可重构光分插复用器

第五章可重构光分插复用器张敏明：mmz@万助军：zhujun.wan@gmail.华中科技大学光电学院可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第1页!第五章可重构光分插复用器5.1全光通信网中的ROADM

5.2波长阻塞器

5.3波长选择型ROADM

5.4波长选择开关

5.5ROADM技术对比可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第2页!全光通信网的结构全光通信网节点设备：广域网－N维OXC；城域网－2维ROADM；接入网－MUX/DEMUX；环网互连－4维OXC。全光通信网的优点：投资成本低，因为省去了大量昂贵的高速电子设备；运营成本低，可靠性提高，因为网络元件大大减少；体积小，因为省去了光－电－光转换，设备复杂度下降；升级方便，因为采用光交换，与通信速率和协议格式无关。OXC和ROADM是实现动态全光通信网的关键器件可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第3页!城域网结构的演化考虑器件的级联特性，光信号能够透明通过的节点数量一般为16～24个，而城域网中总节点数量往往达到100～150个，因此城域网一般被分成数个互联的环网。一个新建城域网初始节点一般只有20～50个，因此初始的城域网结构相对简单，但是需要为升级扩容作好准备，因此需要大量的动态器件ROADM和OXC。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第4页!广义的ROADM概念ROADM－从输入端口上/下载任一或任一组波长；OXC－将任一输入端口中的任一或任一组波长，切换到任一输出端口；WSS－将输入端口中的任一或任一组波长切换到任一输出端口。由WSS构成的ROADM和OXC可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第5页!第五章可重构光分插复用器5.1全光通信网中的ROADM

5.2波长阻塞器

5.3波长选择型ROADM

5.4波长选择开关

5.5ROADM技术对比可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第6页!基于液晶技术的波长阻塞器基于液晶（LC）技术JDSU公司方案可以阻塞任一或任一组波长；具有动态通道均衡功能；通道数为100，通道间隔为50GHz或100GHz；IL小于5dB，PDL小于0.3dB；串扰低于-40dB；0.5dB带宽大于50GHz（通道间隔100GHz）。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第7页!第五章可重构光分插复用器5.1全光通信网中的ROADM

5.2波长阻塞器

5.3波长选择型ROADM

5.4波长选择开关

5.5ROADM技术对比可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第8页!上/下载模块分离的ROADM节点设备JDSU和DuPont分别在SiO2/Si和Polymer材料上制作这种结构的ROADM，通道数为40，通道间隔为100GHz。JDSU器件特性：直通波长IL<7.5dB，上/下载波长IL<5.8dB，PDL<0.5dB，0.5dB带宽为52GHz，串扰<-30dB，VOA动态范围为25dB；DuPont器件特性：直通波长IL<7dB，PDL<0.4dB，0.5dB和3dB带宽分别为40GHz和81GHz，串扰<-50dB，VOA动态范围为20dB;后者采用Polymer材料，热光系数为SiO2的32倍，因此功耗大大降低。采用上/下载模块分离结构的ROADM节点设备：可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第9页!基于PLC+MEMS技术的WS型ROADM朗讯公司报道的混合结构I类ROADM：PLC技术与MEMS技术相结合；通道数为16，通道间隔为100GHz；通道1~4、13~16可用于广播业务；端口Drop-and-transmit和ADD可与其他ROADM节点互连，相当于一个四维ROADM；THRU端口平均插损为21dB，串扰低于-40dB。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第10页!基于PLC+MEMS技术的WS型II类ROADMAT&T实验室报道的混合结构II类ROADM：可同时上/下载N个通道中的M个；上/下载端口数M小于波长数N，因为每个节点需要上/下载的波长数一般为总数的25%，而且一般不超过50%；最早的文献中采用8×6开关阵列，如果采用16×16MEMS开关阵列，IL小于3.1dB，两个AWG的IL为6dB，则该ROADM的IL小于9.1dB。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第11页!基于LCoS技术的WSS澳大利亚EnganaPty公司的Baxter等人报道LCoS是一种以有源硅片为基底的LC芯片，最初应用于液晶显示领域，硅片上排列着许多控制单元，通过改变各单元上部液晶材料的偏置电压，能够对各单元反射光的相位进行控制；不同波长的光入射到LCoS芯片上的不同区域并发生反射，在某个波长的光斑分布区域，各点反射光相位被单独控制，也就是对波前进行调节，可以控制反射光的角度；

