全光网关键技术研究及演进探讨

0引言
随着大数据、云计算、人工智能以及5G 的蓬勃发展，传输网络承载业务数据的各项性能要求不断提高，光传输网向全光网演进是大数据万物互联的必由之路[1]。

这几年ROADM(可重构光分路复用器)的研究日益增多，三大运营商对ROADM 的应用也逐步重视起来。

ROADM 具有强大的光路重构和光层智能调度功能，使传统的点到点光路变为灵活的立体架构光网络，其网络灵活性主要包括以下4种属性及其组合：
(1)波长无关(colorless)：可在任何一个端口上下任何波长业务，仅需软件配置，无需改变端口或重新连纤；
(2)方向无关：任何一个线路方向可在本地下业务，本地业务可以上行至任何线路方向；
(3)竞争无关：不同线路方向同一个波长的业务都可在本地上下；
(4)灵活栅格(flex-grid)：传统上下路通道为固定中心波长和通道间隔，
但是超100G 技术面临新的调制格式和信号波特率，需要灵活地调整通道间隔以实现更有效
作者简介院王璐(1981-),女,甘肃省天水市,高级工程师,学士,数据通信及光网络研究方向。

全光网关键技术研究及演进探讨
Research and Evolution for Key Technologies of All-Optical Network
王璐(中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司,河南郑州450000)
Wang Lu (The 4th of China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.,Ltd,Henan Zhengzhou 450000)
摘要：5G 和互联网时代，新兴业务的发展促使通信网络的带宽持续保持高速增长态势，同时对智能化和灵活性的要求不断增加，由此促进传输网络向全光交换演进。

ROADM 作为全光网最重要的组成部分之一，能够实现基于波长和路由的选择和智能化调度，节约成本、能耗和空间，提高整个网络的配置效率。

该文介绍了光交换网架构的发展历史及技术的演进，对ROADM 技术特点及其核心光器件-WSS 的原理进行详细分析，最后对全光网未来的技术演进趋势进行探讨。

关键词：全光网；ROADM；WSS；LCOS 中图分类号：TN929.1
文献标识码：A
文章编号：1003-0107(2019)09-0003-05
Abstract:In the 5G and Internet era,the development of new services has made the bandwidth of communica-tion networks keep growing at a high speed,while the demand for intelligence and flexibility is increasing,thus promoting the evolution of transmission network to all-optical network.As one of the most important components of all-optical network,ROADM can achieve wavelength-based and Routing-based selection and intelligent scheduling,saving cost,energy consumption and space,and improving the efficiency of the entire network configuration.In this paper,the development history and evolution of optical switching network architecture are introduced.The characteristics of ROADM technology and the principle of WSS,the core optical device,are analyzed in detail.Finally,the future technology evolution trend of all optical network is discussed.Key words:all-optical network;ROADM;WSS;LCOS CLC number:TN929.1
Document code:A
Article ID ：1003-0107(2019)09-0003-05
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2019年第09期(总第390期)
合理的频谱效率。

管理控制平台可以通过灵活栅格技术调整业务通道中心波长和以最小为6.25GHz(不同设备厂商稍有区别，有的设备厂商是以12.5GHz)的整数倍波道间隔。

全光网技术的应用将有效缓解电信运营商的枢纽机房空间、供电等巨大压力，
具有广阔的应用前景[2]。

1ROADM 发展历程
ROADM 节点的上下路业务和直通光信道之间可以进行波长级的交叉调度。

它可以通过控制网元中的ROADM 子系统来远程控制上游和下游波长的配置和调整。

目前，ROADM 发展经历了三代技术：波长阻断器(WB Wavelength Blocker)、平面光波电路(PLC Planar Lig-
htwave Circuits)、波长选择开关(WSS Wavelength Selective Switch)[3]。

