一種新型ROADM設(shè)備的光轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

隨著以IP業(yè)務(wù)為主的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求變得越來越高，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的動(dòng)態(tài)分配要求也越來越迫切，要求網(wǎng)絡(luò)向著高容量、智能化、動(dòng)態(tài)可配置方向發(fā)展。DWDM系統(tǒng)中ROADM可方便的配置、可動(dòng)態(tài)改變波長(zhǎng)資源分配，可以滿足動(dòng)態(tài)可配置的業(yè)務(wù)需要，必將在DWDM系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。而光轉(zhuǎn)發(fā)單元（OTU）是其中關(guān)鍵的部分，將非標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)光信號(hào)變換成DWDM 標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)光信號(hào)，并對(duì)波長(zhǎng)通道進(jìn)行性能監(jiān)視和保護(hù)倒換，因此研究其性能和實(shí)現(xiàn)問題具有重要的實(shí)用價(jià)值。

2 ROADM|0">ROADM簡(jiǎn)要介紹

光分插復(fù)用設(shè)備（OADM）是DWDM環(huán)網(wǎng)組成的基本單元，OADM在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了SDH中的ADM（分插復(fù)用器）在時(shí)域內(nèi)完成的功能，采用OADM組網(wǎng)可以靈活實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)上下路，使網(wǎng)絡(luò)具備動(dòng)態(tài)重構(gòu)和自愈功能，是未來全光網(wǎng)的重要設(shè)備之一。從功能角度來說，無論作為骨干節(jié)點(diǎn)本地交換局節(jié)點(diǎn)還是用戶業(yè)務(wù)接入節(jié)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(zhǎng)，每一次上下路波長(zhǎng)都不影響直通波長(zhǎng)，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(jí)聯(lián)OADM。

 （2）具有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能以實(shí)現(xiàn)開放式結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)具有波長(zhǎng)兼容和業(yè)務(wù)透明性，在上下路波長(zhǎng)時(shí)可在承載本地業(yè)務(wù)的非標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)與DWDM標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)之間靈活轉(zhuǎn)換。

 （3）具有功率均衡能力，必須有能力有效控制直通波長(zhǎng)和本地上下路波長(zhǎng)的功率以補(bǔ)償鏈路損耗。

 （4）具有對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行管理和開銷處理能力，可在遠(yuǎn)端或本地進(jìn)行管理控制。

 （5）滿足光通信對(duì)傳輸光信號(hào)的常規(guī)要求，例如對(duì)最大信噪比OSNR，功率一致性和光損耗的要求等。

目前，從波長(zhǎng)信道的上下路方式來看ROADM主要分為兩大類：（1）開關(guān)型ROADM。上下路操作由光開關(guān)完成，輸入光開關(guān)的是單波長(zhǎng)（波段）信號(hào)，利用波長(zhǎng)解復(fù)用器或波長(zhǎng)光柵路由器(WGR)來實(shí)現(xiàn)解復(fù)用功能。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，但損耗較大、成本較高，且光開關(guān)的時(shí)延會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。(2)調(diào)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(zhǎng)信號(hào)，其工作原理為：輸入的多波長(zhǎng)復(fù)用光信號(hào)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(zhǎng)信道通過或阻塞并阻斷的波長(zhǎng)信道。通過可調(diào)諧濾波器下路到本地，而上路的波長(zhǎng)信道則經(jīng)過可調(diào)諧激光器發(fā)射后通過光耦合器復(fù)用進(jìn)傳輸線路，DCE同時(shí)完成增益均衡功能。這種結(jié)構(gòu)提供了最大的網(wǎng)絡(luò)配置靈活性。本文所介紹的OTU應(yīng)用于此類系統(tǒng)中，在ROADM中的位置如圖1所示：
整個(gè)ROADM系統(tǒng)主要由以下幾大部分組成：線路處理部分，性能監(jiān)控部分，分插復(fù)用部分，光轉(zhuǎn)發(fā)單元和網(wǎng)元監(jiān)控部分。其中，線路處理部分主要完成主光通道信號(hào)的功率放大、增益均衡和線路保護(hù)等處理功能；性能監(jiān)控部分負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)光纖線路上的多波長(zhǎng)光信號(hào)，提取相關(guān)性能參數(shù)并上報(bào)給設(shè)備監(jiān)控單元；分插復(fù)用部分負(fù)責(zé)對(duì)多波長(zhǎng)光信號(hào)中若干單波長(zhǎng)信號(hào)實(shí)施下路、直通、上路操作；轉(zhuǎn)發(fā)單元OTU將客戶層設(shè)備的非標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)光信號(hào)變換成DWDM 標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)光信號(hào)；網(wǎng)元監(jiān)控部分負(fù)責(zé)對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)各功能模塊單元及環(huán)境條件實(shí)施監(jiān)控，并對(duì)外提供網(wǎng)絡(luò)管理接口。

