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RODM發(fā)展現(xiàn)狀
點(diǎn)擊次數(shù)：6772 發(fā)布時(shí)間：2009-5-22
ROADM現(xiàn)狀一：光網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與演化
1.光纖通信的發(fā)展
為適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)信息的海量需求，光纖已經(jīng)逐漸取代電纜成為zui主要的通信媒介。在上個(gè)世紀(jì)的zui后十年，隨著美國“國家信息基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃”（National Information Infrastructure, NII）的實(shí)施及其對(duì)*的帶動(dòng)，光纜得到大量敷設(shè)，骨干通信網(wǎng)已經(jīng)*實(shí)現(xiàn)光纖化，并留下大量的冗余容量，使得光纖通信行業(yè)的發(fā)展，在2000年達(dá)到高峰之后轉(zhuǎn)入低谷，經(jīng)歷了大約三年的調(diào)整期之后，隨著光纖接入網(wǎng)的發(fā)展，光纖通信開始復(fù)蘇。光纖接入網(wǎng)的發(fā)展，以光纖到戶（Fiber to the Home, FTTH）為主導(dǎo)，首先在日本得到迅猛發(fā)展，目前北美和歐洲的FTTH市場業(yè)已啟動(dòng)，發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，國內(nèi)的FTTH市場還在醞釀之中，有望在未來的數(shù)年內(nèi)發(fā)展起來。光纖接入網(wǎng)的發(fā)展，為用戶提供了充足的通信帶寬，促進(jìn)了各種通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，而通信業(yè)務(wù)的增長，特別是多媒體之類比較耗帶寬資源的業(yè)務(wù)，反過來促進(jìn)對(duì)骨干網(wǎng)容量的需求，帶動(dòng)骨干網(wǎng)進(jìn)入新一輪發(fā)展。
光纖通信的發(fā)展歷史，至今已有三十多年，使光纖通信特別是密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM）光纖通信成為可能的關(guān)鍵要素有三個(gè)：低損耗的光纖、半導(dǎo)體激光器（Laser Diode, LD）和摻鉺光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA）。
1966年，后來被譽(yù)為“光纖之父”的英籍華人高昆和他的同事Hockman，在論文《光頻的電介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》中提出利用玻璃纖維傳導(dǎo)激光的概念，并且明確指出通過材料提純光纖的損耗可以降到20dB/公里以下；1970年美國康寧公司的Maurer等人拉制出*條損耗低于20dB/公里的光纖，當(dāng)時(shí)的傳輸波長是633nm；至今1550nm波段的光纖損耗已降至0.2dB/公里以下，zui近幾年發(fā)展起來的全波光纖，消除了1383nm附近的OH－吸收峰，使光纖通信波段擴(kuò)展到1260～1625nm，可容納近千個(gè)波長信道。
1962年美國通用電氣公司的Hall和Fenner制造了*臺(tái)工作于超低溫下的半導(dǎo)體激光器，另外三個(gè)小組幾乎同時(shí)獨(dú)立制造出了類似的半導(dǎo)體激光器；1970年前蘇聯(lián)Loffe物理技術(shù)研究所的Alferov和美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Hayashi各自獨(dú)立研制成功*臺(tái)能夠在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器[21-24]。前面提到的*條低損耗光纖也是在這一年拉制成功，因此1970年被稱為光纖通信的元年，而*個(gè)商用的光纖通信系統(tǒng)于1977年由美國通用和電子設(shè)備公司與貝爾系統(tǒng)公司在芝加哥合作建成。
1987年，英國南安普敦大學(xué)的Payne等人發(fā)明EDFA，被視為光纖通信發(fā)展的另一個(gè)里程碑，EDFA具有增益高、噪聲小、偏振不敏感、輸出功率大、與傳輸速率無關(guān)及放大區(qū)域正好對(duì)應(yīng)于光纖的zui低衰耗窗口1550nm等特點(diǎn)，能夠補(bǔ)償光纖的衰耗，延長傳輸中繼距離。單個(gè)波長信道的電子時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM），加上DWDM+EDFA技術(shù)，使單根光纖的通信容量達(dá)到太比特量級(jí)。
2.點(diǎn)到點(diǎn)傳輸系統(tǒng)
目前的光纖通信還處于點(diǎn)到點(diǎn)傳輸階段，如圖1.1所示，DWDM信號(hào)在*個(gè)節(jié)點(diǎn)被復(fù)用，經(jīng)過一段光纖線路和數(shù)個(gè)光放大器，在第二個(gè)節(jié)點(diǎn)被解復(fù)用和接收。光放大器分為功率放大器、線路放大器和前置放大器，其中線路光放大器可以有多個(gè)，每個(gè)光放大器可延長無中繼距離大約80公里。 
圖1.1 點(diǎn)到點(diǎn)傳輸?shù)?/span>DWDM光纖通信系統(tǒng)
在點(diǎn)到點(diǎn)傳輸系統(tǒng)中，目標(biāo)地址為其他節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，需經(jīng)第二個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)也需要先用光探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，解讀其協(xié)議格式和地址信息，再用半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。光－電－光轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn)是：
限制了通信速率，成為整個(gè)系統(tǒng)的帶寬瓶頸；
通信網(wǎng)絡(luò)中存在SDH、ATM、MSTP等各種協(xié)議格式的信息流，信息速率和調(diào)制方式也各不相同，光－電－光轉(zhuǎn)換過程對(duì)協(xié)議格式和通信速率不透明，使得轉(zhuǎn)換設(shè)備非常復(fù)雜；
大量復(fù)雜的高速電子設(shè)備使系統(tǒng)成本大大增加。
3.全光通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)
光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)是由點(diǎn)到點(diǎn)傳輸向動(dòng)態(tài)、智能化的全光通信網(wǎng)發(fā)展，全光通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，它由廣域網(wǎng)（Long Haul Network）、城域網(wǎng)（Metro Network）和接入網(wǎng)（Access Network）三級(jí)組成，其中廣域網(wǎng)為全互連的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)采用N維光交叉互連設(shè)備（Optical Cross Connect, OXC）；城域網(wǎng)和接入網(wǎng)為雙向光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)分別采用二維可重構(gòu)光分插復(fù)用器（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer, ROADM）和復(fù)用/解復(fù)用器；從接入網(wǎng)到終端用戶的分配網(wǎng)絡(luò)即光纖到戶（Fiber to the Home, FTTH），采用光分路器（Splitter）實(shí)現(xiàn)。廣域網(wǎng)與城域網(wǎng)之間通過一個(gè)二維ROADM節(jié)點(diǎn)連通，城域網(wǎng)與接入網(wǎng)之間通過一個(gè)四維OXC節(jié)點(diǎn)連通，分配網(wǎng)通過一個(gè)復(fù)用/解復(fù)用器與接入網(wǎng)的光纖環(huán)連通。此處ROADM和OXC的維數(shù)指的是用于節(jié)點(diǎn)之間互連的端口數(shù)，不包括本地上/下載端口，考慮光纖線路保護(hù)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間往往采用一對(duì)光纖相對(duì)傳輸，僅算作一個(gè)互連端口。 