第一代ROADM 技术是波长阻断(WB)技术。

其工作原理如图1所示。

该技术使用功率分配器将所有波长的信号分成两束，其中一个束通过WB 模块并传输到下一个ROADM 网络单元，另一束则传到下行支路。

WB 模块的作用是阻断下行的波长。

WB 模块的最常见结构是使用多路复用器-可变光学衰减器(VOA)-多路解复用器结构。

也就是说，每个波长解复用后，用可编程控制的VOA 来根据需要衰减掉下游波长。

剩余的波长由波分复用器复用后发送到下一个网络单元。

WB 只能重建直通波长，
并不能演进到光交叉连接(OXC)。

图1WB-ROADM 原理示意图
第二代ROADM 是基于平面光集成(PLC)的技术。

通过集成波导技术在单个芯片上集成多路解复用器(通常为AWG)，1X2光开关，VOA，多路复用器等。

由于使用1X2或2X2光耦合开光，因此具有二维自由度。

然而，
PLC-ROADM 和WB-ROADM 的许多方面仍然非常相似，都是二维特性，波长和方向都是预先预定好无法重构的。

PLC-ROADM 原理示意图如图2
所示。

图2PLC-ROADM 原理示意图
第三代RAODM 是基于波长选择开关(WSS)技术，WSS 通过衍射光栅将入射光纤中的不同波长在空间上重新编排，微机电系统(MEMS)或LCoS 将不同波长的光信号重新指向或切换，实现光信号的选择或开关，
典型基于WSS 的RAODM 结构示意图如图3所示。

其中，基于LCOS 的WSS 具有可编程性，灵活性高，适用于多维
WSS。

图3WSS-ROADM 原理示意图
另外，近两年N×M WSS 和N×M MCS(多播光开关)也已经成熟并可商用，
使得ROADM 的波长配置更加灵活，可实现方向无关、波长无关、方向无关多种功能，同时ROADM 也支持灵活栅格功能，实现最小6.25GHz 的栅格调整功能[4]。

ROADM 网络使光网络具备了光层面调度和恢复的功能，促进其发展成为光联网，在光传输领域掀起了革新的浪潮。

它在可靠性、扩展性方面具有良好的表现，并且还具有开通快、恢复成本低的优势。

原理上来看，超过20维的WSS 和9维LCOS WSS 是相同的，不过前者提供了更多的端口，因此光学耦合、LCOS 选路控制算法更为复杂。

从理论角度来看，
前者的光学部分菲特(FIT)超过后者10-20%，剔除软件算法这一因素，二者的FIT 值相差不足5%。

统计数据表明，集成20维WSS 的ROADM 上下路板能够连续运行100万小时无故障，其在可靠性方面具有突出的表现，相关技术已经成熟，可以大规模投入到实际用[5]。

2LCOS-WSS
液晶具有晶体特有的各向异性，
即由于液晶的分子结构和取向是有序的，因此其电学和光学特性(例如光的折射率)在不同方向上是不同的。

同时，
液晶具有液体流动性，当外部条件发生变化时，它们的各向异性也会发生显着变化。

当向液晶施加电压时，
分子排列根据电场强度而变化，从而引起液晶折射率的变化。

光在液晶中传播期间，等效光程差改变，引起光信号的相位变化。

从而达到光信号相位调制的目的。

硅基液晶(LCOS)结构如图4所示，将液晶置于两层玻璃基底之间，利用氧化铟锡(ITO)制成透明电极覆盖表面，
使用半导体CMOS 制作驱动面板置于最下层，上镀反射铝薄膜，
通过集成电路控制CMOS 改变像素电极间电压，从而引起液晶像素的变化。

图4硅基液晶(LCOS)结构图
当LCOS 没有施加电压时，LCOS 同一层液晶分子排列基本相同，而施加特定电压后，液晶分子相位会发生偏转，电压恒定时，偏转角度固定，如图5所示。