3 OTU單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)

OTU 單元是實(shí)現(xiàn)開放式WDM系統(tǒng)的關(guān)鍵。它將任意標(biāo)準(zhǔn)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換至滿足G.692要求的波長(zhǎng)光信號(hào)，在DWDM 系統(tǒng)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(dá)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(hào)惡化的情況下執(zhí)行再生功能；二是波長(zhǎng)的上下路；三是執(zhí)行開銷處理，因?yàn)镺TU可以接觸電信號(hào)，所以它很容易進(jìn)行開銷處理。本設(shè)計(jì)支持動(dòng)態(tài)信道，因此采用可調(diào)諧器件，“可調(diào)諧濾波器＋可調(diào)諧激光器”組合實(shí)現(xiàn)。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(jī)利用485串口和網(wǎng)管系統(tǒng)進(jìn)行通信，完成OTU單板初始化，波長(zhǎng)通道性能數(shù)據(jù)采集，當(dāng)前溫度信息，告警信息的提取(包括輸出光譜中心波長(zhǎng)偏移越限，輸出光信號(hào)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(jié)提取,對(duì)可調(diào)諧激光器和可調(diào)諧濾波器的調(diào)諧控制等功能。

傳送部分完成光通道的波長(zhǎng)變換、性能監(jiān)視、波長(zhǎng)調(diào)諧等功能。OTU單元進(jìn)行兩路信號(hào)的處理：一路信號(hào)是用戶側(cè)SDH信號(hào)被OTU 單元接收，經(jīng)過收發(fā)模塊接收后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)電層的CDR和B1/J0模塊處理，完成時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)和性能監(jiān)測(cè)，然后經(jīng)過線路側(cè)的可調(diào)諧激光器轉(zhuǎn)變?yōu)樗璨ㄩL(zhǎng)光信號(hào)送出端口；另一路是線路側(cè)的信號(hào)經(jīng)可調(diào)諧濾波器后得到所要下路的波長(zhǎng)信號(hào)，然后經(jīng)收發(fā)模塊轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，在電層經(jīng)過CDR和B1/J0模塊后再經(jīng)收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換成光信號(hào)給用戶側(cè)。

3.1 可調(diào)諧激光器

網(wǎng)絡(luò)側(cè)上路任意波長(zhǎng)信號(hào)通過可調(diào)諧激光器完成。目前常見的可調(diào)諧激光器實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要有以下幾種：電流控制、溫度控制和機(jī)械控制等類型。其中電流控制技術(shù)是通過改變注入電流實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的調(diào)諧，具有納秒級(jí)調(diào)諧速度，較寬的調(diào)諧帶寬，但輸出功率較些溫控技術(shù)激光器是通過改變激光器內(nèi)的溫度從而改變有源區(qū)折射率，從而改變激光器輸出波長(zhǎng)的。這種控制技術(shù)的缺點(diǎn)是單個(gè)模塊的調(diào)諧的寬度不寬，一般只有幾個(gè)nm，而且調(diào)諧時(shí)間比較長(zhǎng)，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時(shí)間，因此這種激光器目前用在WDM系統(tǒng)中實(shí)用價(jià)值不大。基于溫控技術(shù)的主要有DFB（分布反饋）和DBR（分布布喇格反射）激光器。機(jī)械控制主要是基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)完成波長(zhǎng)的選擇，具有較大的可調(diào)帶寬、較高的輸出功率?；跈C(jī)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(jié)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)采用的可調(diào)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(jié)構(gòu)，集成了1個(gè)SG-DBR激光器、1個(gè)電吸收外調(diào)制器（EAM）和1個(gè)SOA（半導(dǎo)體光放大器）放大器，同時(shí)還附加波長(zhǎng)鎖定器，可選VOA（可調(diào)光衰減器）組件。通過改變前布喇格光柵區(qū)、相位調(diào)整區(qū)和后布喇格光柵區(qū)的電流來改變?cè)搮^(qū)域的分子分布結(jié)構(gòu)，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(zhǎng)信道，信道間隔50GHZ，信道切換抑制輸出功率小于-30dbm，波長(zhǎng)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并通過選用集成波長(zhǎng)鎖定器解決了波長(zhǎng)漂移問題。單片機(jī)通過232串行接口和激光器通信，對(duì)其進(jìn)行控制。

