可重構型光分插復用器淺析

熊 煒

（同濟大學，上海 200092）

0 引言

在傳統的光網絡里，當一個信號需要改變在網絡中的傳播路徑時，該需要首先被轉換為電信號，然后其才能通過電交換機進行交換。之后，被重定向的電信號再通過電光轉換接口轉換成為光，通過光纖進行傳輸[1]。

這種交換方式帶來的問題之一是，即使光纖中只有少量的信息需要提取，所有的被傳輸的光信號都需要被轉換為電信號，使得交換成本十分高昂。

ROADM 技術的發展使得光交換成為可能。如圖1所示，ROADM在每個方向使用一對光纖傳播信息，并可以根據需要添加、傳遞或丟棄光網絡中傳播的信息，或簡單地對采用波分復用（WDM）的光纖網絡內的不同波長的光進行重定向。通過上述3個過程的組合，ROADM可以對光信號進行處理，完成復雜的光交換過程。

圖1 基于ROADM的光交換框

1 ROADM架構

波長選擇交換器（WSS）是現階段ROADM中最重要的組成部分，它可以無限制的獨立完成任何端口任何波長的光交換工作，而不會干擾到其他波長的光信息的傳播。同時它通過可變光衰減器（VOA）來控制各路光的功率。

波長選擇交換器在ROADM系統中有2種可能的配置方式。其一用于添加光信號至光網絡，如圖2（a）所示；其二用于從光光網絡中刪除信號，如圖2（b）所示。這2種配置方式有著許多相似之處：

1）在光纖端口存在額外的接口用于添加和刪除各種波長的光信號。這使得該ROADM允許創造額外的“度”，從而擴充系統，滿足高維度的通信需求。

2）在每個節點使用并且只使用一個波長選擇交換器，從而增加ROADM系統的帶寬和節點數量。

圖2 基于WSS的ROADM配置原理

雖然這2種結構有著一定的相似之處，但兩者也有各自的特色。在圖2（a）所示的結構之中，網絡中所有的添加信號會由變光衰減器控制信號功率，因此可以增強系統的光信噪比。而圖2（b）所示的結構因為可以單獨控制丟棄的信號，因此被視為是更安全的結構。同時，對于某些只在特定網絡節點需要的信號來說，這種結構會更加實用。

2 現有的ROADM技術

目前WSS已經進入實際實用階段。其主要部分是一被稱為“交換引擎”的批量光柵平臺。其主要任務是直接將一個特定波長的光從一個特定的端口傳輸到另一個端口。它可以通過改變相位、偏振、位置或波長的角度來分散光束。目前主要的實現技術有 4 種：①液晶技術（LC）；②微機電系統（MEMS）；③數字照明處理器（DLP）；④硅上液晶技術（LCoS）。

2.1 LC

基于液晶的交換引擎有連續的液晶單元和具有雙折射楔形結構的極化光束分離器組成。液晶單元的作用是旋轉入射光的極化角，使得2個輸出的光線能夠正交偏振，從而保證任意的輸入光都可以通過極化光束分離器進行分路。通過改變液晶單元上的電壓值就能夠控制通過液晶單元的光的偏振狀態。當電極上沒有電壓時，經過液晶片的光線的極化角為90°，當有電壓加在液晶片的電極上時，入射光束將維持它的極化狀態不變。極化光束分離器則起到路由器的作用，將信號引導到目的端口。兩者合作共同實現波長選擇交換的功能。

2.2 MEMS

基于微機電系統的交換引擎是由光刻在硅襯底上的微小鏡子陣列所構成。每一個波長通道都對應著一面鏡子，每面鏡子有著1個或2個轉動軸，從而使得外加電壓能夠轉換成為靜電引力。其中一個轉動軸的作用是使得光線傳播方向發生改變，從而完成分路[2]。另一個轉動軸則是為了保證沒有光損耗，從而提高系統性能。