LCOS 通过改变入射光偏振角度和液晶产生的相位延迟，实现入射光的相位调制。

改变施加于液晶的电压大小，可以改变液晶的偏转角度，从而改变相位延迟。

所以，液晶的功能类似于可控的相位延迟器。

信号光射入液晶时，其行进方向会发生改变，
从而反射光与入射光方向产生一个夹角，夹角的大小与相位延迟及液晶的双折射率对应。

(a)
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(b)
图5液晶分子在外加电压作用下的偏转
基于LCoS的WSS深刻地影响了ROADM系统的设计。

过去基于MEMS的WSS需要提前定义好每个通道的间隔(例如100GHz或者50GHz)，之后无法进行改变。

但是LCoS上的百万级别的像素可以任意改变每个通道的间隔，在超100Gbit/s时代充分利用了频率资源提高频谱效率，开启了灵活栅格的时代。

利用整个LCoS上的几百万乃至更多的像素，可以控制入射光波在整个平面上的相对相位，并且可以制造出成角度的虚拟镜，进行更复杂的相位编程。

图6所示为基于LCoS的WSS结构图，从中我们可以看到其如何实现自身的功能。

具有不同波长通道并且通道间隔不一的光信号从光纤阵列(fiber array)的顶端输入。

衍射光栅(diffraction grating)将光信号按照不同频率分成"彩虹"一般覆盖到LCoS上。

编程将不同的成角度的虚拟镜分配给LCoS的不同区域，使其可以微微改变不同频率的反射角。

衍射光栅随后将这些虚拟镜反射回的不同频率的光重新整合，再经透镜阵列(lens array)聚焦后传回光纤阵列。

哪些频率的信号传回哪根光纤是由编程后的虚拟镜决定的。

并且在反射的过程中，还可以编程改变每个频率信号的通道间隔，实现了超100Gbit/s所需要的灵活栅格。

图6LCOS-WSS结构图
3全光网技术演进
目前，ROADM受限于器件工艺水平，普遍集成度较低。

ROADM的光层板卡通常只能支撑1～2个光处理功能单元，使得ROADM设备占机房空间过大。

线路端口和支路端口的连接完全靠光纤，需要按业务增加逐一手动连接光纤，随着交换维度不断增加，光纤连接越来越多，设备连接越来越复杂，导致原先的连接线路无法重置，资源浪费，错误难以排查，新增方向操作困难，给机房光层运维带来极大的挑战。

因为板卡过多以及尾纤连接问题，即使采用基于LCOS(硅基液晶)技术的ROADM 设备，其安全性也受复杂的设备形态影响。

基于此下一代光交换技术，在满足现有CDCG(方向无关波长无关内容无关灵活栅格)-RODAM基本功能的基础上，将朝着更大维度、更高集成度、更低功耗和简化运维的方向发展。

OXC创造了全光背板，将所有的光路通道全部集中内置到背板中，由此消除外部连纤。

OXC的关键技术是实现端口全mesh互联及高可靠性。

相比CDC-ROADM，OXC线路、支路的交换维度大幅度增加，全光背板采用光丝编织技术来实现光纤通路的小型化、高密集集成。

LCoS技术的应用实现了WSS器件的小型化，同时结合光器件集成技术，使得OXC在1个槽位线路板上集成了包括2块OAU单板、2块FIU单板、1块OSC单板、1块OPM单板以及DWSS器件，整体集成度提升7倍以上，因此可以实现单框"P"bit/s以上的交换容量。

支路侧引入M伊N WSS替代传统MCS模块，大幅降低分光带来的损耗，使得能够支持全波长全方向上下波，并省去了光放，降低了功耗，并且提高了设备的可靠性。

未来，全光网实现到城域边缘，以发挥全光网技术的优势，还有一些技术问题还需要持续发展。

首先中国幅员辽阔，人口众多，各行业业务需求量大，无电中继技术及超100G技术还需要进一步研究以降低网络建设投资成本；其次ROADM需要实现低成本更高维度的CDCG端到端无波长竞争的波长调度，按业务需求灵活配置板卡，实现灵活的多方向业务调度，简化网络规划与运维。

