超低损耗大矩阵光开关在C/D/C ROADM结构中的应用

4/20/2016，光纤在线讯：近几年，运营商和设备商对C/D（无色、无方向）光节点光网络结构表示出很大兴趣，这种网络结构在本文参考文献1-5中有过一系列研究和讨论。C/D（无色、无方向）结构能允许来自任意节点方向的光信号，通过建立链接连接到任何上下路收发模块上。由于很多C/D（无色、无方向）结构存在一定程度的波长阻塞，因此我们增加了“Contentionless无冲突”这一特定功能描述，用来区分无阻塞和有阻塞的网络结构。本文中，我们描述了一种最新设计研发的无色、无方向、无冲突（C/D/C）光网络结构，该结构中使用了超低损耗光开关矩阵。
C/D/C结构的优势

      运营商对于网络有一个最基本要求，却时常被大家忽略，那就是希望“保持光网络管理尽量简单，没有额外的且不必要的运营规则”。在更高的网络层有许多运行的限制，理想情况下，位于底层的光网络层节点之间应该具有简单、灵活、透明的路径，并具较少出现业务冲突。另外，接入业务的增长会导致在核心网使用大量的波长，对于网络灵活性提出更高要求，避免波长冲突频繁出现。新的波长业务冲突、光的网状网的保护、不可预知的业务增长以及对计划性的维护工作的持续需求，增加了人们对光网络层灵活性配置要求的日益提升。

      近年来，波长选择开关（WSS）的应用解决了如何远程配置波长旁路节点的问题。WSS可以提供构建多自由度节点，允许通过光网状网建立波长路径的功能，而无需OEO的转换。但是，上/下路端仍然存在尚未解决的问题：
1、运营商发现节点的业务不断增加，很难提前预测所需的上/下路通道的百分比。
2、运营商希望实现无色工作，以充分利用可调谐收发模块的波长资源。
3、理想的光收发模块是无方向性的，这意味着单个模块可以应用到任何方向。
4、运营商需要下路来自不同节点的多个相同波长。无冲突节点设计可以避免复杂的波长分配规则，改善随着网络业务增加引起的阻塞可能性，延迟新网络建设，降低成本。

        人们曾经考虑过在光上/下路采用完全无阻塞的光开关，但NxM光开关成本过于昂贵，并且光学损耗较高。同时，C/D/C功能在当时并非必要需求，而当前光网状网及支撑技术正在逐渐成为现实，C/D/C功能也变得异常关键。在过去的几年中，光开关技术快速发展并日益成熟，成本逐渐降低，超低损耗的大矩阵光开关也已经在市场中得到成熟应用。
      曾经光网络中增加C/D/C功能需要以增加累积损耗为代价，本文中，我们向大家介绍一个完全灵活的C/D/C网络结构，该结构采用损耗小于2dB的光开关矩阵产品，从而保证系统总体损耗控制在节点允许范围内。

C/D/C上/下路网络结构
      C/D/C的关键要求包括：光纤对数（节点自由度）、每光纤允许波长数目、无冲突时可以上路和下路的业务百分比。保持较小的光损耗可以减少对于额外放大的需求，同时，减少信号损伤也非常重要。
      一般来说，C/D/C结构的要求是自由度从2个扩展到6个或8个，每根光纤中有96个波长。对于大的节点，上/下路比例一般要求达到业务的50%。对于小的节点，上/下路比例要求达到50%-100%。图1给出了一个满足这些要求的完整的C/D/C/上/下路结构。在这个例子中，我们聚焦在6个自由度，上下路比例为50%的节点。该架构可以涵盖2个到8个或更多自由度的结构。