1×9WSS通道间隔为50GHz或100GHz，对应通道数为80或40；IL小于5dB；串扰低于-40dB；0.5dB通带宽度为80GHz（通道间隔100GHz）。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第12页!基于PLC+MEMS技术的WSS加拿大Metconnex公司的Ducellier等人报道1×9WSS通道数为39，通道间隔为100GHz；IL小于7.6dB，PDL小于0.3dB；串扰低于-35dB；0.5dB带宽大于50GHz；MEMS微镜阵列的占空比对通道数和IL至关重要。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第13页!传统的OXC结构由N个解复用器、M个N×(N+K)光开关和N个复用器组成；N根光纤中的M个波长WDM信号，先被解复用为单波长，然后相同波长被导入同一光开关的输入端口，根据业务需要交换到相应的输出端口，最后被复用到各自的目的光纤中，每个光开关中预留了K个输入/输出端口，可以从每个线路上同时上/下载K个波长；实现方案：基于PLC技术的AWG+热光开关；基于PLC技术的AWG+MEMS光开关；由分立器件组合而成。OXC也可以由WSS组合而成可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第14页!波长阻塞器技术对比ApproachCHsIL(dB)PDL(dB)0.5dB-PB(100GHz)Crosstalk(dB)DCE1(dB)ResponseMEMS64<5<0.3558GHz<-3510<10msLC100<5<0.3050GHz<-4015<30msPLC240<5<0.4050GHz<-3535<10msDCE－DynamicChannelEqualization，通道均衡，WB兼有通道均衡功能；基于PLC的方案，功耗小于13W，其他两种方案，功耗很小可忽略。WB是B&S型ROADM中的关键器件，其性能对比如下。基于MEMS技术的方案，通带特性较好，通道均衡范围较小，继续增大通道衰减会因镜面反射角度过大引起色散；基于LC技术的方案，通道数较多，串扰较低，但是响应速度较慢；基于PLC技术的方案，通道数相对较少，通道均衡范围较大，与其串扰水平相当，均取决于其中光开关的消光比特性。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第15页!WSS技术对比ApproachCHsPortsIL(dB)PDL(dB)0.5dB-PB(100GHz)Crosstalk(dB)Response(ms)LCoS801×9<5<0.580<-40<10msMEMS1281×4<5<1.074<-40<10msPLC+MEMS391×9<7.6<0.350<-35<10msPLC1401×9<7.5<0.240<-43<10ms基于LCoS技术的方案，具有最好的通带特性；基于MEMS技术的方案，端口数相对较少，且工作于50GHz通道间隔时PDL偏大，但工作于100GHz通道间隔时具有很好的特性；基于PLC+MEMS技术的方案，损耗稍大，通带特性稍差，但也能满足系统要求，而且器件尺寸相对较小；基于PLC技术的方案，通带优化后能获得较好的特性，缺点是增加端口数会使损耗线性增加，而且功耗较大。1.基于PLC技术的WSS，功耗约10W，其他方案的功耗很小，可忽略。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第16页!参考文献EldadaL.AdvancesinROADMtechnologiesandsubsystems.Proc.ofSPIE,2005:597022TomlinsonW.J.Wavelength-selectiveswitching-architectureandtechnologyoverview.OFC2004:WC3BaxterG.,FriskenS.,AbakoumovD.Highlyprogrammablewavelengthselectiveswitchbasedonliquidcrystalonsiliconswitchingelements.OFC2006:OtuF2MaroD.M.,NeilsonD.T.,GreywallD.S.Wavelength-selective1×Kswitchesusingfree-spaceopticsandMEMSmicromirrors:theory,design,andimplementation.J.Lightwavetechnol.,2005,4:1620-1630可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第17页!双向光纤环网中的节点设备双向光纤环网中的ROADM节点结构：当环网正常运行时，两个光开关均为Bar状态，顺时针环网和逆时针环网各传输半数波长；当线路发生故障时，邻近故障点的两个节点中，靠近故障点的两个光开关均切换到Cross状态，信号经这两个光开关由顺时针环网绕至逆时针环网，组成一个新的两倍长度的环网，而故障点被旁路，在新环网中传输的是所有波长。当节点内部发生设备故障时，该节点的两个光开关均切换到Cross状态，线路经这两个光开关组成新的环网，故障节点被旁路。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第18页!ROADM的市场需求2006年9月，HeavyReading发布ROADM设备市场研究报告，对之前两年的市场额度进行统计，并对之后五年内的市场发展进行预测，预计2011年较2006年增长246%，市场总额将达到9.2亿美元。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第19页!ROADM的分类广播&选择型ROADM（B&S型）：损耗低、通带特性好，一个环网中可以串联更多ROADM节点；初装成本低，初装时只需上/下载少数波长，而升级扩容时只需增加可调滤波器和可调激光器；上/下载波长数较多时成本偏高。波长选择型ROADM（WS型）：体积小；上/下载波长数较多时成本低的多，特别是基于PLC技术的单片集成方案；直通信号的损耗偏大，串联节点少；初装成本偏高。从结构角度分成B&S型和WS型：I类ROADM：每个ADD/DROP端口只能上/下载固定波长；II类ROADM：每个ADD/DROP端口上/下载波长不固定；波长选择开关；OXC器件。从功能角度分成四类：波长阻塞器可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第20页!基于MEMS技术的波长阻塞器基于MEMS微镜技术贝尔实验室的Neilson等人报道可阻塞任一或任一组波长；具有动态通道均衡功能；通道数为64，通道间隔为100GHz；IL小于5dB，PDL小于0.35dB；串扰低于-35dB；0.5dB带宽和3dB通带宽度分别为58GHz和87GHz；靠静电吸引扭转MEMS微镜，功耗非常小。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第21页!基于PLC技术的波长阻塞器基于PLC技术Neophotonics公司方案可以阻塞任一或任一组波长具有动态通道均衡功能；通道数为32，通道间隔为100GHz；IL小于5dB，PDL小于0.4dB；串扰低于-35dB；0.5dB和3dB带宽分别为50GHz和68GHz；总功耗13W，包括阻塞器阵列的功耗9W和两个AWG的温控功耗4W阻塞器采用两级MZI光开关以降低串扰可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第22页!基于PLC技术的WS型ROADM基于PLC技术的传统ROADM结构：由于材料不兼容，PD阵列不能集成在PLC芯片上，PD芯片与PLC芯片采用倒装方式封装在一起，通过PLC芯片上的反射镜阵列进行耦合；采用两级串联光开关以提高消光比。基于PLC技术、上/下载模块分离的ROADM结构：上/下载模块分离，提高了可靠性；具有广播功能。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第23页!基于PLC技术的多功能型ROADM贝尔实验室报道的多功能ROADM：每个分立ADD/DROP端口只能上/下载固定波长，因此归为I类ROADM；公共ADD/DROP端口可上/下载任意波长组合，可其他ROADM节点互连，相当于一个四维ROADM；通道数为16，通道间隔为200GHz；IN→THRU、IN→公共DROP、公共ADD→THRU，IL<5.5dB；IN→分立DROP，IL=2.6~4.0dB；分立ADD→THRU，IL=2.2~3.5dB；串扰低于-40dB；3dB带宽为98GHz。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第24页!基于PLC技术的WS型II类ROADM贝尔实验室报道，上/下载模块分离的II类ROADM：可以同时上/下载N个波长中的任意M个；每个端口的上/下载波长不固定，因此属于Ⅱ类ROADM；文献报道直通波长IL为12~14dB，下载波长IL为20dB，通过优化，可分别降至7dB和17dB；串扰低于-40dB。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第25页!第五章可重构光分插复用器5.1全光通信网中的ROADM

