一種新型ROADM設備的光轉發(fā)器設計與實(shí)現

1 引言

隨著(zhù)以IP業(yè)務(wù)為主的數據業(yè)務(wù)迅速增長(cháng)，對網(wǎng)絡(luò )帶寬的需求變得越來(lái)越高，同時(shí)對網(wǎng)絡(luò )帶寬的動(dòng)態(tài)分配要求也越來(lái)越迫切，要求網(wǎng)絡(luò )向著(zhù)高容量、智能化、動(dòng)態(tài)可配置方向發(fā)展。DWDM系統中ROADM可方便的配置、可動(dòng)態(tài)改變波長(cháng)資源分配，可以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)可配置的業(yè)務(wù)需要，必將在DWDM系統中廣泛應用。而光轉發(fā)單元（OTU）是其中關(guān)鍵的部分，將非標準波長(cháng)光信號變換成DWDM 標準波長(cháng)光信號，并對波長(cháng)通道進(jìn)行性能監視和保護倒換，因此研究其性能和實(shí)現問(wèn)題具有重要的實(shí)用價(jià)值。

2 ROADM|0">ROADM簡(jiǎn)要介紹

光分插復用設備（OADM）是DWDM環(huán)網(wǎng)組成的基本單元，OADM在光域內實(shí)現了SDH中的ADM（分插復用器）在時(shí)域內完成的功能，采用OADM組網(wǎng)可以靈活實(shí)現波長(cháng)上下路，使網(wǎng)絡(luò )具備動(dòng)態(tài)重構和自愈功能，是未來(lái)全光網(wǎng)的重要設備之一。從功能角度來(lái)說(shuō)，無(wú)論作為骨干節點(diǎn)本地交換局節點(diǎn)還是用戶(hù)業(yè)務(wù)接入節點(diǎn)，OADM必須提供以下主要功能：

 （1）可以有選擇地按需上下路波長(cháng)，每一次上下路波長(cháng)都不影響直通波長(cháng)，這一點(diǎn)保證了在不需要再生地情況下盡可能多得使用級聯(lián)OADM。
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 （2）具有波長(cháng)轉換功能以實(shí)現開(kāi)放式結構，使網(wǎng)絡(luò )具有波長(cháng)兼容和業(yè)務(wù)透明性，在上下路波長(cháng)時(shí)可在承載本地業(yè)務(wù)的非標準波長(cháng)與DWDM標準波長(cháng)之間靈活轉換。
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 （3）具有功率均衡能力，必須有能力有效控制直通波長(cháng)和本地上下路波長(cháng)的功率以補償鏈路損耗。
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 （4）具有對波長(cháng)進(jìn)行管理和開(kāi)銷(xiāo)處理能力，可在遠端或本地進(jìn)行管理控制。
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 （5）滿(mǎn)足光通信對傳輸光信號的常規要求，例如對最大信噪比OSNR，功率一致性和光損耗的要求等。

目前，從波長(cháng)信道的上下路方式來(lái)看ROADM主要分為兩大類(lèi)：（1）開(kāi)關(guān)型ROADM。上下路操作由光開(kāi)關(guān)完成，輸入光開(kāi)關(guān)的是單波長(cháng)（波段）信號，利用波長(cháng)解復用器或波長(cháng)光柵路由器(WGR)來(lái)實(shí)現解復用功能。該方案結構簡(jiǎn)單，控制容易，但損耗較大、成本較高，且光開(kāi)關(guān)的時(shí)延會(huì )造成數據的丟失。(2)調諧型ROADM，即目前比較成熟的“耦合單元＋濾波單元＋合波器”方案。輸入濾波器的是多波長(cháng)信號，其工作原理為：輸入的多波長(cháng)復用光信號被光耦合器分成若干部分，一部分送給動(dòng)態(tài)信道均衡器（DCE），由其控制特定波長(cháng)信道通過(guò)或阻塞并阻斷的波長(cháng)信道。通過(guò)可調諧濾波器下路到本地，而上路的波長(cháng)信道則經(jīng)過(guò)可調諧激光器發(fā)射后通過(guò)光耦合器復用進(jìn)傳輸線(xiàn)路，DCE同時(shí)完成增益均衡功能。這種結構提供了最大的網(wǎng)絡(luò )配置靈活性。本文所介紹的OTU應用于此類(lèi)系統中，在ROADM中的位置如圖1所示：
整個(gè)ROADM系統主要由以下幾大部分組成：線(xiàn)路處理部分，性能監控部分，分插復用部分，光轉發(fā)單元和網(wǎng)元監控部分。其中，線(xiàn)路處理部分主要完成主光通道信號的功率放大、增益均衡和線(xiàn)路保護等處理功能；性能監控部分負責監測光纖線(xiàn)路上的多波長(cháng)光信號，提取相關(guān)性能參數并上報給設備監控單元；分插復用部分負責對多波長(cháng)光信號中若干單波長(cháng)信號實(shí)施下路、直通、上路操作；轉發(fā)單元OTU將客戶(hù)層設備的非標準波長(cháng)光信號變換成DWDM 標準波長(cháng)光信號；網(wǎng)元監控部分負責對節點(diǎn)設備內各功能模塊單元及環(huán)境條件實(shí)施監控，并對外提供網(wǎng)絡(luò )管理接口。