图1: C/D/C 上下路节点结构

      上/下路部分是该结构的新颖之处。它由两级构成：第一级含有波长复用器和光开关,第二级由2:1分路器构成。到达的业务通过一个1:2的分束器连接到下路端口。上路业务通过WSS的一个端口连接到直通路径。该结构是一个对称的结构，因为上路和下路的功能是完全相反的。这个结构为一套完全的C/D/C结构，有6个自由度节点，每根光纤有96个波长（最多有576个波长）和最多到50%上/下路比（最多有288个上/下路波长）。在这个C/D/C结构中，任何波长组合（最高288个波长）可以连接到任意的收发模块。该结构分为2个独立的部分，一部分是用于直通业务，另一部分是用于上/下路业务。为了在直通路径之间交换波长，这里采用了一个标准的广播和选择结构，包含分光器和WSS。众所周知，WDM业务信号从每个输入光纤传输到每个输出光纤，输出WSS把来自不同输入光纤的信号合起来，并阻塞不需要的信号，该结构在全世界范围内的网络中得到部署。这种结构对于在直通路径之间交换波长非常有效，但是对于交换上/下路业务不是很有效。
      所有的输入业务（下路和直通）首先经过一个波长复用器将每个WDM波长分开，然后连接到一个NxM矩阵光开关的输入端口上。为了简化光纤连接，复用器可以与光开关集成在一起。不需要上下路的波长，光开关只要不连接输出端口就可以简单的把这些波长阻断。光开关的大小取决于输入波长的数量以及上下路收发模块的数量。直通端开关的大小取决于第一级的光开关是如何分割的。在这个例子中，我们使用2个开关分割，每个开关处理3个光纤，每根光纤有96个波长，因此要求有288个线路侧开关端口。因为收发模块的数量有可能多达288个，因此需要288个本地光开关端口。整个结构要求两个288*288的光开关，分别用于上路和下路端。通过把第一级的开关分割成两个开关区域，第二级只需要一个2:1的分光器或一个2*1开关把收发模块连接到第一级光开关任何一个分区。在这种结构中，收发模块可以采用不同波长做为上路和下路波长。有很多方法来分割第一级光开关。在这个例子中，我们有2个开关，每个处理3个光纤的信号。当然，也可以采用一个大的576x576的光开关，可以避免使用第二级开关。但是，对于轻载的系统，这将增加前期投资成本，并且这么大的低损耗开关在当前一般很难获得。另外一个大端口光开关可能会引入不可接受的单点失效可靠性风险。把一个开关分成两个，可以节省初始硬件成本50%。在开始安装时，只需要安装四个中的两个288x288的光开关（1和2）来处理前三个光纤自由度。当节点自由度超过3个时，可以无缝的添加另外两个光开关（3和4）。第二级的分束器可以独立于发射机安装，因为2:1分光器是无源器件，他们可以集成到收发模块的线卡上，无需另外的第二级开关。该系统还可以使用更多的光开关进行分割，每个直通光纤一个开关，以降低初始成本。但是随着光开关分割的增加，每个下路波长需要更多的光开关端口，导致整个节点的成本提高。还有，增加开关分割数目M超过2，会增加第二级开关的复杂性，需要1:M耦合器或1xM开关。


图2: C/D/C 上下路节点结构

可扩展性
      该结构可以很容易地从2个自由度扩展到8个自由度。图2给出了对于在第一级中用两个开关分割，每根光纤包含96个波长的设计，光开关的矩阵大小，节点的大小和上/下路百分比的关系。横轴表示节点自由度，图中不同颜色的线代表开关矩阵大小，纵轴表示对于给定开关大小和开关比，可以实现的最大C/D/C上/下路比。图上示出的曲线是四个固定大小的开关 96x96、192x192、288x288和384x384。图1给出了6个自由度，有50%上/下路比的例子需要一个288x288光开关，该图还给出了8自由度节点要获得50%的上路比，需要一个384x384的光开关。

      表1给出了上/下路的损耗预算。这个结构最关键的优点就是当节点扩展时上下路损耗可以保持很低而且恒定，并且与下路的波长数无关。


表.1: C/D/C 上下路节点损耗预算 (dB)

其他结构
      这里展示的灵活网络结构可以有多种变化形式。通过简单地增加1:2分光器来复制上下路业务，也相应的复制第一和第二级上下路结构，可以实现一个完全冗余的1+1结构。这种1+1结构成本大约增加了一倍，损耗增加了3dB。我们也可以在第二级用2:2耦合器替代1:2分光器，从而可以提供1+1收发模块冗余保护。
      为了大幅度的降低成本，还可以使用环行器或无源耦合器把上下路波长合起来，并采用可以双向使用的光开关和多路复用器。即使考虑附加的无源器件成本，整个上/下路的成本也大幅降低了40-50%左右。虽然双向结构引入了额外的约束条件，即上下路到一个收发模块的波长必须相同，但这在许多传输网络中也是很正常的事情。

结论
通过在网络中使用低损耗N*M光纤矩阵开关，实现了C/D/C（无色、无方向、无冲突）新型节点结构。采用这种C/D/C结构，大大简化了网状网的运营，显著减少了网络阻塞问题。

参考文献
1、S. Woodward et al., Proc. OFC'10 Postdeadline Paper PDPC8 (2010)
2、X. Zhang et al., Proc. OFC'10 NThA1(2010)
3、G. Prasanna et al., COMSET'09 Session 1-8 Paper 1 (2009)
4、P. Roordra et al., Proc. OFC/NFOEC'08 Pages 1-3(2008)
5、M. Feuer et al., Optical Fiber Telecommunications Vol. B: Systems and Networks, Chapter ROADMs and their subsystem applications (2008)

作者：Rich Jensen等/Polatis Inc.
翻译校对：李慧、李丽、赵永鹏，北京凌云光子技术有限公司

来源北京凌云厂商供稿