圖1.2 全光通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)
相對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)通信，全光通信網(wǎng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
投資成本低，因?yàn)槭∪チ舜罅堪嘿F的高速電子設(shè)備；
運(yùn)營成本低，可靠性提高，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)元件大大減少；
體積小，因?yàn)槭∪チ斯猓姡廪D(zhuǎn)換，設(shè)備復(fù)雜度下降；
升級(jí)方便，因?yàn)椴捎霉饨粨Q，與通信速率和協(xié)議格式無關(guān)。
4.全光通信網(wǎng)的演化
現(xiàn)代社會(huì)的通信業(yè)務(wù)呈現(xiàn)多樣化，特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展，對(duì)帶寬資源的需求大大增加，而且業(yè)務(wù)量的預(yù)測也越來越困難，采用ROADM和OXC的動(dòng)態(tài)全光通信網(wǎng)，可以根據(jù)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展靈活配置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在全光通信網(wǎng)中，發(fā)展zui快的是城域網(wǎng)，其業(yè)務(wù)量持續(xù)增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也在不斷演化。
圖1.3 城域網(wǎng)的演化
考慮到器件的級(jí)聯(lián)特性，光信號(hào)能夠無需再生而透明通過的節(jié)點(diǎn)數(shù)量是有限的，一般為16～24個(gè)，而城域網(wǎng)中的總節(jié)點(diǎn)數(shù)量往往達(dá)到100～150個(gè)，因此城域網(wǎng)一般被分成數(shù)個(gè)互聯(lián)的環(huán)網(wǎng)，其中一個(gè)為核心環(huán)網(wǎng)，其他為分配環(huán)網(wǎng)。而一個(gè)新建的城域網(wǎng)，其初始節(jié)點(diǎn)數(shù)量一般只有20～50個(gè)，因此初始的城域網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單，但是需要為將來的升級(jí)擴(kuò)容作好準(zhǔn)備，如圖1.3（a）所示。隨著新用戶的加入和業(yè)務(wù)量的增長，初始環(huán)網(wǎng)中的光放大器可以直接被網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備取代，成為新的業(yè)務(wù)匯聚點(diǎn)，在核心環(huán)網(wǎng)的周圍也可以增加新的分配環(huán)網(wǎng)，如圖1.3（b）所示。隨著用戶數(shù)和業(yè)務(wù)量繼續(xù)增長，節(jié)點(diǎn)數(shù)和分配環(huán)網(wǎng)數(shù)繼續(xù)增加，城域網(wǎng)演化出更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1.3（c）和圖1.3（d）所示。
由于城域網(wǎng)中演化出更多互聯(lián)的分配環(huán)網(wǎng)，需要更多和更高維數(shù)的OXC和ROADM設(shè)備。2006年9月，專業(yè)咨詢公司Heavy Reading發(fā)布ROADM設(shè)備市場研究報(bào)告，對(duì)前兩年的市場額度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)未來五年內(nèi)的市場發(fā)展進(jìn)行預(yù)測，如圖1.4所示，預(yù)計(jì)2011年較2006年增長246%，市場總額將達(dá)到9.2億美元。 
圖1.4 ROADM設(shè)備市場預(yù)測
ROADM現(xiàn)狀二：全光通信網(wǎng)中的ROADM
1、全光通信網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備
1）可重構(gòu)光分插復(fù)用器
ROADM設(shè)備的功能是，對(duì)通過的一組DWDM信號(hào)，下載其中目的地址為本節(jié)點(diǎn)的波長信號(hào)，并上載從本節(jié)點(diǎn)發(fā)出的波長信號(hào)，其他波長則透明通過。一個(gè)典型的ROADM節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它由兩臺(tái)ROADM設(shè)備和兩個(gè)2×2光開關(guān)組成，每臺(tái)ROADM中的下載模塊與上載模塊分離，ROADM①的下載模塊和上載模塊分別與ROADM②的上載模塊和下載模塊連接。采用兩臺(tái)ROADM的目的是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行備份以提高可靠性，光開關(guān)的作用是線路保護(hù)，系統(tǒng)備份和線路保護(hù)的工作模式如下：
a）城域網(wǎng)一般采用雙向光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，信號(hào)在兩根光纖中分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸，ROADM①的下載模塊與ROADM②的上載模塊接入順時(shí)針傳輸光纖，而ROADM②的下載模塊與ROADM①的上載模塊接入逆時(shí)針傳輸光纖，系統(tǒng)正常工作時(shí)，兩個(gè)2×2光開關(guān)均為直通狀態(tài)，兩根光纖上各傳輸一半波長。
b）當(dāng)線路上的某點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，與故障點(diǎn)緊鄰的兩個(gè)ROADM節(jié)點(diǎn)中，靠近故障點(diǎn)的兩個(gè)2×2光開關(guān)切換至交叉狀態(tài)，通過這兩個(gè)光開關(guān)，順時(shí)針信號(hào)轉(zhuǎn)向逆時(shí)針傳輸，形成一個(gè)新的單光纖環(huán)網(wǎng)，長度為原雙光纖環(huán)網(wǎng)的兩倍，新的光纖環(huán)網(wǎng)中傳輸所有波長。
c）當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)中的設(shè)備ROADM①發(fā)生故障時(shí)，則將ROADM②中下載模塊的輸出端與其上載模塊的輸入端相連，同時(shí)將靠近ROADM①的2×2光開關(guān)切換至交叉狀態(tài)，這樣也形成一個(gè)新的兩倍長度單光纖環(huán)網(wǎng)，保證信號(hào)的傳輸，而ROADM①可取出維修。
在ROADM設(shè)備的下載模塊中，采用20%分光比的TAP耦合器從線路上取出部分光功率進(jìn)行解復(fù)用，而在解復(fù)用之前，用5%分光比的TAP耦合器取出部分光功率進(jìn)行監(jiān)控。在上載模塊的輸入輸出端口，以及解復(fù)用器和復(fù)用器之間的每個(gè)信道上，用5%分光比的TAP耦合器取出部分光功率進(jìn)行監(jiān)控，每個(gè)信道上的1×2光開關(guān)用于選擇每個(gè)信道被上/下載或者直通，可調(diào)光衰減器VOA用于信道功率均衡。上載模塊輸出端的光放大器，相當(dāng)于圖1.1中的功率放大器。
2）光交叉互連設(shè)備
一臺(tái)OXC設(shè)備有N個(gè)輸入/輸出端口和若干個(gè)本地上/下載端口，它的功能是將任意輸入端口中的任意波長信號(hào)，交換到任意輸出端口中，并下載部分目標(biāo)地址為本節(jié)點(diǎn)的波長信號(hào)和上傳部分從本節(jié)點(diǎn)發(fā)出的波長信號(hào)。OXC設(shè)備的結(jié)構(gòu)比ROADM要復(fù)雜的多，去除系統(tǒng)備份、線路保護(hù)、控制電路、功率監(jiān)控和通道均衡部分，典型的OXC設(shè)備光路結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，它由N個(gè)復(fù)用器、N個(gè)解復(fù)用器和N個(gè)（N×K）×（N×K）光開關(guān)組成。該OXC有N個(gè)輸入/輸出端口和（N×K）個(gè)上/下載端口，能夠從每條線路上/下載K個(gè)波長信號(hào)。
