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用于动态可重配置网络的波长管理设备

作者：Arun Agarwal, Ken Garrett, Peter Giernatowicz

    基于波长的网络很可能成为下一代支持宽带数据和多媒体业务的光网络的基础。这些网络与现有网络不同，它们在带宽分配以及动态和远程可重配置性能上能够提供更高的扩展性和灵活性。上述功能可能由网络的光层来提供，从而省去昂贵的光电光（OEO）转换，并保证网络对速率和信号协议完全透明。
要成功实现这种网络，最根本的驱动力来自于能否经济地运营且是否便于管理。为了实现这种网络，必须设计出能提供这些性能和功能的器件，还要保证价格低廉。
典型的动态可重配置波长网络中包含一个具有波长管理功能的光交换核心，在提供和恢复业务时能完成业务路由。光交换核心的大小及可交换波长的数量是可变的，从几个到几百个不等，取决于网络的结构和应用。为了实现动态可重配置以及波长级的业务梳理，各种各样的策略应运而生。
理想的波长管理设备能在输入端终结载有多个波长的光纤，能将任何数量及组合的波长从输入端传到任何输出端，同时具有波长上路／下路性能。为了完成上述任务，要求波长管理设备能实现诸如交换／路由／重新配置、复用／解复用、上路／下路、衰减／均衡、阻断以及转换等功能。光网络中的波长管理方案有如下两种选择：

.OEO交换。将光波长流转换为电数据流，在电层梳理后再转换为光波长流。

.光（OOO）交换。在纯光层进行梳理。有时是指交换过程中不存在光电转换，这个方案对传输数据的速率和信号协议是完全透明的。
在典型的OEO方案中，电交叉连接设备通常与WDM设备以及光转发器相连，保证电交叉连接设备能单独处理波长信道。这种方案的关键优势在于：借助数据分组级的路由就能以更精细的粒度对流量进行梳理。这样网络运营商就能够有效地服务于更多的客户，因为很多客户对带宽的需求并不需要为其分配一个完整的波长。
但是，OEO交换机需要光电转换、处理每一种特定数据格式以及光信号再生的器件，这些器件导致了OEO交换机功耗大、体积也大。由于OEO系统对传输速率和信号格式的依赖性，因此只能提供有限的扩展性，而且必须配置大型的核心交换机，这种交换机通常十分昂贵，因为必须附带交换机所需的复用／解复用器、光转发器以及OEO转换器，而这些设备在组网之初可能并不在预算范围内。
相对OEO方案而言，全光交换技术能缩小体积、降低成本，而且对信号完全透明。用这种技术建立的网络与所用数据的速率及协议无关，也适用于未来的网络。用于全光交换方案的技术正在发展中，目前有些产品已经有样品发布了。
纵观历史，全光交换方案的局限性在于通过系统时光损耗很大，而且只能进行波长级的梳理。下文所述的器件采用了液晶（LC）单元或微机电系统（MEMS）技术，这样对光网络中的波长进行管理时能提供更高的标准和灵活性。

液晶与MEMS技术
通过处理入射LC的光的偏振态就能够实现对LC的控制。在LC上加电压将触发分子反应，从而改变入射光的偏振态。应用这一电光效应可以制成适用于两端口间波长交换的设备，同时／或用于衰减入射光的功率水平。
不同于LC对偏振态的改变，MEMS改变的是波长信道所处的空间位置。加电后MEMS的转镜可以从一个位置移动到另一个位置，从而改变了波长信道所处的空间位置。这一原理与光交叉连接的原理类似，在OXC中光是以物理方式从输入端导向输出端的。
两种方案用于动态波长管理设备都是可行的。LC受限于处理特定偏振态的能力，一般能用的只有两种偏振态，这就限制了LC技术所能支持的端口数量。MEMS技术受限于转镜的倾角。因此LC技术通常只用于双端口交换，而MEMS可以实现多达10端口之间的交换。
本文讨论的波长管理设备的工作原理如图1)所示。用多波长承载的输入数据流经一系列光学组件处理后投射在色散组件上。色散组件将接收到的多波长输入信号分解为单独波长承载的信号，这样LC单元或MEMS芯片就可以对这些单独的波长进行交换、路由以及衰减。这种设计使用了自由空间光学技术，不仅降低了复杂度，还提供了很大的成本优势。这种技术还能提高集成度，进一步缩小尺寸并降低功耗。


