光交叉連接設備(OXC)及其基本模塊

2019-11-03 10:21:57

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江俊敏吳松周黎明王家

　　摘要 OXC是實現全光網絡的核心器件。介紹了光交叉連接(OXC)的主要特點和工作原理，并且深入討論了OXC的基本模塊。

　　關鍵詞光交叉連接(OXC) 光交叉連接矩陣波長變換

1、引言

　　從20世紀后半葉至今，光波通信技術得到了很大的發展，經歷了五代光波通信系統。但是從目前光波通信技術的整體水平看，其巨大潛力尚未完全發揮出來，其中的主要障礙是連接節點的電子瓶頸問題。

　　所以人們就提出了光交叉連接(OXC)這個概念；光交叉連接設備相當于一個模塊，它具有多個標準的光纖接口，它可以把輸入端的任一光纖信號(或其各波長信號)可控地連接到輸出端的任一光纖(或其各波長)中去，并且這一過程是完全在光域中進行的。通過使用光交叉連接設備，可以有效地解決現有的數字交叉連接(DXC)設備的電子瓶頸問題。

　　筆者主要討論了OXC和特點，工作原理及其主要模塊。

2、OXC與DXC的比較

　　OXC與DXC都具有信號復用，信號交換，保護倒換，監控管理等功能，其作用有相同的地方，但是OXC具有更高的技術水平：

(1)OXC和DXC主要的差別是OXC將交叉連接和分插復用從電信號形式上升到以直接光信號形式進行。

(2)OXC具有透明的傳輸代碼格式和比特率，可以對不同傳輸代碼格式和不同比特速率等級的信號進行交叉連接。而DXC針對不同的傳輸代碼格式和比特率需要不同型號的DXC設備。

(3)OXC交叉容量大，交叉總容量可達到petabit/s級別；DXC受電子元件的限制，交叉總容量只達到Gbit/s級別。

3、OXC的結構及其工作原理

　　如圖1所示，OXC主要由輸入部分(放大器EDFA，解復用DMUX)，光交叉連接部分(關交叉連接矩陣)，輸出部分(波長變換器OYU，均功器，復用器)，控制和管理部分及其分插復用這五大部分組成。

　　假設圖1中輸入輸出OXC設備的光纖數為M，每條光纖復用N個波長。這些波分復用光信號首先進入放大器EDFA放大，然后經解復用器DMUX把每一條光纖中的復用光信號分解為單波長信號(λ1-λN),M條光纖就分解為M*N個單波長光信號。所以信號通過(M*N)*(M*N)的光交叉連接矩陣再控制和管理單元的操作下進行波長配置，交叉連接。由于每條光纖不能同時傳輸兩個相同波長的信號(即波長爭用)，所以為了防止出現這種情況，實現無阻塞交叉連接，在連接矩陣的輸出端每波長通道光信號還需要經過波長變換器OTU進行波長變換。然后再進入均功器把各波長通道的光信號功率控制在可允許的范圍內，防止非均衡增益經EDFA放大導致比較嚴重的非線性效應。最后光信號經復用器MUX把相應的波長復用到同一光纖中，經EDFA放大到線路所需的功率完成信號的匯接。

4、OXC的基本模塊

4.1光交叉連接矩陣

　　純光交叉矩陣的OXC仍然處于研發和現場實驗階段，主要問題之一，是尚未有性能價格比好、容量可擴展、穩定可靠的光交換矩陣。光交換矩陣的主要指標是與偏振無關，光通道隔離度大，插入損耗小，通道損耗小，通道均勻性好，多波長操作能力好。

　　目前有許多方法來實現光交叉連接。有傳統的光機械開關、LiNb03開關、InP開關、半導體光放大器(SOA)開關等。光機械開關可靠性好，但開關速度太慢，并且它們不能適合大批量生產，所以不適合用于高速寬帶網絡節點OXC中；基于LiNb03的交換矩陣,由于對波長較敏感，損耗偏高，所以也不是很理想；基于InP的集成數字光開關矩陣，對偏振狀態不敏感，可靠性好，適合于批量生產，但還需要解決插入損耗和光通道隔離度的問題。另外光放大器(SOA)開關雖然可以對信號進行放大以補償分波/合波的損耗，具有很寬的光帶寬，但是SOA的偏振相關性很大，不容易克服，所以這種光開關也得不到廣泛的應用。

　　近來，一種稱為微電子機械開關(MEMS)的新型光開關已顯示出了遠大的發展前途。以MEMS為基礎制造出來的光開關是無源開關，與光信號的格式、波長、協議、調制方式、偏振作用、傳輸方向等均無關，同時在進行光處理過程中不需要經過光/電或電/光轉換，可直接在光域中進行。

　　現在很多公司對MEMS的光交叉連接矩陣都進行了研制合開發：

(1)朗訊公司已研制了1296*1296端口的MEMS。其單端口傳送容量為1.6Tb/s(單纖復用40個信道，每路信道傳送40Gb/s信號)，總傳送容量達到2.07Petabit/s(1.6*1296=2070Tbit/s)。具有嚴格無阻塞特性，介入損耗為5.1db，串擾(最壞情況)為－38db。使光開關的交換總容量達到新的數量級。

(2)OMM公司提出的4*4和8*8光開關，其速率小于10ms。16*16端口的交換時間增加到20ms。其4*4光開關的損耗為3db，而16*16光開關的損耗為7db。目前，OMM正在積極開發三維光開關，實現更大的交叉連接。

(3)Iolon利用MEMS實現光開關的大量自動化生產。該結構開關時間小于5ms。

(4)Xeros基于MEMS微鏡技術，設計了能升級到1152*1152的光交叉連接設備，交換時間小于50ms。

4.2波長變換器

　　波長變換器可以將信號從一個波長轉換到另一個波長上，實現波域的交換。目前有兩種基本的方式和全光方式。光電混合方式在功率、信號再生、波長和偏振敏感性等方面性能優良，但它對不同的傳輸代碼格式和比特率不透明。所以OXC中的波長變換器用的是全光變換方式。現在正在研究的全光波長變換技術，根據其所采用的基本物理原理可分為：交叉增益調制型、交叉相位調制型、四波混頻效應和差頻效應等，利用的元器件主要是半導體光放大器(SOA)。但是只有SOA-FWM(基于SOA的四波混頻效應)波長變換對調制方式、信號格式完全透明，符合OXC的要求。并且SOA－FWM變換范圍大，轉換后的頻譜是反轉的，可以有效地進行傳輸系統的色散補償，但是它的轉換效率不平坦，隨轉換帶寬增大而下降。

4.3其他模塊

　　在OXC設備中，摻鉺光纖放大器(EDFA)的作用是有效補償線路損耗和節點內部損耗，延長傳輸距離。EDFA具有寬頻帶，對調制方式和傳輸碼率透明等特點。

　　均功器使各波長通道光功率的差異在允許的范圍內，防止在經過多個節點的EDFA級聯以后對系統造成嚴重的非線性效應。

　　控制可管理單元實現OXC設備各功能模塊的控制和管理。它有自動保護倒換功能，也能夠支持光傳送網的端到端的連接指配，動態配置波長路由，快速保護和恢復網絡傳輸業務。

5、結束語

　　OXC是未來光纖網絡中的重要設備，雖然還處于實驗階段，但是日本NEC公司，Bell實驗室、NTT、愛立信等國外大公司對它都開展了積極的研究工作，可以預計在未來的幾年里將會出現實用化的OXC。

摘自《通信技術》

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