圖2.2 典型的OXC設(shè)備光路結(jié)構(gòu)
2、廣義的ROADM概念
核心的ROADM和OXC器件，輔之外圍控制系統(tǒng)，稱為OXC和ROADM子系統(tǒng)，再加上各種信息處理和管理功能，則稱為OXC和ROADM設(shè)備，本文以下部分所提到的OXC和ROADM，均指器件。
ROADM器件由一個(gè)輸入端口、一個(gè)輸出端口、一組下載端口和一組上載端口組成，如圖2.3所示，它能夠從輸入端口上/下載任一或任一組波長，其他波長則透明通過。OXC器件由N個(gè)輸入端口和N個(gè)輸出端口組成，如圖2.4所示，它能夠?qū)⑷我惠斎攵丝谥械娜我换蛉我唤M波長，交換到任一輸出端口中。波長選擇開關(guān)（Wavelength Selective Switch, WSS）是實(shí)現(xiàn)多維ROADM和OXC的重要器件，1×N WSS由一個(gè)輸入端口和N個(gè)輸出端口組成，如圖2.5所示，它能夠?qū)⑤斎攵丝谥械娜我换蛉我唤M波長，切換到任一輸出端口中。WSS也可以反過來使用，將從多個(gè)端口輸入的不同波長，合并到一個(gè)端口輸出。
圖2.3 ROADM器件功能圖 圖2.4 OXC器件功能圖 圖2.5 WSS器件功能圖
OXC器件主要用于光纖環(huán)網(wǎng)之間的互連，一般要求它也具有一定的本地上/下載功能；多維的ROADM器件（關(guān)于ROADM的維數(shù)，下文將會(huì)介紹），除了用于本環(huán)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)互連的IN/THRU端口之外，還可以通過某些ADD/DROP端口與另一個(gè)環(huán)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)互連（續(xù)文將會(huì)有圖例）；兩個(gè)WSS組合，可以構(gòu)成一個(gè)ROADM器件（如圖2.6所示），多個(gè)WSS組合，可以構(gòu)成一個(gè)OXC器件（如圖2.7所示）。因此OXC、WSS和傳統(tǒng)的ROADM器件，可以納入更加廣義的ROADM概念中。
圖2.6 由兩個(gè)WSS構(gòu)成的ROADM
圖2.7 由2N個(gè)WSS構(gòu)成的N×N端口OXC
如圖2.3所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)ROADM，通過其IN和THRU端口接入光纖環(huán)網(wǎng)，此ROADM的維數(shù)為2；如圖2.6所示的ROADM由兩個(gè)WSS構(gòu)成，其IN/THRU端口和另外（S-1）個(gè)Input/Output端口均可用于光纖環(huán)網(wǎng)的接入或者與其他OXC節(jié)點(diǎn)之間的互連，此ROADM的維數(shù)為2S；圖2.2所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)OXC和圖2.7所示的基于WSS的OXC，維數(shù)均為2N。
衡量ROADM器件性能的主要技術(shù)指標(biāo)有：插入損耗IL、偏振相關(guān)損耗PDL、通帶特性、串?dāng)_水平、響應(yīng)時(shí)間、色散水平和擴(kuò)展能力，等等。在信道的通帶邊緣總是存在上升沿和下降沿，當(dāng)多個(gè)ROADM串聯(lián)時(shí)，通帶將會(huì)因乘積效應(yīng)而變窄，而激光器的波長總是存在一定的漂移，較窄的通帶寬度會(huì)增加誤碼率，因此ROADM的通帶特性決定了能夠串聯(lián)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。ROADM的響應(yīng)時(shí)間主要取決于其中的光開關(guān)，因?yàn)橥ㄐ啪€路的保護(hù)切換時(shí)間是50ms，一般要求ROADM的響應(yīng)時(shí)間小于10ms。為了降低初裝成本，同時(shí)又能夠應(yīng)對(duì)將來的業(yè)務(wù)增長和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，要求ROADM具有較好的模塊化和擴(kuò)展能力，而且在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和升級(jí)擴(kuò)展時(shí)盡量不影響現(xiàn)有通信線路。
3、ROADM的分類
1）按結(jié)構(gòu)分類
實(shí)現(xiàn)ROADM器件的技術(shù)方案多種多樣，從器件結(jié)構(gòu)的角度考慮，可歸于兩類：廣播&選擇型（Broadcast-and-Select, B&S）和波長選擇型（Wavelength Selective, WS）。圖2.8所示為一種B&S型ROADM結(jié)構(gòu)，信號(hào)經(jīng)一個(gè)3dB耦合器和一個(gè)1×m分路器下載，并被可調(diào)濾波器解復(fù)用為單個(gè)波長進(jìn)行接收；繼續(xù)傳輸?shù)男盘?hào)，被一個(gè)波長阻塞器（Wavelength Blocker, WB）阻斷其中的已下載波長；信號(hào)的上載通過一個(gè)m×1合波器和另一個(gè)3dB耦合器實(shí)現(xiàn)。WB可以阻斷任一或任一組已下載的波長，也可以同時(shí)對(duì)直通的波長進(jìn)行衰減，這樣該ROADM結(jié)構(gòu)同時(shí)具有通道均衡功能；如果WB不阻斷已下載的波長而讓其繼續(xù)傳輸（ADD端也就不能上載這些未阻斷的波長），這樣其他節(jié)點(diǎn)也能夠下載這些波長，則該ROADM同時(shí)具有廣播功能。實(shí)現(xiàn)WB的技術(shù)途徑有聲光濾波器（Acousto-Optic Filter, AOF）、液晶（Liquid Crystal, LC）、硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon, LCoS）、微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro-Mechanical System, MEMS）、平面光路（Planar Lightwave Circuit，PLC）技術(shù)，等等。
WS型ROADM結(jié)構(gòu)如圖2.9所示，它由一個(gè)解復(fù)用器、一個(gè)光開關(guān)陣列和一個(gè)復(fù)用器組成，輸入的WDM信號(hào)先被解復(fù)用為單個(gè)波長，由開關(guān)陣列決定每個(gè)波長被上/下載或者直通，直通信號(hào)和上載信號(hào)通過復(fù)用器重新合成為WDM信號(hào)。WS型ROADM中的MUX/DEMUX部分，可以由分立器件組合而成，如串聯(lián)的薄膜濾波器（Thin Film Filter, TFF）或者光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Gratings, FBG），也可以是基于PLC技術(shù)的集成器件，如陣列波導(dǎo)光柵（Arrayed waveguide Gratings, AWG）；光開關(guān)陣列部分，可以是多個(gè)1×2或者2×2光開關(guān)組成的陣列，也可以是一個(gè)大端口數(shù)的N×M光開關(guān)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)有微機(jī)械光開關(guān)、MEMS光開關(guān)、液晶光開關(guān)和基于PLC技術(shù)的各種熱光開關(guān)，等等。其中基于PLC技術(shù)的AWG+熱光開關(guān)方案，可以實(shí)現(xiàn)單片集成，而且可以同時(shí)集成VOA以實(shí)現(xiàn)信道均衡，是的技術(shù)方案之一。
圖2.8 B&S型ROADM結(jié)構(gòu) 圖2.9 WS型ROADM結(jié)構(gòu)
B&S型ROADM結(jié)構(gòu)因?yàn)椴捎?/span>WB，具有損耗低、通帶特性好和初裝成本低的優(yōu)點(diǎn)，較低的損耗和良好的通帶特性使得一個(gè)環(huán)網(wǎng)中可以串聯(lián)更多的ROADM節(jié)點(diǎn)，初裝時(shí)只需上/下載少數(shù)波長，而升級(jí)擴(kuò)容只需通過增加可調(diào)濾波器和可調(diào)激光器即可實(shí)現(xiàn)；B&S型ROADM結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，當(dāng)上/下載波長數(shù)較多時(shí)成本偏高。WS型ROADM結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是體積小，在上下載波長數(shù)較多時(shí)成本要低的多，特別是基于PLC技術(shù)的單片集成方案；缺點(diǎn)是直通信號(hào)的損耗偏大（直通信號(hào)的損耗影響節(jié)點(diǎn)串聯(lián)特性，因此要求較高，而上/下載信號(hào)的損耗只關(guān)系本節(jié)點(diǎn)，要求稍低），而且初裝成本偏高。