(图1)



双端口波长管理设备
双端口波长管理设备能完成波长信道阻断以及信道衰减/均衡等功能。DWDM系统设计者可以利用一个基本的可完全重构的双端口波长管理设备来实现波长选取，该设备包含一个输入端和一个输出端。输入端接收包含N个波长信道的复用信号，信道间隔为50或100GHz。设备工作在C波段（1520-1570nm）和扩展L波段（1570-1620nm）。
双端口波长管理设备可以作为波长阻断器（WB），用法灵活多变；它能以任意次序同时衰减或阻断任意数目的波长。尽管WB不包含上路和下路的端口，但是配合无源功率分离器就可以实现许多种波长分配结构，并且包括了上/下路功能。WB的特性在于它可以独立且并行的处理每一个波长；因此对某一波长进行操作不会影响其它的波长。由于该器件支持远程控制并且能实现完全重新配置，因此可以完成以下功能：

.将输入的复用信号导向相应的输出端，除了插入损耗外没有任何改变。

.阻断任意波长信道或信道组合，然后将剩余的复用信号导向相应的输出端口。

.衰减任意波长信道或信道组合，或对信道进行均衡，然后将剩余的复用信号导向相应的输出端口。
WB可以用作波长阻断器和信道均衡器，这样就省去了复用/解复用器以及每一个波长信道所需的衰减器。WB典型的插入损耗<6dB，远远低于传统方案中13dB的插入损耗。
采用双端口WB实现波长节点的动态配置如图2)所示。在这一方案中，功率分离器分离输入波长流。它把某一个端口连到一排可调或固定接收机上，而让其它端口迅速通过WB，WB则按照应用要求处理不同的波长信道。按照这种方式，WB在重新配置节点方面向系统设计者提供了极大的灵活性，因而可用于远程波长业务的提供及管理。


(图2)


诸如4端口或10端口子系统这样的多端口设备能提供光网络中波长管理所需的附加功能。例如，光上/下路复用器（OADM）通常用来处理光网络中单独的波长通路，进而简化端到端业务。这些设备能帮助省去昂贵的OEO转换并构成可重新配置的网络。4端口波长交换机不仅完成了OADM的功能，还能实现单独信道的衰减。
4端口波长交换机有一个输入端、一个输出端、一个信道下路端以及一个信道上路端。就像WB那样，输入端接收包含N个波长的复用信号，信道间隔为50或100GHz。这种可远程操控并且可完全重构的设备能完成下列功能：

.下路端口能下路任意数量的输入波长信道。

.上路端口能利用下路的波长承载新的数据信号，并复合进其它复用信号中。

.能够对单独的波长信道进行衰减以实现功率均衡。

多端口波长交换
多端口波长交换机（MWS）在全光网络中能为波长的重新配置提供很大的灵活性。一个1×4 MWS能完成波长路由和功率均衡等功能（图3）。在1×4的配置中，从公用输入端进来的任意波长可以交换到任意一个输出端。而在4×1的配置中，来自于4个输入端的波长可以复用为一个单一的均衡输出信号。按照这种方式，设备提供的功能可以等效于一个N信道解复用器、N信道1×4交换机以及4个N信道复用器，其中N为波长数。一个1×4 MWS可以构成完全无阻塞的4×4波长交叉连接器（图4）。这种配置能够提供任意波长从任意输入端到任意输出端的路由，同时完成功率均衡。
尽管能够实现波长路由和交换的全光动态可重配置网络的概念仍在发展中，但是开发设备及器件的努力并不少。对运营商和设备提供商而言，这些网络有巨大的潜力，因为它们能够提供高度有效的业务供给和远程智能控制，还能极大地降低成本。对网络的扩展性、灵活性以及经济地运营网络而言，省去OEO转换至关重要。



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