全光交叉技术发展及应用

发布时间:2023-02-07 作者:中兴通讯 李红军,王东,叶兵 阅读量:

        ROADM(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer)可以实现多维度、大容量波长级调度,具备低时延、低功耗的优点,满足干线、城域及数据中心互联等组网需求。随着维度增加,ROADM站点内部连纤数量急剧增加,导致开通和维护时间长、易出错,占地面积、功耗也大幅增加。全光交叉(Optical Cross-Connect,OXC)针对ROADM在使用中出现的问题进行了优化和改进,使用全光无阻交叉的光背板,与高集成度的光线路板和光上下路板配合,实现了插板即连纤,避免了复杂的内部连纤,提高了开通和维护效率。OXC单机柜可实现32维交叉调度,减少了占地面积。从2018年开始,OXC技术在中国移动、中国电信、中国联通等运营商广泛应用。

 

OXC组成及关键技术

        OXC主要包含光背板、光线路板和光上下路板,涉及光背板、高密度光连接器、1×N WSS(波长选择开关)、M×N WSS等关键技术。光背板包括柔性光背板及高密度连接器。OXC的光上下路单板分为支持CDF(Colorless、Directionless、Flexgrid)光上下路单板以及支持CDCF(Colorless、Directionless、Contentionless、Flexgrid)两种,如图1和图2所示。前一种采用TWIN 1×N WSS,不支持竞争无关;将WSS和光放大器集成,占用1个槽位,可以实现32路业务上下,通过单板的高密度连接器及光背板的光纤连接,调度到任意光方向。后一种采用M×N WSS,占用2个槽位。可以实现8/16维,48波业务上下,支持8/16维竞争无关。

        OXC的光线路单板将WSS、光放大器、OP、OSC、OTDR功能模块进行高度集成,一块光线路单板占用一个槽位,实现一个光方向的相应功能。光线路板通过高密度连接器与光背板相连,可以将一组波长调度到任意光方向或调度到任意光上下路单板进行业务上下(见图3)。

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图1   光上下路板(CDF)

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图2   光上下路单板(CDCF)

 

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图3   光线路板

 

光背板

        ROADM不同光方向调度和本地上下通过WSS单板面板光口光纤连接。对于9维、20维和32维ROADM,连纤数量分别为81根、400根和1024根。为了解决大量光纤连接复杂、易出错、不易维护的问题,OXC采用了光背板技术。将ROADM单板光口之间的内部连纤转化为光背板上的高密度互联光纤。将内部连纤分成多组通过光纤布线机布线,封装到柔性板材中,形成支持无阻光纤连接的柔性光背板。以32维OXC为例,需要将光纤分为32组,每组64芯,还需要留有光纤进行光性能监控、背板插损检测,实际上多于64芯。目前,32维的柔性光背板的生产加工已经非常成熟,国内和国外多个厂家都具有批量生产发货能力。同时,业界具备更高维度柔性光背板的生产能力,满足OXC向更高维度发展的需求。

 

高密度连接器

        光背板通过高密度连接器与光线路单板及光上下路单板连接。

        OXC的光连接器必须具备两个特点。一是高密度,对于16维OXC光连接器至少要达到32芯光纤,32维OXC至少要达到64芯光纤,才能保证OXC站点内各光板的全互联。实际上还要给监控、检测、环回等功能预留连接光纤,所需要的光纤芯数更多。二是可以盲插,需要连接器具备高对接精度、多次插拔的可靠性、弹性设计、低插损等特点。

        标准MT连接器已可实现24芯光纤封装,多组MT形成阵列,再结合弹性设计、背板插座、单板插座等,即可实现完整的OXC光连接器。另外端面镀膜工艺改进的非接触式连接器也在研究中,有望进一步增加连接器容量,提高连接器性能。

 

波长选择开关WSS

        光上下路单板和光线路板核心器件为1×N WSS和M×N WSS,相关技术主要包括基于自由空间光学设计的LC Array(Liquid Crystal Array)、MEMS(Micro-Electro Mechanical System)和LCoS(Liquid Crystal on Silicon)及基于硅光的微环谐振器MRR(Micro-Ring Resonator)和MZI (March-Zehnder Interferometer)。

        基于LC阵列的WSS,通过改变加在液晶单元上的驱动电压,改变入射光的偏振态。双折射棱镜对不同偏振态的光折射率不同,从而通过改变入射光的偏振态,控制出射光的偏转角度。LC Array技术主要用于1×9和1×20 WSS,端口数再增加时需要更多的LC级联,设计和封装困难。

        基于MEMS的WSS,每个MEMS微镜都可单独控制,通过改变控制电压,可以控制MEMS微镜的旋转角度,从而改变入射光的反射角度,进入不同的输出光口,实现波长选择。MEMS可以用于高端口WSS和M×N WSS。由于微镜之间的间距过大,占空比低,在连续光谱操作时会产生光谱凹陷,不能实现灵活栅格,应用场景受限。

        基于LCoS的WSS,在硅基底上基于CMOS晶体管设计技术实现液晶的驱动电路。基底上有二维像元阵列,每个像元都可单独通过驱动电路改变电压,从而改变像元上面液晶的相位。分别调整相邻像元相位延迟,可实现光信号在各端口之间的自由切换。LCoS技术具有更高的填充比因子,像元分辨率也更高,已用于制作高端口的1×N WSS,更适合制作支持灵活栅格的M×N  CDCF WSS,已成为主流。