2）按功能分類
前面提到，OXC、WSS和傳統(tǒng)的ROADM均可以納入更加廣義的ROADM概念中，而且傳統(tǒng)的ROADM，根據(jù)其ADD/DROP端口是否只能上/下載固定波長，可區(qū)分為I類II類ROADM。因此從器件功能的角度考慮，可以將廣義的ROADM歸于四類：I類ROADM、II類ROADM、WSS和OXC。
a）I類ROADM：擁有一個(gè)IN/THRU端口和若干ADD/DROP端口，每個(gè)ADD/DROP端口只能固定上/下載某個(gè)或者某些波長。
b）II類ROADM：擁有一個(gè)IN/THRU端口和若干ADD/DROP端口，每個(gè)ADD/DROP端口的上/下載波長可改變。
c）WSS：端口結(jié)構(gòu)為1×K，擁有一個(gè)輸入端口和K個(gè)輸出端口，可以將輸入端口中的任一或者任一組波長，切換至任一輸出端口中；或者反過來使用，擁有K個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，可以將任一輸入端口中的任一或者任一組波長切換至輸出端口。當(dāng)然，各端口輸入的波長不能重合，否則將會(huì)發(fā)生相互串?dāng)_。
d）OXC：端口結(jié)構(gòu)為N×N，擁有N個(gè)輸入端口和N個(gè)輸出端口，可以將任一輸入端口中的任一或者任一組波長交換到任一輸出端口中，并具有一定的本地上/下載功能，能夠從每條線路上/下載若干波長。
ROADM現(xiàn)狀三：I類ROADM和II類ROADM
1．I類ROADM的研究現(xiàn)狀
I類ROADM的每個(gè)ADD/DROP端口只能上/下載固定的波長，它可以采用B&S型或者WS型結(jié)構(gòu)。 1）基于WB的B&S型I類ROADM
WB（Wavelength Blocker，波長阻塞器）是B&S型ROADM中的關(guān)鍵器件，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)有MEMS、LC（Liquid Crystal，液晶）、PLC，等等。以WB為核心，配置成圖2.8所示結(jié)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)B&S型I類ROADM，因此下面僅對(duì)各種WB實(shí)現(xiàn)技術(shù)作介紹。
a）基于MEMS技術(shù)的WB
2005年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Neilson等人報(bào)道了一種基于MEMS技術(shù)、具有通道均衡功能的WB，如圖3.1所示，它由一個(gè)三端口環(huán)形器、一個(gè)透鏡組、一個(gè)衍射光柵和一個(gè)MEMS微鏡陣列組成。
經(jīng)環(huán)形器輸入的DWDM信號(hào)，先由透鏡組準(zhǔn)直，然后被光柵衍射，不同波長對(duì)應(yīng)不同衍射角度，經(jīng)透鏡組聚焦到MEMS微鏡陣列的不同單元上，需要阻塞的波長被反射鏡偏離，而直通波長被反射后，沿原光路回到環(huán)行器的端口。
通過對(duì)衍射光柵、透鏡組和MEMS微鏡陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了很好的通帶特性；由于各個(gè)波長被各個(gè)反射鏡獨(dú)立反射或偏轉(zhuǎn)，相互之間沒有制約關(guān)系，因此該器件可以阻塞任一或任一組波長；也可以通過反射鏡對(duì)各直通波長偏轉(zhuǎn)一定角度以達(dá)到適當(dāng)?shù)乃p，使該器件同時(shí)具有動(dòng)態(tài)通道均衡功能；因?yàn)榭快o電吸引來扭轉(zhuǎn)MEMS反射鏡，該器件的功耗非常小。
圖3.1 基于MEMS技術(shù)的WB結(jié)構(gòu)
圖3.2 基于MEMS技術(shù)的WB傳輸譜線，左坐標(biāo)－所有波長均直通，右坐標(biāo)－直通/阻塞波長相間隔
圖3.2所示為該WB的傳輸譜線，其通道數(shù)為64，通道間隔為100GHz，IL小于5dB，PDL小于0.35dB，串?dāng)_低于-35dB，0.5dB和3dB通帶寬度分別為58GHz和87GHz。
b）基于LC技術(shù)的WB
圖3.3所示為美國JDSU公司的基于LC技術(shù)的WB方案，它由一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換組件、兩個(gè)透鏡、一個(gè)衍射光柵和一個(gè)帶反射鏡的LC陣列組成，其中的偏振轉(zhuǎn)換組件由一個(gè)偏振分光棱鏡（Polarization Beam Splitter, PBS），一個(gè)直角棱鏡和兩個(gè)半波片組成。
任意偏振態(tài)的DWDM信號(hào)，先被偏振轉(zhuǎn)換組件變換成相同偏振態(tài)的兩束光，經(jīng)過兩個(gè)透鏡組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，光束被展寬，投射到衍射光柵上，不同波長被衍射至不同角度，再經(jīng)透鏡2聚焦到LC陣列的不同單元上，將需要阻斷的波長*衰減，而其他波長被反射或者適當(dāng)衰減，沿原路返回，再次經(jīng)過偏振轉(zhuǎn)換組件中的PBS時(shí)，因偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)了90°，從另一端口輸出。各波長被各LC單元獨(dú)立控制，因此該WB可以阻塞任一或任一組波長。
圖3.3 基于LC技術(shù)的WB結(jié)構(gòu)
圖3.4 基于LC技術(shù)的WB傳輸譜線，直通/阻塞波長相間隔
圖3.4所示為該WB的傳輸譜線，該器件可工作于100GHz和50GHz，通道數(shù)達(dá)100個(gè)，IL小于5dB，PDL小于0.3dB，串?dāng)_低于-40dB，0.5dB通帶寬度大于50GHz（100GHz通道間隔）。
c）基于PLC技術(shù)的WB
Neophotonics公司的Liu等人在2005年的OFC會(huì)議上報(bào)道了一種基于PLC技術(shù)的WB，如圖3.5所示，它由一個(gè)解復(fù)用器、一個(gè)阻塞器陣列和一個(gè)復(fù)用器組成，其中解復(fù)用器和復(fù)用器為AWG，阻塞器為基于Mach-Zehnder（MZ）干涉的熱光開關(guān)，而且采用兩級(jí)光開關(guān)串聯(lián)以提高消光比。
各阻塞器獨(dú)立控制每個(gè)波長，因此該器件也可以阻塞任一或任一組波長；控制加熱電極使各直通波長也達(dá)到適當(dāng)衰減，則該器件同時(shí)具有動(dòng)態(tài)通道均衡功能。
該WB的通道數(shù)為32，通道間隔為100GHz，IL小于5dB，PDL小于0.4dB，串?dāng)_低于-35dB，0.5dB和3dB通帶寬度分別為50GHz和68GHz；該器件總功耗為13W，包括阻塞器陣列的功耗9W和兩個(gè)AWG的溫控功耗4W。
（a）
（b）
圖3.5 基于PLC技術(shù)的WB，（a）結(jié)構(gòu)示意圖，（b）芯片布版
2）基于PLC技術(shù)的WS型I類ROADM
以基于PLC技術(shù)的AWG和熱光開關(guān)分別作為復(fù)用/解復(fù)用器和控制單元，可以實(shí)現(xiàn)單片集成的WS型ROADM。
a）基于PLC技術(shù)的傳統(tǒng)ROADM結(jié)構(gòu)
圖3.6所示為一種基于PLC技術(shù)的傳統(tǒng)ROADM，采用WS型結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)解復(fù)用器、一個(gè)2×2熱光開關(guān)陣列、一個(gè)熱光VOA陣列、一個(gè)TAP耦合器陣列、一個(gè)探測器（Photo Detector, PD）陣列和一個(gè)復(fù)用器組成，其中復(fù)用/解復(fù)用器為AWG，光開關(guān)一般采用兩級(jí)串聯(lián)以提高消光比。由于材料不兼容，其中的PD陣列不能與其他器件一起集成在PLC芯片上，而是另外制作一個(gè)PD芯片，PD芯片與PLC芯片采用倒裝方式封裝在一起，PLC芯片上的TAP耦合器，其輸出端口通過一個(gè)制作在PLC芯片上的45º反射鏡陣列，與PD芯片上的探測器單元進(jìn)行耦合。
圖3.6 基于PLC技術(shù)的傳統(tǒng)ROADM結(jié)構(gòu)
