ROADM现状二：全光通信网中的ROADM

1、全光通信网中的节点设备
1)可重构光分插复用器
    ROADM设备的功能是，对通过的一组DWDM信号，下载其中目的地址为本节点的波长信号，并上载从本节点发出的波长信号，其他波长则透明通过。一个典型的ROADM节点结构如图2.1所示，它由两台ROADM设备和两个2×2光开关组成，每台ROADM中的下载模块与上载模块分离，ROADM①的下载模块和上载模块分别与ROADM②的上载模块和下载模块连接。采用两台ROADM的目的是对系统进行备份以提高可靠性，光开关的作用是线路保护，系统备份和线路保护的工作模式如下：
a)城域网一般采用双向光纤环网结构，信号在两根光纤中分别沿顺时针和逆时针传输，ROADM①的下载模块与ROADM②的上载模块接入顺时针传输光纤，而ROADM②的下载模块与ROADM①的上载模块接入逆时针传输光纤，系统正常工作时，两个2×2光开关均为直通状态，两根光纤上各传输一半波长。
b)当线路上的某点发生故障时，与故障点紧邻的两个ROADM节点中，靠近故障点的两个2×2光开关切换至交叉状态，通过这两个光开关，顺时针信号转向逆时针传输，形成一个新的单光纤环网，长度为原双光纤环网的两倍，新的光纤环网中传输所有波长。
c)当某个节点中的设备ROADM①发生故障时，则将ROADM②中下载模块的输出端与其上载模块的输入端相连，同时将靠近ROADM①的2×2光开关切换至交叉状态，这样也形成一个新的两倍长度单光纤环网，保证信号的传输，而ROADM①可取出维修。
    在ROADM设备的下载模块中，采用20%分光比的TAP耦合器从线路上取出部分光功率进行解复用，而在解复用之前，用5%分光比的TAP耦合器取出部分光功率进行监控。在上载模块的输入输出端口，以及解复用器和复用器之间的每个信道上，用5%分光比的TAP耦合器取出部分光功率进行监控，每个信道上的1×2光开关用于选择每个信道被上/下载或者直通，可调光衰减器VOA用于信道功率均衡。上载模块输出端的光放大器，相当于图1.1中的功率放大器。
  
 
2)光交叉互连设备
    一台OXC设备有N个输入/输出端口和若干个本地上/下载端口，它的功能是将任意输入端口中的任意波长信号，交换到任意输出端口中，并下载部分目标地址为本节点的波长信号和上传部分从本节点发出的波长信号。OXC设备的结构比ROADM要复杂的多，去除系统备份、线路保护、控制电路、功率监控和通道均衡部分，典型的OXC设备光路结构如图2.2所示，它由N个复用器、N个解复用器和N个(N×K)×(N×K)光开关组成。该OXC有N个输入/输出端口和(N×K)个上/下载端口，能够从每条线路上/下载K个波长信号。  

    
                图2.2 典型的OXC设备光路结构

2、广义的ROADM概念
    核心的ROADM和OXC器件，辅之外围控制系统，称为OXC和ROADM子系统，再加上各种信息处理和管理功能，则称为OXC和ROADM设备，本文以下部分所提到的OXC和ROADM，均指器件。
    ROADM器件由一个输入端口、一个输出端口、一组下载端口和一组上载端口组成，如图2.3所示，它能够从输入端口上/下载任一或任一组波长，其他波长则透明通过。OXC器件由N个输入端口和N个输出端口组成，如图2.4所示，它能够将任一输入端口中的任一或任一组波长，交换到任一输出端口中。波长选择开关（Wavelength Selective Switch, WSS）是实现多维ROADM和OXC的重要器件，1×N WSS由一个输入端口和N个输出端口组成，如图2.5所示，它能够将输入端口中的任一或任一组波长，切换到任一输出端口中。WSS也可以反过来使用，将从多个端口输入的不同波长，合并到一个端口输出。

    
图2.3 ROADM器件功能图  图2.4 OXC器件功能图  图2.5 WSS器件功能图

    OXC器件主要用于光纤环网之间的互连，一般要求它也具有一定的本地上/下载功能；多维的ROADM器件（关于ROADM的维数，下文将会介绍），除了用于本环网中节点互连的IN/THRU端口之外，还可以通过某些ADD/DROP端口与另一个环网中的节点互连（续文将会有图例）；两个WSS组合，可以构成一个ROADM器件（如图2.6所示），多个WSS组合，可以构成一个OXC器件（如图2.7所示）。因此OXC、WSS和传统的ROADM器件，可以纳入更加广义的ROADM概念中。
     