        基于微环谐振器MRR(Micro-Ring Resonator)的WSS,SOI波导由于折射率差大,可以实现半径很小的微环结构,通过调整微环的谐振状态实现指定波长的上下路。近年来相关研究,对于基于MRR的WSS方案中自由频谱区(FSR)范围、hitless无损调整、偏振无关等比较关键的问题提出了一些解决方案,期待进一步解决加工精度、控制复杂度等相关问题,实现产业化突破。另外,也有基于MZI和微环组合或者单纯基于MZI进行波长选择的滤波器设计方案,同样距离技术成熟还需要一定的时间。

 

OXC的优势

        与ROADM相比,OXC通过板卡功能高度集成、光背板,可以大大减少占地面积,降低设备功耗和简化内部连纤(见图4)。20维OXC只需要使用1个机柜,占地面积降低了2/3。只需使用30多块单板,单板使用数量降低2/3,相应功耗也降低。站点内部的光纤连接都通过光背板,完成插板即连纤,提高了开通效率,降低了维护成本。

 

  • 集成度高,占地面积小,节省机房空间

        ROADM站点需要使用光放大、WSS、OSC、OTDR、OP等分离单板,单板种类多,数量大,需要使用多个机柜。OXC进行了优化,对相关单板功能进行了高度集成,光线路板和光上下路板只占用一个槽位即可实现线路方向接入和32波业务上下;只需要一个机柜可实现32维光交叉调度,节省占地面积2/3。

  • 绿色节能,便捷开通,维护方便,运维成本低

        16维OXC只需要一主一备63A电源,32维OXC只需要两主两备63A,与ROADM相比,设备功耗降低,同时减少了电源端子需求数量。同时,采用光背板解决了ROADM内部连纤数量多、开通效率低、维护困难的问题,实现了内部“零”光纤连接,插板即连纤;插入一块光线路单板,连接线路光纤进行软件配置即可开通1维;插入一块光上下单板,连接相关业务单板,软件设置即可开通业务,开通便捷;支持光层OAM,可监测每个波长通道的业务速率、出光功率、中心波长、源节点等信息并进行路由校验,便于故障定位,降低运维成本。

  • 支持超大容量光交叉,低时延

        支持CE、C++和L++波段,单个机柜支持32维,可支持1024T光交叉,满足干线及城域光交叉容量的需求;与支线路合一的业务单板配合,可实现波长级交叉调度;与OTN设备配合使用,可实现子波长及波长级交叉调度。光交叉节点只通过光纤连接,几乎达到“零”时延。

  • 网络智能化

        智能化网络应支持网络拓扑及资源自动发现、业务开通及控制、路由计算、智能化调度、网络性能监控等功能。OXC作为物理层设备,支持CDC功能,可解决波长冲突问题,增加光交叉调度的灵活性,提高网络资源的利用率;支持FlexGrid,可实现传输管道带宽的动态调整,实现100G、超100G等波长智能化调度;支持光域均衡和光功率自动优化,减少WSS的串通代价,提升系统传输性能,增加可用路由,提高了网络的生存性。OXC在干线、城域网络的应用,尤其是在高维度网络的应用,为网络智能化提供了保障。

 

OXC的应用及发展

        2018年开始,国内各厂家陆续开始推出16/20/32维OXC产品,取代ROADM在中国移动、中国电信和中国联通等运营商的干线、城域网络商用。

        干线网络传输距离长达数千公里,一般采用星型组网,物理链路不多,线路维度不高,但节点业务量大(尤其是核心节点),业务上下占用OXC维度多。16/20和32维OXC分别有16、20和32个槽位,每个槽位可以插入光线路单板或光上下路单板,实现一个光线路方向接入或一组32波业务上下。在网络设计时,需要考虑当期的线路维度及业务上下。同时,需要考虑将来线路维度及上下业务扩容的需求,为后期扩容预留槽位。后期扩容非常方便,插入一块光线路板即可增加一个线路维度,插入一块光上下路板即可增加一组32波本地上下。本地上下路板有两个扩展口,每个扩展口可以实现32波上下,在OXC槽位紧张的情况下,可以与传输子架上的WSS单板配合,实现单个OXC槽位96波业务上下。

        城域网络传输距离短,一般为数百公里,采用Mesh组网,物理链路多,线路维度多,每个维度均有业务上下。核心节点线路维度多,上下业务量大;非核心节点线路维度少,扩容潜力小。同样,需要根据当期及后期线路维度和上下业务需求确定OXC的维度。一般情况下,国内城域网核心节点采用32维OXC,非核心节点采用16维OXC。

        网络发展带来核心节点光层调度维数的增加,同时,核心站点上下业务量增多。在电信西北环网络,太原枢纽楼站点已经达到57维。目前,已商用的1×N WSS最多只支持32维,不能满足现网核心节点高维度的需求。随着网络的进一步发展,高维度的需求越来越多,高维度64维或128维会成为OXC的一个发展方向。

        在高维度情况下,本地上下路很容易存在来自不同线路维度的同波长业务冲突,所以CDC需求(波长无关、方向无关、竞争无关)成为OXC的重要需求。目前商用的M×N WSS有8/16维,上下路端口数一般为24,不能满足高维度以及本地业务上下数量多的需求。同时,M×N WSS还不支持L++波段。高维度、多端口CDC及波段扩展也是OXC的一个发展方向。

        随着网络的Mesh化、智能化,对光交叉的调度能力要求越来越高。ROADM采用分离的单板,存在占地面积大、功耗高、内部连纤数量多、开通维护易出错等问题,只商用了9维和20维。OXC通过光背板、高集成度光线路板和光上下路板解决了上述问题。OXC支持超大交叉容量,具有高集成度、占地面积小,开通运维便捷、绿色节能等优点,已经在中国移动、中国电信、中国联通等运营商干线和城域网得到广泛应用。同时,随着网络发展,支持更高维度、多端口CDCF、支持L++波段CDCF也是需要进一步解决的问题。

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图4   OXC和ROADM对比示意图