考慮系統(tǒng)的可靠性，全光通信網(wǎng)一般采用雙向光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，兩條光纖互為備份保護(hù)，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)中包含兩個(gè)ROADM器件。以這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的ROADM器件構(gòu)筑雙向光纖環(huán)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，如圖3.7所示，如果其中一個(gè)ROADM器件發(fā)生故障，則整個(gè)節(jié)點(diǎn)必須被隔離。我們?cè)賮砘仡檲D2.1中的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，由于ROADM器件的上/下載模塊分離，如果其中一個(gè)ROADM器件發(fā)生故障，只會(huì)使本節(jié)點(diǎn)損失一半上/下載能力。因此，上/下載模塊分離的ROADM器件，其可靠性優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的ROADM器件。
圖3.7 以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)ROADM器件構(gòu)筑的雙向光纖環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)
b）上/下載模塊分離的PLC單片集成ROADM
圖3.8所示為一種基于PLC技術(shù)、上/下載模塊分離的ROADM結(jié)構(gòu)，美國JDSU公司和DuPont公司分別在硅基二氧化硅材料和Polymer材料上制作了這種結(jié)構(gòu)的ROADM，均為40通道，通道間隔為100GHz。JDSU公司的器件特性為，直通波長IL小于7.5dB，上/下載波長IL小于5.8dB，PDL小于0.5dB，串?dāng)_低于-30dB，0.5dB通帶寬度為52GHz，VOA動(dòng)態(tài)范圍為25dB。DuPont公司的器件特性為，直通波長IL小于7dB，PDL小于0.4dB，串?dāng)_低于-50dB，0.5dB和3dB通帶寬度分別為40GHz和81GHz， VOA動(dòng)態(tài)范圍為20dB。后者采用Polymer材料，熱光系數(shù)為二氧化硅的32倍，因此功耗大大降低。 
圖3.8 上/下載模塊分離的PLC單片集成ROADM結(jié)構(gòu)
該ROADM的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有廣播功能，即多個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠從同一個(gè)波長下載信號(hào)，廣播功能廣泛用于多種業(yè)務(wù)，如高清電視和視頻點(diǎn)播。
c）基于PLC技術(shù)的多功能ROADM
2002年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Earnshaw等人報(bào)道了一種基于PLC技術(shù)的多功能ROADM，如圖3.9所示，它由兩個(gè)解復(fù)用器、兩個(gè)復(fù)用器和一個(gè)1×2熱光開關(guān)陣列組成，除了一組分立的ADD/DROP端口，該器件還有一個(gè)公共的ADD/DROP端口。通過熱光開關(guān)的控制，每個(gè)波長可以被下載到分立DROP端口，也可以被下載到公共DROP端口，信號(hào)的上載也可以選擇分立或者公共ADD端口。
每個(gè)分立ADD/DROP端口只能上/下載固定的單個(gè)波長，因此該ROADM結(jié)構(gòu)歸于I類；公共ADD/DROP端口可以上/下載任意波長的組合，可用于跟其他光纖環(huán)網(wǎng)中ROADM節(jié)點(diǎn)之間的互連，相當(dāng)于將該器件的維數(shù)提升為四維，因此該ROADM被稱為多功能型。
該器件的通道數(shù)為16，通道間隔為200GHz，器件的損耗，從輸入端口到直通端口或者公共DROP端口，或者從公共ADD端口到直通端口，均經(jīng)過了兩個(gè)AWG，IL小于5.5dB；從輸入端口到分立DROP端口，或者從分立ADD端口到直通端口，都只經(jīng)過了一個(gè)AWG，IL分別為2.6～4.0dB和2.2～3.5dB，分立端口的損耗差異，是因光波導(dǎo)的交叉損耗引起，每個(gè)分立端口經(jīng)過的交叉點(diǎn)數(shù)量各不相同（交叉波導(dǎo)的夾角大于40º，可以盡量減少交叉點(diǎn)引起的損耗和串?dāng)_）。兩個(gè)AWG器件的3dB通帶寬度分別為98GHz和109GHz，所有端口的串?dāng)_均低于-40dB。
圖3.9 基于PLC技術(shù)的多功能ROADM結(jié)構(gòu)
圖3.10為該ROADM的波長路由示例，其中8個(gè)波長直通，4個(gè)波長被下載到公共DROP端口，其余4個(gè)波長被下載到分立DROP端口。
圖3.10 多功能ROADM波長路由示例，8個(gè)波長直通，4個(gè)波長下載到公共DROP端口，4個(gè)波長下載到分立DROP端口
3）基于PLC+MEMS技術(shù)的WS型I類ROADM
1999年，朗訊公司的Giles等人報(bào)道了一種基于PLC和MEMS技術(shù)的混合結(jié)構(gòu)I類ROADM，如圖3.11所示，它采用AWG作為復(fù)用/解復(fù)用器，并通過MEMS光開關(guān)控制各波長直通或者被反射，其中1-4和13-16通道通過3dB耦合器分光探測，這些通道可用于廣播業(yè)務(wù)。
圖3.11 基于PLC和MEMS技術(shù)的I類ROADM結(jié)構(gòu)
2．II類ROADM的研究現(xiàn)狀
1）基于PLC技術(shù)的W&S型II類ROADM
在2005年的OFC會(huì)議上，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Earnshaw等人報(bào)道了一種基于PLC技術(shù)的WS型II類ROADM，如圖3.12所示。輸入信號(hào)先被解復(fù)用為單波長，并由1×2光開關(guān)陣列決定每個(gè)波長直通或者被下載，直通波長被重新復(fù)用到直通端口，所有1×2光開關(guān)的下載端均連至一個(gè)非對(duì)稱的N×M（M≤N）光開關(guān)（如圖3.13所示），可以同時(shí)下載N個(gè)波長中的任意M個(gè)，而且每個(gè)端口的下載波長不固定，因此屬于II類ROADM。與圖3.8中類似，該ROADM的上/下載模塊也是分離的。
圖3.12 基于PLC技術(shù)II類ROADM結(jié)構(gòu)
圖3.13 N×M非對(duì)稱光開關(guān)
該器件通道數(shù)為24，通道間隔為200GHz，可從24個(gè)波長中同時(shí)下載任意8個(gè)波長至任一輸出端口中。Earnshaw等人報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，直通波長IL為12~14dB，下載波長IL為20dB（其中24×8非對(duì)稱光開關(guān)的損耗約為14dB），串?dāng)_低于-40dB。其中直通波長通過了兩個(gè)AWG、一個(gè)光開關(guān)和一個(gè)耦合器（用于與上載模塊合路，一般為20%耦合比），通過優(yōu)化AWG的設(shè)計(jì)，IL可降至7dB以下。相應(yīng)的，下載波長的IL可降至17dB以下。
2）基于PLC+MEMS技術(shù)的WS型II類ROADM
圖3.14所示為一種基于PLC和MEMS技術(shù)的混合結(jié)構(gòu)II類ROADM，它以AWG作為解復(fù)用器和復(fù)用器，用一個(gè)N×M（M≤N）MEMS光開關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)光交換。在直通狀態(tài)下，所有MEMS反射鏡均退出光路，當(dāng)某個(gè)波長i需要下載到DROP端口j時(shí)，第i行第j列的反射鏡進(jìn)入光路中，相應(yīng)波長被反射并下載；由于反射鏡是雙面的，可同時(shí)從ADD端口j上載波長i。該ROADM可同時(shí)上/下載N個(gè)波長中的任意M個(gè)，而且每個(gè)端口的波長不固定（上載端采用可調(diào)激光器），因此屬于II類ROADM。
16×16 MEMS光開關(guān)的損耗小于3.1dB，兩個(gè)AWG的損耗小于6dB，采用該方案的16×16 ROADM損耗可低于9.1dB。
圖3.14 基于PLC和MEMS技術(shù)的II類ROADM結(jié)構(gòu)
在圖3.12和圖3.14所示的ROADM器件中，下載端口數(shù)M小于傳輸波長數(shù)N，這是因?yàn)樵谀硞€(gè)節(jié)點(diǎn)需要上/下載的波長數(shù)一般為總數(shù)的25%，而且一般不超過50%，采用N×M的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省收發(fā)模塊，降低成本。
ROADM發(fā)展現(xiàn)狀四：WSS和OXC