最后通过WSON实现网络端到端业务动态恢复的基础上，进一步对SDN和ROADM的结合进行深度研究，适时引入管控平面SDN，促进网络更加智能化、简洁化。

4结束语
随着人工智能人以及5G的快速落地发展，网络以DC化、智能化组网的趋势不可逆转，数据业务驱动下的光传输网正在发生深刻的变化。

ROADM给光传输网带来前所未有的灵活度，不仅为无人工干预的快速可靠部署提供了硬件基础，更能按需分配最大化网络中光纤资源的利用，
而光器件决定着网络承载最底层的性能。

本
3.2爬电距离计算
影响爬电距离限值的因素有有效值工作电压、材料组别、污染等级、绝缘类型等。

按照标准的要求，该样品的爬电距离计算步骤如下。

(1)确定工作电压有效值，污染等级和材料组别，样品中相关参数均已明确给出。

样品的工作电压有效值为263Vrms，污染等级为2，材料组别为Ⅲb组。

注意按照标准要求，如果不知道材料的组别，应当假定材料组别为Ⅲb组。

(2)利用第一步确定的相关信息查阅标准表2N确定爬电距离限值。

样品测得工作电压有效值为263V，大于额定电压值，直接将此值带入表2N查询，此工作电压有效值介于表中指定的两个工作电压值(250V和320V)之间，此时可利用线性内插法计算出所需要的爬电距离。

该样品的计算如下：查表2N可知250V需要的爬电距离为2.5mm，320V需要的爬电距离为3.2mm，已知：点(250V，2.5mm)、点(320V，23.2mm)，利用两点式方程求点(263V，Cr)中的Cr，即为263V时所需的爬电距离为：Cr=(3.2-2.5)/(320-250)×(263-250)+2.5=2.63mm(1)
根据表2N的注释，加强绝缘的数值时表中数值的两倍，并且应当将基本绝缘的计算值加倍后再进位，因而此样品的最小爬电距离=(基本绝缘需要的爬电距离)×2=2.63×2=5.23mm，进位后为5.3mm。

结论：该样品的电气间隙最小值为4.8mm，爬电距离最小值为5.3mm。

4结语
电气间隙和爬电距离限值的计算因素众多，其中最为关键的是工作电压的正确测量。

在进行工作电压测量时样品应在正常工作条件下(额定电压、满载)，对设备和样品进行正确的接地和隔离电源，选择合适的示波器采用差分探头直接测量或双探头"准差分"测量后取最大值。

在计算过程中要按照标准GB4943.1-2011的要求选取正确的限值，如：①在计算电气间隙时，如果峰值工作电压大于电源电压峰值，则应是查表2K与表2L的值求和；②在计算爬电距离时，如果"当一次电路中任一点与地之间以及一次电路中任一点与二次电路之间的工作电压应当假定是下述的较大者：额定电压或额定电压范围的上限电压或测得的电压[1]"；③如果最小爬电距离小于对应的最小电气间隙，则应该采用所查得的该电气间隙值作为最小爬电距离的数值。

只有这样才能保证设计的产品符合安全标准要求，从而避免设计缺陷带来的安全隐患和经济损失。

参考文献：
[1]GB4943.1-2011.信息技术设备安全第1部分：通用要求[S].
[2]王卓立,吴文辉,谢曾平,等.关于电气间隙和爬电距离要求的研究[J].日用电器,2018,(8):108-110.
[3]杨璐,刘伟,李娟.GB4943中工作电压测试的分析[J].电信网技术,2012,(12):57-60.
文在介绍了ROADM技术发展基础上，阐述了ROADM 核心光器件的原理，并提出了ROADM向全光交叉技术演进的趋势。

未来光传输网络将是向以OXC演进的极简全光网，提供大带宽、低时延、高可靠承载，并实现业务快速开通、光层一跳直达、自动化、智能化的高效运维。

参考文献：
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