從目前發(fā)展趨勢(shì)來看，可調(diào)諧激光器有巨大的應(yīng)用前景，是目前光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一大熱點(diǎn)，許多新老器件商紛紛投身于可調(diào)諧激光器的研究和開發(fā)中，大多數(shù)可調(diào)諧激光器具有覆蓋波長(zhǎng)范圍寬、較高的邊模抑制比、帶有波長(zhǎng)鎖定功能和適于實(shí)用化的封裝技術(shù)，同時(shí)可調(diào)諧激光器內(nèi)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(diào)諧激光器的發(fā)展日益成熟，隨著價(jià)格的降低將替代固定波長(zhǎng)傳統(tǒng)激光器。

3.2 可調(diào)諧濾波器

傳統(tǒng)的OADM系統(tǒng)必須用波分復(fù)用器將所有波長(zhǎng)分別獨(dú)立，再通過電路控制選擇要下載的波長(zhǎng)。這里利用可調(diào)諧濾波器只需將要處理的波長(zhǎng)篩選出來，無須對(duì)每一個(gè)波長(zhǎng)分別設(shè)置光電轉(zhuǎn)換及監(jiān)測(cè)設(shè)備。

目前應(yīng)用比較多的可調(diào)諧濾波器主要有聲光可調(diào)諧濾波器（ATOF），光纖布喇格光柵（FBG），F(xiàn)-P腔干涉儀，微機(jī)械式（MEMS），陣列波導(dǎo)式（AWG）等。它們主要的波長(zhǎng)調(diào)諧手段有改變光柵通道長(zhǎng)度，機(jī)械應(yīng)力，聲光效應(yīng)，電光效應(yīng)，熱光效應(yīng)，電壓控制等。本設(shè)計(jì)采用的得可調(diào)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，可以線性調(diào)節(jié)，通過給一個(gè)外部驅(qū)動(dòng)器加一個(gè)直流電壓，就高速重復(fù)連續(xù)地執(zhí)行濾波器調(diào)節(jié)，對(duì)整個(gè)C波段光波長(zhǎng)信道進(jìn)行濾波選擇接收。直流電壓通過單片機(jī)輸入一個(gè)通道號(hào)給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換得到。這里波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換速率小于60ms，調(diào)節(jié)誤差+/-0.01nm，調(diào)諧范圍30nm, 0.8nm間隔串?dāng)_超過20dB。圖3 是當(dāng)單片機(jī)輸出某通道號(hào)時(shí)在光譜分析儀上得到的某路波長(zhǎng)的光譜圖。

本設(shè)計(jì)采用的連續(xù)可編程時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路CDR支持12.3MHz-2.7GHz的速率信號(hào)，利用I2C總線與單片機(jī)通信，支持STM-1/4/16,FEC,GbE,HDTV的格式信號(hào)。該CDR芯片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)速率的自動(dòng)鎖定，無需參考時(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(hào)丟失或輸入信號(hào)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(dāng)前溫度，通過I2C總線和單片機(jī)進(jìn)行通信，由上層網(wǎng)管對(duì)各單盤設(shè)置溫度門限，超溫時(shí)報(bào)警并開啟風(fēng)扇，因?yàn)轱L(fēng)扇不必一直開啟，故減少了功率和噪聲。
4 性能評(píng)估

與其他傳統(tǒng)OADM中的光轉(zhuǎn)發(fā)單元比起來，該OTU單元具有以下特點(diǎn)：①信道間隔100GHz,根據(jù)需要可以擴(kuò)充至64波，即50GHz,可以實(shí)現(xiàn)32波中任意n個(gè)波長(zhǎng)的靈活上下；②具有獨(dú)特的上下路波長(zhǎng)的端口指配功能；③支持鏈型、環(huán)型、十字交叉等組網(wǎng)；④具有很好的開放性，采用了先進(jìn)的速率自適應(yīng)光接口技術(shù)，能夠支持很寬的自適應(yīng)速率范圍，該系統(tǒng)中的OTU能夠支持的信號(hào)速率范圍為100Mbit/s～2.7Gbit/s, 為多種異步業(yè)務(wù)提供波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(tǒng)中的不同波長(zhǎng)都可以是獨(dú)立的速率和數(shù)據(jù)格式；⑤插入損耗低，信道隔離度高，轉(zhuǎn)換效率高；⑥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便升級(jí)。