     
              图2.6 由两个WSS构成的ROADM

     
              图2.7 由2N个WSS构成的N×N端口OXC

如图2.3所示的传统结构ROADM，通过其IN和THRU端口接入光纤环网，此ROADM的维数为2；如图2.6所示的ROADM由两个WSS构成，其IN/THRU端口和另外（S-1)个Input/Output端口均可用于光纤环网的接入或者与其他OXC节点之间的互连，此ROADM的维数为2S；图2.2所示的传统结构OXC和图2.7所示的基于WSS的OXC，维数均为2N。
    衡量ROADM器件性能的主要技术指标有：插入损耗IL、偏振相关损耗PDL、通带特性、串扰水平、响应时间、色散水平和扩展能力，等等。在信道的通带边缘总是存在上升沿和下降沿，当多个ROADM串联时，通带将会因乘积效应而变窄，而激光器的波长总是存在一定的漂移，较窄的通带宽度会增加误码率，因此ROADM的通带特性决定了能够串联的节点数。ROADM的响应时间主要取决于其中的光开关，因为通信线路的保护切换时间是50ms，一般要求ROADM的响应时间小于10ms。为了降低初装成本，同时又能够应对将来的业务增长和网络扩展，要求ROADM具有较好的模块化和扩展能力，而且在网络重构和升级扩展时尽量不影响现有通信线路。

3、ROADM的分类
1)按结构分类
    实现ROADM器件的技术方案多种多样，从器件结构的角度考虑，可归于两类：广播&选择型（Broadcast-and-Select, B&S）和波长选择型（Wavelength Selective, WS）。图2.8所示为一种B&S型ROADM结构，信号经一个3dB耦合器和一个1×m分路器下载，并被可调滤波器解复用为单个波长进行接收；继续传输的信号，被一个波长阻塞器（Wavelength Blocker, WB）阻断其中的已下载波长；信号的上载通过一个m×1合波器和另一个3dB耦合器实现。WB可以阻断任一或任一组已下载的波长，也可以同时对直通的波长进行衰减，这样该ROADM结构同时具有通道均衡功能；如果WB不阻断已下载的波长而让其继续传输（ADD端也就不能上载这些未阻断的波长），这样其他节点也能够下载这些波长，则该ROADM同时具有广播功能。实现WB的技术途径有声光滤波器（Acousto-Optic Filter, AOF）、液晶（Liquid Crystal, LC）、硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon, LCoS）、微机电系统（Micro Electro-Mechanical System, MEMS）、平面光路（Planar Lightwave Circuit，PLC）技术，等等。
    WS型ROADM结构如图2.9所示，它由一个解复用器、一个光开关阵列和一个复用器组成，输入的WDM信号先被解复用为单个波长，由开关阵列决定每个波长被上/下载或者直通，直通信号和上载信号通过复用器重新合成为WDM信号。WS型ROADM中的MUX/DEMUX部分，可以由分立器件组合而成，如串联的薄膜滤波器（Thin Film Filter, TFF）或者光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Gratings, FBG），也可以是基于PLC技术的集成器件，如阵列波导光栅（Arrayed waveguide Gratings, AWG）；光开关阵列部分，可以是多个1×2或者2×2光开关组成的阵列，也可以是一个大端口数的N×M光开关，实现技术有微机械光开关、MEMS光开关、液晶光开关和基于PLC技术的各种热光开关，等等。其中基于PLC技术的AWG+热光开关方案，可以实现单片集成，而且可以同时集成VOA以实现信道均衡，是最受欢迎的技术方案之一。

    
    图2.8 B&S型ROADM结构         图2.9 WS型ROADM结构

    B&S型ROADM结构因为采用WB，具有损耗低、通带特性好和初装成本低的优点，较低的损耗和良好的通带特性使得一个环网中可以串联更多的ROADM节点，初装时只需上/下载少数波长，而升级扩容只需通过增加可调滤波器和可调激光器即可实现；B&S型ROADM结构的缺点是，当上/下载波长数较多时成本偏高。WS型ROADM结构的优点是体积小，在上下载波长数较多时成本要低的多，特别是基于PLC技术的单片集成方案；缺点是直通信号的损耗偏大（直通信号的损耗影响节点串联特性，因此要求较高，而上/下载信号的损耗只关系本节点，要求稍低），而且初装成本偏高。

2)按功能分类
    前面提到，OXC、WSS和传统的ROADM均可以纳入更加广义的ROADM概念中，而且传统的ROADM，根据其ADD/DROP端口是否只能上/下载固定波长，可区分为I类II类ROADM。因此从器件功能的角度考虑，可以将广义的ROADM归于四类：I类ROADM、II类ROADM、WSS和OXC。
a)I类ROADM：拥有一个IN/THRU端口和若干ADD/DROP端口，每个ADD/DROP端口只能固定上/下载某个或者某些波长。
b)II类ROADM：拥有一个IN/THRU端口和若干ADD/DROP端口，每个ADD/DROP端口的上/下载波长可改变。
c)WSS：端口结构为1×K，拥有一个输入端口和K个输出端口，可以将输入端口中的任一或者任一组波长，切换至任一输出端口中；或者反过来使用，拥有K个输入端口和一个输出端口，可以将任一输入端口中的任一或者任一组波长切换至输出端口。当然，各端口输入的波长不能重合，否则将会发生相互串扰。
d)OXC：端口结构为N×N，拥有N个输入端口和N个输出端口，可以将任一输入端口中的任一或者任一组波长交换到任一输出端口中，并具有一定的本地上/下载功能，能够从每条线路上/下载若干波长。