5.2波长阻塞器

5.3波长选择型ROADM

5.4波长选择开关

5.5ROADM技术对比可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第26页!基于MEMS技术的WSS贝尔实验室的Marom等人报道1×4WSS通道数为128，通道间隔为50GHz；IL小于5dB，PDL小于1dB；串扰低于-40dB；0.5dB和3dB带宽分别为29GHz和38GHz；MEMS微镜阵列的占空比对通道数和IL至关重要。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第27页!基于PLC+MEMS技术的WSS贝尔实验室的Doerr等人报道1×9WSS通道数为8（目前商用AWG可达40通道），通道间隔为200GHz；IL小于7.5dB，PDL小于0.2dB；串扰低于-43dB；未进行通带优化设计，为高斯型通带。可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第28页!第五章可重构光分插复用器5.1全光通信网中的ROADM

5.2波长阻塞器

5.3波长选择型ROADM

5.4波长选择开关

5.5ROADM技术对比可重构光分插复用器共32页，您现在浏览的是第29页!WS型ROADM技术对比ApproachCHsIL(dB)PDL(dB)0.5dB-PB(100GHz)Crosstalk(dB)Response(ms)ROADMTypeTFF+MOM-SW18<10<0.527GHz<-30<10ⅠAWG+MEMS-SW32<14<0.540GHz<-40<10ⅡAWG+TO-SW240<7<