3 OTU單元技術(shù)實(shí)現

OTU 單元是實(shí)現開(kāi)放式WDM系統的關(guān)鍵。它將任意標準的光信號轉換至滿(mǎn)足G.692要求的波長(cháng)光信號，在DWDM 系統上傳輸。目前在光網(wǎng)絡(luò )中OTU有光/ 電/ 光型和全光型，全光型OTU尚未完全達到商用水平，本文介紹的OTU屬于光/ 電/ 光型。OTU主要有三個(gè)功能：一是在光信號惡化的情況下執行再生功能；二是波長(cháng)的上下路；三是執行開(kāi)銷(xiāo)處理，因為OTU可以接觸電信號，所以它很容易進(jìn)行開(kāi)銷(xiāo)處理。本設計支持動(dòng)態(tài)信道，因此采用可調諧器件，“可調諧濾波器＋可調諧激光器”組合實(shí)現。整個(gè)OTU單元包括傳送、控制、通信、電源、顯示和接口等六個(gè)部分，其中主要是傳送和控制部分。

控制部分單片機利用485串口和網(wǎng)管系統進(jìn)行通信，完成OTU單板初始化，波長(cháng)通道性能數據采集，當前溫度信息，告警信息的提取(包括輸出光譜中心波長(cháng)偏移越限，輸出光信號丟失，激光器溫度越限，偏流越限，輸入輸出光功率越限等)，B1,J0字節提取,對可調諧激光器和可調諧濾波器的調諧控制等功能。

傳送部分完成光通道的波長(cháng)變換、性能監視、波長(cháng)調諧等功能。OTU單元進(jìn)行兩路信號的處理：一路信號是用戶(hù)側SDH信號被OTU 單元接收，經(jīng)過(guò)收發(fā)模塊接收后轉換成電信號，經(jīng)電層的CDR和B1/J0模塊處理，完成時(shí)鐘數據恢復和性能監測，然后經(jīng)過(guò)線(xiàn)路側的可調諧激光器轉變?yōu)樗璨ㄩL(cháng)光信號送出端口；另一路是線(xiàn)路側的信號經(jīng)可調諧濾波器后得到所要下路的波長(cháng)信號，然后經(jīng)收發(fā)模塊轉變成電信號，在電層經(jīng)過(guò)CDR和B1/J0模塊后再經(jīng)收發(fā)模塊轉換成光信號給用戶(hù)側。

3.1 可調諧激光器

網(wǎng)絡(luò )側上路任意波長(cháng)信號通過(guò)可調諧激光器完成。目前常見(jiàn)的可調諧激光器實(shí)現技術(shù)主要有以下幾種：電流控制、溫度控制和機械控制等類(lèi)型。其中電流控制技術(shù)是通過(guò)改變注入電流實(shí)現波長(cháng)的調諧，具有納秒級調諧速度，較寬的調諧帶寬，但輸出功率較些溫控技術(shù)激光器是通過(guò)改變激光器內的溫度從而改變有源區折射率，從而改變激光器輸出波長(cháng)的。這種控制技術(shù)的缺點(diǎn)是單個(gè)模塊的調諧的寬度不寬，一般只有幾個(gè)nm，而且調諧時(shí)間比較長(cháng)，一般需要幾秒的調諧穩定時(shí)間，因此這種激光器目前用在WDM系統中實(shí)用價(jià)值不大?；跍乜丶夹g(shù)的主要有DFB（分布反饋）和DBR（分布布喇格反射）激光器。機械控制主要是基于MEMS（微機電系統）技術(shù)完成波長(cháng)的選擇，具有較大的可調帶寬、較高的輸出功率?；跈C械控制技術(shù)的主要有DFB（分布反饋）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面發(fā)射激光器）等結構。

本設計采用的可調諧激光器采用SG-DBR（Sampled Grating Distributed Bragg Reflector采樣光柵分布式布喇格反射激光器）結構，集成了1個(gè)SG-DBR激光器、1個(gè)電吸收外調制器（EAM）和1個(gè)SOA（半導體光放大器）放大器，同時(shí)還附加波長(cháng)鎖定器，可選VOA（可調光衰減器）組件。通過(guò)改變前布喇格光柵區、相位調整區和后布喇格光柵區的電流來(lái)改變該區域的分子分布結構，從而改變布喇格光柵的周期特性。該集成光源可產(chǎn)生90個(gè)不同的波長(cháng)信道，信道間隔50GHZ，信道切換抑制輸出功率小于-30dbm，波長(cháng)切換時(shí)間小于10ms，該器件經(jīng)2.5Gbit/s、200km的光纖傳輸后的功率代價(jià)小于2dB并通過(guò)選用集成波長(cháng)鎖定器解決了波長(cháng)漂移問(wèn)題。單片機通過(guò)232串行接口和激光器通信，對其進(jìn)行控制。

