可重构型光分插复用器浅析

熊 炜

（同济大学，上海 200092）

0 引言

在传统的光网络里，当一个信号需要改变在网络中的传播路径时，该需要首先被转换为电信号，然后其才能通过电交换机进行交换。之后，被重定向的电信号再通过电光转换接口转换成为光，通过光纤进行传输[1]。

这种交换方式带来的问题之一是，即使光纤中只有少量的信息需要提取，所有的被传输的光信号都需要被转换为电信号，使得交换成本十分高昂。

ROADM 技术的发展使得光交换成为可能。如图1所示，ROADM在每个方向使用一对光纤传播信息，并可以根据需要添加、传递或丢弃光网络中传播的信息，或简单地对采用波分复用（WDM）的光纤网络内的不同波长的光进行重定向。通过上述3个过程的组合，ROADM可以对光信号进行处理，完成复杂的光交换过程。

图1 基于ROADM的光交换框

1 ROADM架构

波长选择交换器（WSS）是现阶段ROADM中最重要的组成部分，它可以无限制的独立完成任何端口任何波长的光交换工作，而不会干扰到其他波长的光信息的传播。同时它通过可变光衰减器（VOA）来控制各路光的功率。

波长选择交换器在ROADM系统中有2种可能的配置方式。其一用于添加光信号至光网络，如图2（a）所示；其二用于从光光网络中删除信号，如图2（b）所示。这2种配置方式有着许多相似之处：

1）在光纤端口存在额外的接口用于添加和删除各种波长的光信号。这使得该ROADM允许创造额外的“度”，从而扩充系统，满足高维度的通信需求。

2）在每个节点使用并且只使用一个波长选择交换器，从而增加ROADM系统的带宽和节点数量。

图2 基于WSS的ROADM配置原理

虽然这2种结构有着一定的相似之处，但两者也有各自的特色。在图2（a）所示的结构之中，网络中所有的添加信号会由变光衰减器控制信号功率，因此可以增强系统的光信噪比。而图2（b）所示的结构因为可以单独控制丢弃的信号，因此被视为是更安全的结构。同时，对于某些只在特定网络节点需要的信号来说，这种结构会更加实用。

2 现有的ROADM技术

目前WSS已经进入实际实用阶段。其主要部分是一被称为“交换引擎”的批量光栅平台。其主要任务是直接将一个特定波长的光从一个特定的端口传输到另一个端口。它可以通过改变相位、偏振、位置或波长的角度来分散光束。目前主要的实现技术有 4 种：①液晶技术（LC）；②微机电系统（MEMS）；③数字照明处理器（DLP）；④硅上液晶技术（LCoS）。

2.1 LC

基于液晶的交换引擎有连续的液晶单元和具有双折射楔形结构的极化光束分离器组成。液晶单元的作用是旋转入射光的极化角，使得2个输出的光线能够正交偏振，从而保证任意的输入光都可以通过极化光束分离器进行分路。通过改变液晶单元上的电压值就能够控制通过液晶单元的光的偏振状态。当电极上没有电压时，经过液晶片的光线的极化角为90°，当有电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持它的极化状态不变。极化光束分离器则起到路由器的作用，将信号引导到目的端口。两者合作共同实现波长选择交换的功能。

2.2 MEMS

基于微机电系统的交换引擎是由光刻在硅衬底上的微小镜子阵列所构成。每一个波长通道都对应着一面镜子，每面镜子有着1个或2个转动轴，从而使得外加电压能够转换成为静电引力。其中一个转动轴的作用是使得光线传播方向发生改变，从而完成分路[2]。另一个转动轴则是为了保证没有光损耗，从而提高系统性能。

MEMS系统的优点是，由于转动角的范围很宽，因此可以完成多端口的交换。同时，通过改变转动轴的转动，每面镜子也可以当做衰减器来使用，从而改变输出信号的耦合效率。而且MEMS系统具有很长的寿命，寿命至少有10亿开关周期。

2.3 DLP

DLP技术最早是用于投影显示设备（如投影机和微型显示器）。与MEMS技术相似的，DLP也是由一个半导体芯片上的微反射镜阵列所构成。不同的是，DLP阵列只有两种可能的角位置。这意味着，在DLP系统中入射光线要么被反射，从而改变射出角度，要么不经过任何改变，直接通过。因此可以认为，在这种情况下，入射光通过一个二维的微镜阵列而被重新定向。而由于微镜的尺寸非常小（约10微米），因此可能多个微镜对应于一个波长。

2.4 LCoS

以 LCoS为基础的交换引擎由一个硅衬底上制备的相位控制的二维液晶阵列。在这里，光交换是通过操纵光束的相位来完成。即通过创建一个到所需的偏转方向的线性（光）相位延迟，从而控制光束的传播方向。这使得 LCoS能够被用来作为相位调制器。在每个波长通道的相位模式，决定了光束的偏转角。

这4种技术的特点被总结在表1中[3]。表中“+”表示，上述的特点是该技术的优势，“-”意味着该技术实现此功能存在技术困难。由于不同的工作环境要求不同的性能指标，因此不能笼统的说那种技术最好，而是要根据实际需求选择最合适的技术。

表1 各WSS技术特点

3 发展方向

目前，大部分的光网络都是环状结构。但在将来，光网络势必也会发展成为网状结构[4]。这就要求ROADM必须要有更高的交换速度，并且能够完成“任何波长”（colorless）、“任何方向”（directionless），“任何竞争”（contentionless）下的光交换（C/D/C）。

任何波长指的是，ROADM 在将来应该能够在任意节点的任意端口添加或删除任意波长的信息，而不是像现在这样需要事先完全配置好每个ROADM 的工作流程，从而提高其灵活性，适应网络的变化。

在未来，如果网络某部分失效，可能还需要改变传输方向。即每个节点都应该拥有非阻塞访问密集波分复用系统（DWDM）的所有网络端口的能力。从而确保确定波长的信号可以在任意2个端口中传输，满足“任何方向”。

此外很多C/D架构都会造成某种程度的波长阻塞。由于需要一个方法从非阻塞架构中区分出阻塞，“任何竞争”（contentionless）的概念被出来了。原则上，分配和交换波长会增加网络的复杂性，但该架构可以减少这个问题所带来的影响。

最后，ROADM 还需要能够满足全光网络对安全性的需求[5-6]。

4 结语

使用ROADM完成光交换的思想已经对光通信的发展做出了巨大的贡献。尽管目前各种 ROADM技术都存在着各自的优缺点，但他们仍然使得静态网络逐渐向着动态网络过渡。伴随着ROADM技术越来越灵活以及C/D/C架构的引进及完善，网络的性能会进一步的提高。毫无疑问，ROADM 技术在光网络和光通信中会起到至关重要的作用。

[1] 刘飞，张晓峰,张秀珍.多路数据光纤传输系统[J].通信技术,2008,41(10)：21-22.

[2] MUHA M,CHIANG B,SCHLEICHER R.MEMS Based Channelized ROADM Platform[J].USA:IEEE,2008: 1-3.

[3] COLBOURNE P,COLLINGS B.ROADM Switching Technologies[J]. USA:IEEE, 2011：1-3.

[4] 梁成升.认识光缆光纤[J].通信技术,2009,42(05):68-70.

[5] 刘欣宇，刘长江，陈颂. 自动交换光网络及其引入策略研究[J]. 信息安全与通信保密，2007(07):55-59.

[6] 戴玲琳，张弛，王文胜. 全光网络的安全技术研究[J].信息安全与通信保密，2010（12）：71-75.