层MG-OXC类似，两层MG-OXC也可以有串连型和反馈型两种结构，如图11所示。图11 二层多粒度交换结构(3 单层多粒度交换结构单层节点可以看作三个没有关系的光纤交换、波带交换和波长交换的堆叠（如图12所示）。单层结构的特点是大大节省了光开关的数目。但是这种节省代价是损失了一部分的交换能力，在单层结构中不同粒度之间是不能完成交换的。例如图12中的一个输入光纤粒度业务只能交换到光纤输出端口，而不能交换到波长和波带输出的端口。那么在整个路径中，源节点请求的是什么粒度，在所有

21、的链路中就是什么粒度。图12 单层MG-OXC结构示意图五，结论和传统光通信网络相比，全光网有很多优点。光交叉连接器(OXC是全光网中的一个重要网络单元，作为网格状光网络的节点，其功能主要是通过实施波长路由算法完成多波长环网间的交叉连接以及光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路，实现全光网的自动配置、动态重构和故障的自动恢复。根据选路功能主要是由哪一种器件实现的，OXC可分为两大类基于空间交换的OXC和基于波长交换的OXC。单纯从性能角度考虑，完全基于波长变换的OXC结构性能最好，但是它对于波长变换器和可调谐滤波器的性能要求很高，要求工作范围能覆盖所有MN个内部波长，所以成本较高。多粒度光

22、网络作为未来高速骨干网和城域网技术，己成为国际学术界、产业界和标准化组织的研究热点，具有前沿性学术研究意义和工程化应用前景。多粒度OXC光网络中，光交换节点中可以进行交换的粒度不仅仅是波长，还可以是数个波长组成的波带甚至是整个光纤。波带和光纤粒度的业务在交换节点中无须适配到波长粒度，而是作为一个整体经过交叉连接矩阵进行交换，这样使得交叉连接矩阵的规模大大减小。多粒度OXC研究具有广阔的应用前景。OXC技术还存在以下几个问题，一是系统的完全透明性无法保证，这主要受制于全光波长转换技术尚未完全成熟；二是系统的规模和灵活性不够理想，这主要受光器件特别是大规模光交叉矩阵开关发展水平的制约；三是在网络管

23、理方面，还有很多内容有待于进一步研究和规范。目前OXC的研究发展热点主要集中在以下几个方面。(1 利用MEMS制造高性能的光开关器件。(2 设计高性能的节点结构。(3 高效的保护恢复算法的开发。(4 OXC与OADM的组网方案的研究。参考文献1 邹志威，陈博，全光网的关键器件光交叉连接器与光分插复用器，光电子技术，2002(22.2 陈远祥等，P比特光交换节点研究，中兴通讯技术，2011(17.3 王建忠，全光通信网中基于FBG的OADM与OXC的研究，电子科技大学，成都，2008.4 张玲，巩稼民，张亮，光网络的核心器件光交叉连接器，西安邮电学院学报，2010(15.All Optical Switching Node TechnologyChen ZipingAbstractIn order to overcome the shortcomings of traditional optical communication networks, such as th