從目前發(fā)展趨勢來(lái)看，可調諧激光器有巨大的應用前景，是目前光網(wǎng)絡(luò )應用的一大熱點(diǎn)，許多新老器件商紛紛投身于可調諧激光器的研究和開(kāi)發(fā)中，大多數可調諧激光器具有覆蓋波長(cháng)范圍寬、較高的邊模抑制比、帶有波長(cháng)鎖定功能和適于實(shí)用化的封裝技術(shù)，同時(shí)可調諧激光器內部均帶有控制電路，便于控制使用。因此從技術(shù)角度看可調諧激光器的發(fā)展日益成熟，隨著(zhù)價(jià)格的降低將替代固定波長(cháng)傳統激光器。

3.2 可調諧濾波器

傳統的OADM系統必須用波分復用器將所有波長(cháng)分別獨立，再通過(guò)電路控制選擇要下載的波長(cháng)。這里利用可調諧濾波器只需將要處理的波長(cháng)篩選出來(lái)，無(wú)須對每一個(gè)波長(cháng)分別設置光電轉換及監測設備。

目前應用比較多的可調諧濾波器主要有聲光可調諧濾波器（ATOF），光纖布喇格光柵（FBG），F-P腔干涉儀，微機械式（MEMS），陣列波導式（AWG）等。它們主要的波長(cháng)調諧手段有改變光柵通道長(cháng)度，機械應力，聲光效應，電光效應，熱光效應，電壓控制等。本設計采用的得可調諧濾波器是基于介質(zhì)薄膜干涉技術(shù)的，采用直流電壓控制，可以線(xiàn)性調節，通過(guò)給一個(gè)外部驅動(dòng)器加一個(gè)直流電壓，就高速重復連續地執行濾波器調節，對整個(gè)C波段光波長(cháng)信道進(jìn)行濾波選擇接收。直流電壓通過(guò)單片機輸入一個(gè)通道號給數模轉換芯片轉換得到。這里波長(cháng)轉換速率小于60ms，調節誤差+/-0.01nm，調諧范圍30nm, 0.8nm間隔串擾超過(guò)20dB。圖3 是當單片機輸出某通道號時(shí)在光譜分析儀上得到的某路波長(cháng)的光譜圖。

本設計采用的連續可編程時(shí)鐘數據恢復電路CDR支持12.3MHz-2.7GHz的速率信號，利用I2C總線(xiàn)與單片機通信，支持STM-1/4/16,FEC,GbE,HDTV的格式信號。該CDR芯片可以實(shí)現對數據速率的自動(dòng)鎖定，無(wú)需參考時(shí)鐘及額外控制，時(shí)鐘提取速度很快，約在10ms左右。另外CDR模塊還可以在輸入信號丟失或輸入信號幀失步時(shí)告警。

另外，本OTU上裝有溫度傳感器，實(shí)時(shí)獲得當前溫度，通過(guò)I2C總線(xiàn)和單片機進(jìn)行通信，由上層網(wǎng)管對各單盤(pán)設置溫度門(mén)限，超溫時(shí)報警并開(kāi)啟風(fēng)扇，因為風(fēng)扇不必一直開(kāi)啟，故減少了功率和噪聲。
4 性能評估

與其他傳統OADM中的光轉發(fā)單元比起來(lái)，該OTU單元具有以下特點(diǎn)：①信道間隔100GHz,根據需要可以擴充至64波，即50GHz,可以實(shí)現32波中任意n個(gè)波長(cháng)的靈活上下；②具有獨特的上下路波長(cháng)的端口指配功能；③支持鏈型、環(huán)型、十字交叉等組網(wǎng)；④具有很好的開(kāi)放性，采用了先進(jìn)的速率自適應光接口技術(shù)，能夠支持很寬的自適應速率范圍，該系統中的OTU能夠支持的信號速率范圍為100Mbit/s～2.7Gbit/s, 為多種異步業(yè)務(wù)提供波長(cháng)轉換，覆蓋了從100Mbps、155Mbps、622Mbps、GE到2.5G bps等各種異步/同步速率、幀格式的業(yè)務(wù)，同一系統中的不同波長(cháng)都可以是獨立的速率和數據格式；⑤插入損耗低，信道隔離度高，轉換效率高；⑥結構簡(jiǎn)單，方便升級。