一種新型ROADM設備的光轉(zhuǎn)發(fā)器設計與實現(xiàn)

1 引言

隨著以IP業(yè)務為主的數(shù)據(jù)業(yè)務迅速增長，對網(wǎng)絡帶寬的需求變得越來越高，同時對網(wǎng)絡帶寬的動態(tài)分配要求也越來越迫切，要求網(wǎng)絡向著高容量、智能化、動態(tài)可配置方向發(fā)展。DWDM系統(tǒng)中ROADM可方便的配置、可動態(tài)改變波長資源分配，可以滿足動態(tài)可配置的業(yè)務需要，必將在DWDM系統(tǒng)中廣泛應用。而光轉(zhuǎn)發(fā)單元（OTU）是其中關(guān)鍵的部分，將非標準波長光信號變換成DWDM 標準波長光信號，并對波長通道進行性能監(jiān)視和保護倒換，因此研究其性能和實現(xiàn)問題具有重要的實用價值。

2 ROADM|0">ROADM簡要介紹

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(nèi)實現(xiàn)了SDH中的ADM（分插復用器）在時域內(nèi)完成的功能，采用OADM組網(wǎng)可以靈活實現(xiàn)波長上下路，使網(wǎng)絡具備動態(tài)重構(gòu)和自愈功能，是未來全光網(wǎng)的重要設備之一。從功能角度來說，無論作為骨干節(jié)點本地交換局節(jié)點還是用戶業(yè)務接入節(jié)點，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，每一次上下路波長都不影響直通波長，這一點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）具有波長轉(zhuǎn)換功能以實現(xiàn)開放式結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡具有波長兼容和業(yè)務透明性，在上下路波長時可在承載本地業(yè)務的非標準波長與DWDM標準波長之間靈活轉(zhuǎn)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和本地上下路波長的功率以補償鏈路損耗。
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 （4）具有對波長進行管理和開銷處理能力，可在遠端或本地進行管理控制。
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 （5）滿足光通信對傳輸光信號的常規(guī)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（波段）信號，利用波長解復用器或波長光柵路由器(WGR)來實現(xiàn)解復用功能。該方案結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，但損耗較大、成本較高，且光開關(guān)的時延會造成數(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信號，其工作原理為：輸入的多波長復用光信號被光耦合器分成若干部分，一部分送給動態(tài)信道均衡器（DCE），由其控制特定波長信道通過或阻塞并阻斷的波長信道。通過可調(diào)諧濾波器下路到本地，而上路的波長信道則經(jīng)過可調(diào)諧激光器發(fā)射后通過光耦合器復用進傳輸線路，DCE同時完成增益均衡功能。這種結(jié)構(gòu)提供了最大的網(wǎng)絡配置靈活性。本文所介紹的OTU應用于此類系統(tǒng)中，在ROADM中的位置如圖1所示：
整個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的功率放大、增益均衡和線路保護等處理功能；性能監(jiān)控部分負責監(jiān)測光纖線路上的多波長光信號，提取相關(guān)性能參數(shù)并上報給設備監(jiān)控單元；分插復用部分負責對多波長光信號中若干單波長信號實施下路、直通、上路操作；轉(zhuǎn)發(fā)單元OTU將客戶層設備的非標準波長光信號變換成DWDM 標準波長光信號；網(wǎng)元監(jiān)控部分負責對節(jié)點設備內(nèi)各功能模塊單元及環(huán)境條件實施監(jiān)控，并對外提供網(wǎng)絡管理接口。

3 OTU單元技術(shù)實現(xiàn)

OTU 單元是實現(xiàn)開放式WDM系統(tǒng)的關(guān)鍵。它將任意標準的光信號轉(zhuǎn)換至滿足G.692要求的波長光信號，在DWDM 系統(tǒng)上傳輸。目前在光網(wǎng)絡中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主要有三個功能：一是在光信號惡化的情況下執(zhí)行再生功能；二是波長的上下路；三是執(zhí)行開銷處理，因為OTU可以接觸電信號，所以它很容易進行開銷處理。本設計支持動態(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”組合實現(xiàn)。整個OTU單元包括傳送、控制、通信、電源、顯示和接口等六個部分，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(tǒng)進行通信，完成OTU單板初始化，波長通道性能數(shù)據(jù)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(jié)提取,對可調(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變換、性能監(jiān)視、波長調(diào)諧等功能。OTU單元進行兩路信號的處理：一路信號是用戶側(cè)SDH信號被OTU 單元接收，經(jīng)過收發(fā)模塊接收后轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)電層的CDR和B1/J0模塊處理，完成時鐘數(shù)據(jù)恢復和性能監(jiān)測，然后經(jīng)過線路側(cè)的可調(diào)諧激光器轉(zhuǎn)變?yōu)樗璨ㄩL光信號送出端口；另一路是線路側(cè)的信號經(jīng)可調(diào)諧濾波器后得到所要下路的波長信號，然后經(jīng)收發(fā)模塊轉(zhuǎn)變成電信號，在電層經(jīng)過CDR和B1/J0模塊后再經(jīng)收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換成光信號給用戶側(cè)。

