光交叉连接设备

12.4.1　光交叉连接设备

随着数据业务量的激增，要求传送网必须能支持多信道、高容量、可配置、智能型的网络业务应用。光传送网在采用波分复用（WDM）技术之后，具有基本的在光层直接交叉组网的能力，而现代业务应用要求自动交换光网络（ASON）。实现ASON网络的核心技术是光交叉连接设备（OXC），通过OXC在光网络中实现光信道的智能建立，在不需要人为管理和控制的作用下，依据控制面的功能，按照用户的请求自动建立一条符合用户需求的光信道。

1）OXC的组织结构

OXC的基本结构如图12.17所示，主要由输入部分（放大器EDFA，解复用DMUX），光交叉连接部分（光交叉连接矩阵），输出部分（波长变换器OUT，军功器，复用器），控制和管理部分及分插复用5部分组成。

图12.17　OXC基本结构图

在骨干传送网中，光交叉连接设备相当于一个模块，它具有多个标准的光纤接口，它可以把输入端的任一光纤信号（或波长信号）可控地连接到输出端的任一光纤（或波长）中去，并且这一过程是完全在光域中进行的。通过使用光交叉连接设备，可以有效地解决现有的数字交叉连接（DXC）设备的电子瓶颈问题。

OXC具有信号复用、信号交换、光路保护倒换、监控管理等功能，其作用类似于DXC设备，但是OXC具有更高的技术水平。

（1）OXC和DXC主要的差别是OXC将交叉连接和分插复用从电信号形式上升到以直接光信号形式进行。

（2）OXC具有透明的传输代码格式和比特率，可以对不同传输代码格式和不同比特率等级的信号进行交叉连接。而DXC针对不同的传输代码格式和比特率需要不同型号的DXC设备。

（3）OXC交叉容量大，交叉总容量可以达到拍比特每秒（Petabit/s）级别；DXC受电子元件的限制，交叉总容量只能达到吉比特每秒（Gbit/s）级别。

2）OXC的基本功能模块

（1）光交叉连接矩阵

光交叉连接矩阵在空盒子和管理模块的操纵下，为不同的光纤接口提供相同波长的通路连接功能。实现光交叉连接矩阵的主要指标是，要求与偏振无关，光通道隔离度大，插入损耗小，通道损耗小，通道均匀性好，多波长操作能力好。

目前有许多方法来实现光交叉连接。有传统的光机械开关、LiNbO3开关、InP开关、半导体光放大器（SOA）开关等。光机械开关可靠性好，但开关速度太慢，并且不适合大批量生产，所以不适合用于高速宽带网络节点OXC中。基于LiNbO3的交换矩阵，由于对波长比较敏感，损耗偏高，所以也不是很理想。基于InP的集成数字光开关矩阵，对偏振状态不敏感，可靠性好，适合大批量生产，但需要解决插入损耗和光通道隔离度的问题。半导体光放大器（SOA）开关虽然可以对信号进行放大以补偿分波/合波的损耗，具有很宽的光带宽，但SOA的偏振相关性很大，不容易克服，所以也未得到广泛应用。

另一种称为微电子机械开关（MEMS）的新型光开关已经显示出了远大的发展前途。以MEMS为基础制造出来的光开关是无源开关，与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振作用、传输方向等均无关，同时在进行光处理过程中不需要经过光/电或电/光转换，可直接在光域中进行。当前，采用MEMS光开关构成光交叉连接矩阵可具有1296×1296端口，其但端口传送容量为1.6Tbit/s（单光纤复用40个波长信道，每波长信道传送40Gbit/s信号），总传送容量达到2.07Pbit/s（1.6×1296＝2070Tbit/s）。具有严格无阻塞特性，介入损耗为5.1dB，串扰（最坏情况）为－38dB。使光开关的交换总容量达到新的数量级。

（2）波长变换器

波长变换器可以将信号从一个波长转换到另一个波长上，实现波域的交换。目前有两种基本的方式：光电混合方式和全光方式。光电混合方式在功率、信号再生、波长和偏振敏感性等方面性能优良，但是它对不同的传输代码格式和比特率不透明，所以在OXC中的波长变换器采用全光变换方式。现在正在研究的全光波长变换技术，根据其所采用的基本物理原理可以分为：交叉增益调制型、交叉相位调制型、四波混频效应和差频效应等，利用的元器件主要是半导体光放大器（SOA）。但是只有SOA－FWM（基于SOA的四波混频效应）波长变换技术对调制方式、信号格式完全透明，符合OXC的要求。

（3）其他模块

在OXC设备中，掺铒光纤放大器（EDFA）的作用是有效补偿线路损耗和节点内部损耗，延长传输距离。EDFA具有宽频带，对调制方式和传输码率透明等特点。

军功器使各波长通道的光功率差异在允许的范围内，防止在经过多个节点的EDFA级联后对系统造成严重的非线性效应。

控制和管理单元实现OXC设备各功能模块的控制和管理，它具有自动保护倒换功能，能够支持光传送网的端到端连接指配，动态配置波长路由，快速保护和恢复网络传输业务。

3）OXC的工作原理

在图12.17的OXC基本结构中，假设输入输出光纤数为M，每条光纤复用N个波长。这些波分复用光信号首先进入放大器EDFA进行放大，然后经解复用器DMUX把每一条光纤中的复用光信号分解为单波长信号（λ₁～λ_N），M条光纤就分解为M×N个单波长光信号。

经过分解的M×N个单波长光信号分别连接到（M×N）×（M×N）的光交叉连接矩阵的对应端口上，在控制和管理单元的操作下进行波长配置，完成光波长交叉连接。由于每条光纤不能同时传输两个相同波长的信号（即波长争用），为了防止出现这种情况，实现无阻塞交叉连接，在连接矩阵的输出端每波长通道光信号功率控制在许可范围内，防止非均衡增益经EDFA放大引起的非线性效应。最后，多个光波长信号通过复用器MUX复用到同一光纤中，经EDFA放大到线路所需的功率后送至外线传输。

光交叉连接设备是构成自动交换光网络（ASON）的核心设备，通常ASON由3个平面组成，分别完成不同的功能。同传统网络类似，传送层仍然负责业务的传送，但是这时传送层的动作却是在管理面和控制面的作用之下进行的。控制面和管理面都能对传送层的资源进行操作。这些操作动作是通过传送面与控制面和管理面直接的接口来完成的。

在ASON中，连接不再是全部由管理面控制来实现的一成不变的固定连接，可以根据用户的需求，利用信令或者控制消息，自动地在光域为不同用户实时建立多种不同模式的连接。这里，通过OXC可实现的连接被分为3种类型：它们分别是交互式连接，永久连接和软永久性连接。这3种连接的不同之处就在于对连接建立起主控作用的部件不同：

（1）永久性连接的发起和维护都是由管理面来完成的，并且传送面中为具体业务建立通道的路由消息和信令消息都是由管理面发出的，控制面在永久性连接中并不起作用。

（2）与永久性连接相反的是交换式连接，这种连接的发起和维护都是由控制面来完成的，控制面通过用户网络接口接收用户送来的传送请求并进行相关处理，随后在传送面为这个用户请求建立一条指定的可满足用户需求的光通道，并且把连接建立的结果报告给管理面。管理面在这种连接的建立过程中并不直接起作用，它只是接收从控制面传来的连接建立的消息。

（3）介于两者之间的是软永久性连接，这种连接的建立、拆除请求由管理面发出，但是对传送面具体资源的配置和控制动作则是由控制面发出的指令来完成的。