作者：萬助軍
1．WSS的研究現(xiàn)狀
1）基于LCoS技術(shù)的WSS
LCoS（liquid crystal on silicon，硅基液晶）首先應(yīng)用于液晶顯示領(lǐng)域，它是在一片硅基底上制作許多液晶單元，在每個(gè)液晶單元上面有一個(gè)透明電極，下面有一個(gè)電子控制單元，從每個(gè)液晶單元反射的光，其相位可通過施加在這個(gè)單元上的電壓來控制。一束光入射在LCoS芯片上，其光斑覆蓋許多液晶單元，每個(gè)單元的反射光相位被單獨(dú)控制，相當(dāng)于對(duì)反射光的波前進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而對(duì)反射光方向進(jìn)行控制。
2006年，澳大利亞Engana Pty公司的Baxter首先將LCoS技術(shù)引入WSS中作為控制陣列，他們的WSS結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一個(gè)光纖陣列、一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換單元、一個(gè)反射鏡、一個(gè)透鏡組、一個(gè)衍射光柵和一個(gè)LCoS芯片。因?yàn)檠苌涔鈻艑?duì)入射光的偏振態(tài)非常敏感，輸入的隨機(jī)偏振WDM光束，首先被偏振轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為線偏振光（相對(duì)于衍射光柵為s偏振態(tài)），然后被反射鏡反射并經(jīng)透鏡組準(zhǔn)直，準(zhǔn)直的線偏振光束入射到光柵上并被衍射，衍射光束被透鏡組重新會(huì)聚并被反射鏡第二次反射，不同波長的光聚焦到LCoS芯片上的不同區(qū)域并被反射，其反射方向可獨(dú)立控制，然后被反射鏡第三次反射，并經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換單元恢復(fù)原偏振態(tài)，不同波長的光耦合到各自的目標(biāo)端口中。由于不同波長的光被LCoS芯片上的不同區(qū)域單獨(dú)控制，該器件可以將任意波長組合切換到任一輸出端口中。
圖4.1基于LCoS技術(shù)的WSS結(jié)構(gòu)
Baxter以上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)1×9 WSS，其傳輸譜線如圖4.2所示，它可同時(shí)工作于50GHz和100GHz通道間隔，IL小于5dB，0.5dB通帶寬度為80GHz（通道間隔為100GHz時(shí)），串?dāng)_低于-40dB。
圖4.2 基于LCoS技術(shù)的WSS傳輸譜線
該WSS可以獨(dú)立控制任一波長的損耗，因此兼有通道均衡功能，如圖4.3所示。
圖4.3 基于LCoS技術(shù)的WSS之通道均衡功能
2）基于MEMS技術(shù)的WSS
MEMS微鏡陣列也可以用作WSS中的控制陣列，2005年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Marom等人報(bào)道了一種基于MEMS技術(shù)的WSS，其結(jié)構(gòu)如圖4.4所示，由一個(gè)光纖－微透鏡陣列、一個(gè)光束壓縮透鏡、一個(gè)分析透鏡、一個(gè)衍射光柵和一個(gè)MEMS微鏡陣列組成，其中壓縮透鏡與分析透鏡組成一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，光纖－微透鏡陣列中包含一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換單元，如圖4.5所示。輸入的隨機(jī)偏振WDM光束，首先被偏振轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為線偏振光（相對(duì)于衍射光柵為s偏振態(tài)）并由微透鏡陣列準(zhǔn)直，然后經(jīng)壓縮透鏡和分析透鏡擴(kuò)展成更大的準(zhǔn)直光束，入射到光柵上，不同波長的光束被衍射到不同角度，經(jīng)分析透鏡聚焦到MEMS微鏡陣列的不同單元上，控制每個(gè)單元的偏轉(zhuǎn)角度，讓不同波長的光束再次經(jīng)過分析透鏡、衍射光柵、分析透鏡、壓縮透鏡、微透鏡陣列和偏振轉(zhuǎn)換單元，恢復(fù)原偏振態(tài)并耦合進(jìn)各自的目的光纖中，MEMS微鏡陣列的各個(gè)單元可以獨(dú)立控制入射波長，因此該器件可以將任意波長組合切換到任一輸出光纖中。
圖4.4 基于MEMS技術(shù)的WSS結(jié)構(gòu)
圖4.5 光纖－微透鏡陣列結(jié)構(gòu)
Marom以上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)1×4 WSS，其傳輸譜線如圖4.6所示，通道數(shù)為128，通道間隔為50GHz，IL小于5dB，PDL小于1dB，0.5dB和3dB帶寬分別為29GHz和38GHz，串?dāng)_低于-40dB。Marom還以這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)4×1合波器，通道數(shù)為64，通道間隔為100GHz，IL小于4dB，PDL小于0.3dB，0.5dB帶寬為74GHz，串?dāng)_低于-40dB，通道均衡的動(dòng)態(tài)范圍為10dB。
圖4.6 基于MEMS技術(shù)的WSS傳輸譜線
3）基于PLC+MEMS技術(shù)的WSS
2004年，加拿大Metconnex公司的Ducellier等人報(bào)道了一種基于PLC和MEMS技術(shù)的WSS，其結(jié)構(gòu)如圖4.7所示，由兩個(gè)PLC芯片、兩個(gè)小柱面鏡、一個(gè)大柱面鏡和一個(gè)MEMS微鏡陣列組成。每個(gè)PLC芯片上有5個(gè)陣列波導(dǎo)器件，該器件相當(dāng)于半個(gè)AWG，光波經(jīng)反射兩次通過該器件則相當(dāng)于經(jīng)過一個(gè)AWG器件。輸入的WDM光束，經(jīng)過陣列波導(dǎo)器件，不同波長的光束產(chǎn)生不同的衍射角度，經(jīng)柱面鏡1和3入射到MEMS反射鏡陣列的不同單元上，控制每個(gè)波長的反射角度，再次經(jīng)過柱面鏡3和1（或者2），耦合到對(duì)應(yīng)各自目標(biāo)端口的陣列波導(dǎo)中，zui后從目標(biāo)端口輸出。柱面鏡1和2的作用是在垂直方向聚焦光束，柱面鏡3的作用是在水平方向聚焦光束，MEMS微鏡應(yīng)具有兩維偏轉(zhuǎn)功能。
圖4.7 基于PLC+MEMS技術(shù)的WSS結(jié)構(gòu)
Ducellier以上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)1×9端口的WSS，其傳輸譜線如圖4.8所示，通道數(shù)為39，通道間隔為100GHz，IL小于7.6dB，PDL小于0.3dB，0.5dB帶寬大于50GHz，串?dāng)_低于-35dB。
圖4.8 基于PLC+MEMS技術(shù)的WSS傳輸譜線
4）基于PLC技術(shù)的WSS
2002年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Doerr等人報(bào)道了一種基于PLC技術(shù)的WSS，其結(jié)構(gòu)如圖4.9所示（報(bào)道的是1×9端口的WSS，圖中為了簡略但說明原理，只畫了1×5端口的WSS），由一個(gè)解復(fù)用器、一個(gè)1×2熱光開關(guān)陣列、一個(gè)阻塞器/VOA陣列和9個(gè)復(fù)用器組成。輸入的WDM信號(hào)首先被解復(fù)用，然后由四級(jí)1×2光開關(guān)決定每個(gè)波長被導(dǎo)入哪個(gè)輸出端口，在被重新復(fù)用之前，由VOA進(jìn)行功率均衡，或者由阻塞器*阻斷以降低串?dāng)_。
圖4.9 基于PLC技術(shù)的WSS結(jié)構(gòu)
該器件傳輸譜線如圖4.10所示，其通道數(shù)為8，通道間隔為200GHz，IL小于7.5dB，PDL小于0.2dB，串?dāng)_低于-43dB。從圖中可以看到，該器件未進(jìn)行通帶優(yōu)化設(shè)計(jì)，屬于高斯型通帶。
圖4.10 基于PLC技術(shù)的WSS傳輸譜線
2．OXC的研究現(xiàn)狀
1）傳統(tǒng)的OXC結(jié)構(gòu)