3.1 可調(diào)諧激光器

網(wǎng)絡側(cè)上路任意波長信號通過可調(diào)諧激光器完成。目前常見的可調(diào)諧激光器實現(xiàn)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型。其中電流控制技術(shù)是通過改變注入電流實現(xiàn)波長的調(diào)諧，具有納秒級調(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的。這種控制技術(shù)的缺點是單個模塊的調(diào)諧的寬度不寬，一般只有幾個nm，而且調(diào)諧時間比較長，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時間，因此這種激光器目前用在WDM系統(tǒng)中實用價值不大。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。機械控制主要是基于MEMS（微機電系統(tǒng)）技術(shù)完成波長的選擇，具有較大的可調(diào)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(jié)構(gòu)。

本設計采用的可調(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SG-DBR激光器、1個電吸收外調(diào)制器（EAM）和1個SOA（半導體光放大器）放大器，同時還附加波長鎖定器，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)的電流來改變該區(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個不同的波長信道，信道間隔50GHZ，信道切換抑制輸出功率小于-30dbm，波長切換時間小于10ms，該器件經(jīng)2.5Gbit/s、200km的光纖傳輸后的功率代價小于2dB并通過選用集成波長鎖定器解決了波長漂移問題。單片機通過232串行接口和激光器通信，對其進行控制。

從目前發(fā)展趨勢來看，可調(diào)諧激光器有巨大的應用前景，是目前光網(wǎng)絡應用的一大熱點，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范圍寬、較高的邊模抑制比、帶有波長鎖定功能和適于實用化的封裝技術(shù)，同時可調(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，隨著價格的降低將替代固定波長傳統(tǒng)激光器。

3.2 可調(diào)諧濾波器

傳統(tǒng)的OADM系統(tǒng)必須用波分復用器將所有波長分別獨立，再通過電路控制選擇要下載的波長。這里利用可調(diào)諧濾波器只需將要處理的波長篩選出來，無須對每一個波長分別設置光電轉(zhuǎn)換及監(jiān)測設備。

目前應用比較多的可調(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，微機械式（MEMS），陣列波導式（AWG）等。它們主要的波長調(diào)諧手段有改變光柵通道長度，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(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)，通過給一個外部驅(qū)動器加一個直流電壓，就高速重復連續(xù)地執(zhí)行濾波器調(diào)節(jié)，對整個C波段光波長信道進行濾波選擇接收。直流電壓通過單片機輸入一個通道號給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換得到。這里波長轉(zhuǎn)換速率小于60ms，調(diào)節(jié)誤差+/-0.01nm，調(diào)諧范圍30nm, 0.8nm間隔串擾超過20dB。圖3 是當單片機輸出某通道號時在光譜分析儀上得到的某路波長的光譜圖。

本設計采用的連續(xù)可編程時鐘數(shù)據(jù)恢復電路CDR支持12.3MHz-2.7GHz的速率信號，利用I2C總線與單片機通信，支持STM-1/4/16,FEC,GbE,HDTV的格式信號。該CDR芯片可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)速率的自動鎖定，無需參考時鐘及額外控制，時鐘提取速度很快，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告警。

另外，本OTU上裝有溫度傳感器，實時獲得當前溫度，通過I2C總線和單片機進行通信，由上層網(wǎng)管對各單盤設置溫度門限，超溫時報警并開啟風扇，因為風扇不必一直開啟，故減少了功率和噪聲。
4 性能評估

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：①信道間隔100GHz,根據(jù)需要可以擴充至64波，即50GHz,可以實現(xiàn)32波中任意n個波長的靈活上下；②具有獨特的上下路波長的端口指配功能；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(tǒng)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)務提供波長轉(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，同一系統(tǒng)中的不同波長都可以是獨立的速率和數(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)簡單，方便升級。