MEMS系統的優點是，由于轉動角的范圍很寬，因此可以完成多端口的交換。同時，通過改變轉動軸的轉動，每面鏡子也可以當做衰減器來使用，從而改變輸出信號的耦合效率。而且MEMS系統具有很長的壽命，壽命至少有10億開關周期。

2.3 DLP

DLP技術最早是用于投影顯示設備（如投影機和微型顯示器）。與MEMS技術相似的，DLP也是由一個半導體芯片上的微反射鏡陣列所構成。不同的是，DLP陣列只有兩種可能的角位置。這意味著，在DLP系統中入射光線要么被反射，從而改變射出角度，要么不經過任何改變，直接通過。因此可以認為，在這種情況下，入射光通過一個二維的微鏡陣列而被重新定向。而由于微鏡的尺寸非常?。s10微米），因此可能多個微鏡對應于一個波長。

2.4 LCoS

以 LCoS為基礎的交換引擎由一個硅襯底上制備的相位控制的二維液晶陣列。在這里，光交換是通過操縱光束的相位來完成。即通過創建一個到所需的偏轉方向的線性（光）相位延遲，從而控制光束的傳播方向。這使得 LCoS能夠被用來作為相位調制器。在每個波長通道的相位模式，決定了光束的偏轉角。

這4種技術的特點被總結在表1中[3]。表中“+”表示，上述的特點是該技術的優勢，“-”意味著該技術實現此功能存在技術困難。由于不同的工作環境要求不同的性能指標，因此不能籠統的說那種技術最好，而是要根據實際需求選擇最合適的技術。

表1 各WSS技術特點

3 發展方向

目前，大部分的光網絡都是環狀結構。但在將來，光網絡勢必也會發展成為網狀結構[4]。這就要求ROADM必須要有更高的交換速度，并且能夠完成“任何波長”（colorless）、“任何方向”（directionless），“任何競爭”（contentionless）下的光交換（C/D/C）。

任何波長指的是，ROADM 在將來應該能夠在任意節點的任意端口添加或刪除任意波長的信息，而不是像現在這樣需要事先完全配置好每個ROADM 的工作流程，從而提高其靈活性，適應網絡的變化。

在未來，如果網絡某部分失效，可能還需要改變傳輸方向。即每個節點都應該擁有非阻塞訪問密集波分復用系統（DWDM）的所有網絡端口的能力。從而確保確定波長的信號可以在任意2個端口中傳輸，滿足“任何方向”。

此外很多C/D架構都會造成某種程度的波長阻塞。由于需要一個方法從非阻塞架構中區分出阻塞，“任何競爭”（contentionless）的概念被出來了。原則上，分配和交換波長會增加網絡的復雜性，但該架構可以減少這個問題所帶來的影響。

最后，ROADM 還需要能夠滿足全光網絡對安全性的需求[5-6]。

4 結語

使用ROADM完成光交換的思想已經對光通信的發展做出了巨大的貢獻。盡管目前各種 ROADM技術都存在著各自的優缺點，但他們仍然使得靜態網絡逐漸向著動態網絡過渡。伴隨著ROADM技術越來越靈活以及C/D/C架構的引進及完善，網絡的性能會進一步的提高。毫無疑問，ROADM 技術在光網絡和光通信中會起到至關重要的作用。

[1] 劉飛，張曉峰,張秀珍.多路數據光纖傳輸系統[J].通信技術,2008,41(10)：21-22.

[2] MUHA M,CHIANG B,SCHLEICHER R.MEMS Based Channelized ROADM Platform[J].USA:IEEE,2008: 1-3.

[3] COLBOURNE P,COLLINGS B.ROADM Switching Technologies[J]. USA:IEEE, 2011：1-3.

[4] 梁成升.認識光纜光纖[J].通信技術,2009,42(05):68-70.

[5] 劉欣宇，劉長江，陳頌. 自動交換光網絡及其引入策略研究[J]. 信息安全與通信保密，2007(07):55-59.

[6] 戴玲琳，張弛，王文勝. 全光網絡的安全技術研究[J].信息安全與通信保密，2010（12）：71-75.