圖4.11是一種傳統(tǒng)的N維OXC結(jié)構(gòu)，它由N個(gè)解復(fù)用器、M個(gè)N×（N+K）光開關(guān)和N個(gè)復(fù)用器組成。來自N根輸入光纖的M個(gè)波長的WDM信號(hào)，先被解復(fù)用為單波長，然后相同的波長被導(dǎo)入同一光開關(guān)的輸入端口，根據(jù)業(yè)務(wù)需要交換到相應(yīng)的輸出端口，zui后被復(fù)用到各自的目的光纖中，每個(gè)光開關(guān)中預(yù)留了K個(gè)輸入/輸出端口，可以從每個(gè)線路上同時(shí)上/下載K個(gè)波長。這種OXC結(jié)構(gòu)可以用基于PLC技術(shù)的AWG和熱光開關(guān)陣列來實(shí)現(xiàn)，也可以用PLC與MEMS技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，其中復(fù)用/解復(fù)用部分用AWG實(shí)現(xiàn)，大型光開關(guān)陣列用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
圖4.12 由WSS組成的OXC結(jié)構(gòu)
2）由WSS組成的OXC結(jié)構(gòu)
圖4.12是一種由N（或者2N）個(gè)WSS組成的N×N OXC結(jié)構(gòu)，它由N個(gè)圖4.13所示的ROADM互聯(lián)而成，即每個(gè)ROADM中用于OXC互聯(lián)的WSS端口相互連接起來，其中的WSS可以采用前面提到的各種技術(shù)和方案來實(shí)現(xiàn)。
圖4.13 基于WSS的ROADM結(jié)構(gòu)
DWDM入門簡介
1.簡介
隨著快速網(wǎng)際接取（Internet Access）、視訊（Video）等電信服務(wù)之寬頻化，使主干（Backbone）網(wǎng)路之傳輸容量亦須隨之提升。目前，商用SDH STM-16 （2.5 Gb/s）系統(tǒng)，在未來將有容量匱乏之虞，因此不少廠家企圖將SDH傳輸系統(tǒng)容量提升至10 Gb/s （STM-64），若要將SDH傳輸系統(tǒng)容量再提升至40 Gb/s（STM-256），仍有待半導(dǎo)體技術(shù)之突破。近幾年來由于半導(dǎo)體雷射、光放大器、光濾波器等光元件技術(shù)日趨成熟，使得DWDM技術(shù)蓬勃發(fā)展，DWDM除了避開高速TDM傳輸帶來的問題外也改善現(xiàn)有光纖缺乏現(xiàn)象，并提供大容量、多樣化之寬頻服務(wù)，可使網(wǎng)路經(jīng)營者在有效成本下，將傳輸頻寬提升至16、32、64甚至128倍。這些技術(shù)之發(fā)展，將主導(dǎo)主干網(wǎng)路架構(gòu)之未來趨勢(shì)。
高密度分波多工 （ Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM ） 之示意架構(gòu)如圖1所示，傳送端可結(jié)合n個(gè)波長之光信號(hào)在同一條光纖上傳送，網(wǎng)路之傳輸容量可大為增加。
圖1 高密度多工示意架構(gòu)圖
2. DWDM的好處
2.1 電網(wǎng)路演進(jìn)至光網(wǎng)路
DWDM技術(shù)奠定了由電網(wǎng)路演進(jìn)至光網(wǎng)路之基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的電網(wǎng)路（Electronic Networking） 無法直接在光層（Optical Layer）進(jìn)行多工（multiplexing）、切換（switching）、或路由改接（routing）等動(dòng)作，在網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)需使用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再將電信號(hào)轉(zhuǎn)回光信號(hào)，如此一來總體傳輸速率會(huì)因使用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備而受到限制，無法將光纖與生俱來無限頻寬的潛力好好發(fā)揮。
以DWDM為機(jī)制之光網(wǎng)路可直接在光層作信號(hào)之運(yùn)作來解決上述問題，因此克服了傳統(tǒng)傳輸瓶頸而帶來了”Virtual fibre”的觀念，將既有光纖作zui有效率的利用。
2.2 網(wǎng)路多樣化的服務(wù)
DWDM和傳送速率（Bite Rate）及規(guī)約（Protocols）無關(guān)，也就是說可提供和服務(wù)形式*無關(guān)的傳送網(wǎng)路，例如:一個(gè)對(duì)傳送速率及規(guī)約*透通（Transparent）的DWDM網(wǎng)路可和ATM、IP、SDH等信號(hào)介接，提供網(wǎng)路多樣化的服務(wù)。
2.3 降低成本、提升服務(wù)品質(zhì)
由于在光層進(jìn)行信號(hào)的指配或調(diào)度，相較于傳統(tǒng)上在電層的頻寬調(diào)度來的更簡單而有效率，可減少費(fèi)用支出。另外在網(wǎng)路上光纖被切斷（cable cut）或光信號(hào)故障時(shí)，可在光層進(jìn)行信號(hào)保護(hù)切換或網(wǎng)路路由回復(fù) （Restoration）的動(dòng)作，相對(duì)于傳統(tǒng)上在電層作回復(fù)的動(dòng)作其切換時(shí)間較短，使網(wǎng)路之可用度（availability）提高而改善服務(wù)品質(zhì)。
2.4 提升傳輸距離及增加網(wǎng)路容量
高速之STM-64 TDM （Time Division Multiplexing） 傳輸上的zui大問題在于光纖的分散（Dispersion） 現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)于傳送之光信號(hào)會(huì)產(chǎn)生劣化效應(yīng)，因此，若不使用電子式再生器或其他補(bǔ)償技巧 ，理論上STM-64信號(hào)可在G.652光纖內(nèi)傳送約60公里。若以8個(gè)波長的DWDM技術(shù)傳送，每個(gè)波長為2.5Gb/s之信號(hào)，其傳輸容量可為20 Gb/s，其傳輸距離可達(dá)600公里以上而不需電子式再生器，而需要光放大器。
STM-64的多工對(duì)于支流信號(hào)（Tributary）的頻率與格式，通常都有一定的限制，而DWDM的多工幾乎*不設(shè)限，PDH、ATM、SDH、及IP等任何信號(hào)格式皆可輸入，增加網(wǎng)路傳輸之彈性。若未來光塞取多工機(jī) （Optical Add-Drop Multiplexer ,OADM）及光交接機(jī)（Optical Cross-Connect, OXC）的問世，可直接以光波長為交接單位，免除O/E/O的轉(zhuǎn)換步驟，可提升網(wǎng)路調(diào)度的效率。在解決與日俱增的用戶頻寬需求及提升網(wǎng)路容量之方案中，DWDM在技術(shù)上提供了不同之選擇。
3. DWDM相關(guān)設(shè)備
目前DWDM 的相關(guān)設(shè)備有下列幾種：
（1） 光放大器，（2） DWDM 終端機(jī)，（3） 光塞取多工機(jī)，（4） 光交接機(jī)。
茲將DWDM 相關(guān)設(shè)備之主要功能敘述如下：
3.1光放大器
具有光信號(hào)格式與位元速率之透通性，運(yùn)作于1550 nm區(qū)域有相當(dāng)高之增益、高光輸出功率及低雜訊指數(shù)，光放大器依據(jù)不同應(yīng)用有下列三種：
光功率放大器 （Booster Amplifier, BA）
光前置放大器 （Pre-Amplifier, PA）
光線路放大器 （Line Amplifier, LA）
目前應(yīng)用于多波長DWDM系統(tǒng)之光放大器大部分是摻鉺光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA）其主要組成包含一段摻鉺光纖、幫浦雷射（Pump Laser）及DWDM組件（用來混合傳輸光信號(hào)及幫浦光輸出）。EDFA直接放大1550 nm區(qū)域無需使用電子式再生器，可在相當(dāng)大之波長范圍內(nèi)提供平坦增益，亦即單一EDFA能同時(shí)提供多個(gè)波長通路之增益,已取代大部分之再生器應(yīng)用，成為長途光纖網(wǎng)路之構(gòu)成部分。
3.2 DWDM 終端機(jī)
DWDM 終端機(jī)配合光放大器可應(yīng)用于光傳輸網(wǎng)路 ,在傳送端可接受多個(gè)波長之光信號(hào)輸入，并轉(zhuǎn)換成符合ITU-T G.692固定波長之光信號(hào)，經(jīng)多工混合、光放大后傳至光傳送網(wǎng)路，在接收端可接收來自光傳送網(wǎng)路之信號(hào)，經(jīng)光前置放大、解多工、及光濾波器后輸出。
DWDM 終端機(jī)有下列兩種型式：
（1） 開放式系統(tǒng)（Open System）：通常稱為轉(zhuǎn)頻式（transponder-based） DWDM，在SDH及DWDM設(shè)備間有轉(zhuǎn)頻器，可介接不同廠家的SDH設(shè)備。
（2） 整合式系統(tǒng)（Integrated System）：通常稱為被動(dòng)式（passived） DWDM，SDH設(shè)備已具有ITU-T G.692之介面功能。
開放式系統(tǒng)和整合式系統(tǒng)之優(yōu)缺點(diǎn)之比較如表1 所示
3.3光塞取多工機(jī) （Optical Add-Drop Multiplexer, OADM）
ＸＸ光塞取多工機(jī) （Optical Add-Drop Multiplexer ,OADM），可以在一個(gè)光傳輸網(wǎng)路之中間站塞入或取出個(gè)別的波長通道。一般而言，它是置于兩個(gè)DWDM終端機(jī)之間來代替某一光放大器，目前大部份廠家已研制出固定型光塞取多工機(jī)，它對(duì)于要塞入或取出的波道必須事先設(shè)定，至于另一種稱為可任意設(shè)定之光塞取多工機(jī)，則可藉由外部指令對(duì)于要塞入或取出的波道作任意的指配。
3.4 光交接機(jī)（Optical Cross-Connect, OXC）
在電信網(wǎng)路中使用于DWDM波長愈來愈多時(shí)，對(duì)于這些波道須作彈性之調(diào)度或路由之改接，此時(shí)必須藉由光交接機(jī) ，來完成此項(xiàng)功能，通常它可置于網(wǎng)路上重要的匯接點(diǎn)，在其輸入端可接收不同波長信號(hào)，經(jīng)由光交接機(jī)將它們指配到任一輸出端，光交接機(jī)在連接至DWDM光纖時(shí)有以下三種切換方式：
（1） 光纖切換 （Fiber switching）：可連接任一輸入光纖到任一輸出光纖，但不會(huì)改變光纖內(nèi)之波長。
（2） 波長切換 （Wavelength switching）：同一輸入光纖內(nèi)之多個(gè)波長，可分別交接至不同輸出光纖，較有彈性。
（3） 波長轉(zhuǎn)換 （Wavelength conversion）：不同輸入光纖內(nèi)之相同波長，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可以不同波長匯入同一輸出光纖。
光交接機(jī)可提供下列幾種應(yīng)用:
（1） 路由回復(fù)
在光纖被切斷（Cable Cut）或話務(wù)雍塞時(shí)，對(duì)于網(wǎng)路上正在運(yùn)作的波道可提供自動(dòng)保護(hù)切換功能，尤其對(duì)于與日俱增的數(shù)據(jù)話務(wù)（如IP/WDM）將益形重要，因?yàn)?/span>IP/WDM它沒有在SDH這層作保護(hù)。
（2） 波長管理
在網(wǎng)路中對(duì)于DWDM系統(tǒng)中之多種波長可作任意交接或指配，例如:可將部份波長租給特定客戶或其它的網(wǎng)路業(yè)者。
（3） 話務(wù)之調(diào)度和集中
可將類別相同之話務(wù)集中一起送至某目的地，或?qū)⒍嗦分挥胁糠菅b滿之話務(wù)務(wù)集中一起傳送，以提高光纖之利用率，讓網(wǎng)路調(diào)度更有彈性及效率。
3. 標(biāo)準(zhǔn)制定團(tuán)體
3.1光網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)制定團(tuán)體
（1） 電信聯(lián)合會(huì)（ITU）
ITU有兩個(gè)工作小組和光網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)訂定有關(guān)，一是Study Group 13，另一個(gè)是Study Group 15。Study Group 13主要工作是光網(wǎng)路一般架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)之研擬，Study Group 15是著重在光網(wǎng)路傳輸系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備規(guī)格之研擬。
（2） 歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）
ETSI主要在SDH及DWDM標(biāo)準(zhǔn)研擬，并和ITU-T保持密切聯(lián)絡(luò)。
（3） 美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）
在ANSI中的T1工作小組負(fù)責(zé)北美地區(qū)DWDM規(guī)格之?dāng)M定， ANSI有三個(gè)小組和光網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，其中T1X1小組著重網(wǎng)路架構(gòu)、功能需求及各營運(yùn)者間介面規(guī)格草擬，T
3.2光網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)制定之預(yù)定進(jìn)度
（1） 初期是擬定Point-to-Point DWDM 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，已在1998年底前完成
（2） 中期是擬定光塞取多工機(jī)及光交接系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)在2000年中旬完成。
（3） 后期包括對(duì)光網(wǎng)路存活率（Survivability）及保護(hù)架構(gòu)作更明確、更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，此項(xiàng)工作預(yù)計(jì)在2000年以后完成
3.3 光網(wǎng)路之各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)草案
ITU-T 的Study Group 15及Study Group 13 目前正進(jìn)行各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)草案之研擬，包括下列各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)草案：
（1） 已完成之光網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)草案有：
＊G.681：包含光多工器.、光放大器之局間和長途光系統(tǒng)之功能特性。
＊G.691：包含光放大器和STM-64介面的單通道SDH系統(tǒng)之光介面。
＊G.692：包含光放大器之多通道系統(tǒng)之光介面。
（2） 正在草擬中之光網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)草案有：
＊G.875：定義管理資訊模型
＊G.874：定義光網(wǎng)路管理觀
＊G.798 ：定義光設(shè)備組件及子系統(tǒng)
＊G.872 ： 定義光網(wǎng)路架構(gòu)
＊G.709 ：定義光網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)介面
＊G.959.1：定義網(wǎng)路元件之實(shí)體層介面
7.常見問題：
問題一：WDM與DWDM有不同？
回答一：基本上尚無一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，但是一般認(rèn)為，波道間距 （channel spacing）大于1nm且波道總數(shù)低于8以下，稱之 為WDM系統(tǒng)，反之，若波道間距小于1nm且波道總數(shù)大 于8以上者，即稱之為DWDM系統(tǒng)，現(xiàn)有的商用系統(tǒng)大 部份屬于后者。
問題二：DWDMzui多能傳送幾個(gè)波道？
回答二：DWDM到底能傳送幾個(gè)波道（channel），必須考慮光纖的損 失特性及半導(dǎo)體雷射、光濾波器、光放大器等技術(shù)的配合，以現(xiàn)有的商用技術(shù)，C band（1530 ~1565nm）加L band（1565 ~1615nm），采用ITU-T建議0.8nm波道間距，約可傳送100 個(gè)波道；若采用0.4nm波道間距，則可傳送200個(gè)波道。
問題三：DWDM的每個(gè)波道可載送那些信號(hào)？
回答三：理論上毫無限制 （必須配合波道間距），但是為了有效運(yùn)用 波道，現(xiàn)有產(chǎn)品以傳送STM-16及STM-64信號(hào)為主，低于2.5Gb/s時(shí)，則先在transponder集縮或多工，視各廠家產(chǎn)架構(gòu)而定，特殊應(yīng)用與設(shè)計(jì)則不在此限。
問題四：DWDN系統(tǒng)中用何種鏡片？
回答四：DWDM系統(tǒng)中所用鏡片大致有薄膜鏡片、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）光纖光柵陣列、干涉光纖等，使用則視波導(dǎo)數(shù)而定，*種為使用光學(xué)鍍膜方式制作，第二種使用平面波導(dǎo)制作技術(shù)達(dá)成。
來源：光電產(chǎn)業(yè)資訊