光子集成和核心光传送网设备演进(上)

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        主要观点
　　本文以光器件技术为视角，分析构建核心光传送网的光传输设备的演进, 重点分析现有WDM 设备的演进规律。多波长宽带光器件的经济性往往会对设备型态的演进产生深刻影响,并可能导致新的设备型态产生。基于光子集成技术的多波长收发模块出现以后,业界出现了智能数字光网络这一种新的设备型态，其中汇集了传输，交换和智能化功能。与常规WDM 设备相比呈现跳跃式演进，同时也提供另外一种光传送网演进方案。
　　引言：Infinera 引发业界思考
　　2000 年光通信泡沫以后，光网络经历了几年的低谷期。近年来，随着宽带业务的高速发展，光网络已经呈现稳定发展趋势。分析通信网络架构，如图0 所示，重叠模型即业务网和传送网分离的结构已成为业界共识。总的趋势是，光传送网向增大容量，支持多业务，增强网络智能等方向发展。在传送网内部，扁平化的要求日趋明显, 光层直接承载IP（IPover Optical）已经成为必然趋势。从业务角度，数据业务特别是IP 业务将成为主宰业务,如何建设面向IP 业务的核心传送网对运营商就十分关键。一方面，由于大容量的业务需求，密集波分复用(DWDM)技术是光层必然的选择；而另一方面，DWDM 技术还不是一种像SDH 那样完善整的组网技术。光层如何直接承载IP 业务，业界还没有一个清晰的看法。



　　光传送网的一词的结构本身就已说明技术、业务和商业要素是如何相关的。回顾历史，从的数字同步体系（SDH）设备到WDM 设备, 从多业务传送平台（MSTP）设备到未来的自动交换光网络（ASON）设备, 传输设备型态的演进体现了核心光传送网的演进。设备型态及其生命力实际上体现了许多因素的综合结果，其中包括现有设备型态，新技术，器件，业务驱动，行业标准的成熟度，市场需求以及当时业界环境等。比如，MSTP 设备的出现是由于数据业务的推动, DWDM 设备的出现主要因为技术创新以及核心宽带光器件光放大器的出现。任何因素的影响可以分为两大类：渐进式影响和跳跃式影响。前者对设备型态的影响是一种改良，比如降低成本和增加一些特性，并不会影响大局。而后者的意义是跳跃式的，很可能会改变格局，英文有个词disruptive impact 很准确地描述这一意思。早期，光器件曾对设备型态产生重大影响。也就是说，一种新的器件往往会导致光传输设备跳跃式演进。
　　回到2005 年全球光网络市场，当美国著名的咨询公司Dell’Oro 给出该年全球长途WDM市场新部署容量的市场份额时，所有业界关注的人都惊呆了，排在榜首是过去明不见经传的Infinera。2006 年Infinera 在市场上的优势还在不断扩大，并进一步延续到城域DWDM市场。与业界大多数厂家的方案不同， Infinera 推出的是一种独特的设备型态-智能数字光网络， 其中核心器件多波长光收发模块采用业界目前独一无二的光子集成（PIC）技术。值得一提的是，2006 年9 月，3 位Infinera 工程师因为在PIC 技术的贡献获得 2006IEEE Aron Kressel 大奖 。Infinera 于2001 年诞生，2004 年底部署第一台商用设备，在短短2 年多的时间里在市场上取得了巨大成功，整个业界都在思考是什么因素决定了这一成绩。本文目的不是详细介绍智能数字光网络产品，而是以光器件为视角，来分析光器件对核心核心传送网设备型态演进的影响，甚至组网模式的演进的影响。
　　历史回顾：光器件对光传输设备型态的影响
　　如图1 所示，给出底层光传输设备的演进历史。自20 世纪70 年代后期以来，以发光二极管（LED）和多模光纤（MMF）的引入为序幕，新型光器件在长途有线传输系统的演进过程中扮演了重要角色，而且光器件自此一直是核心促进因素。以MMF 形式的玻璃作为传输媒介，通过有光和无光来实现数据编码，如图1b 所示，单信道容量在45～90 Mbit/s之间，传输距离约为10km。此前，和无线传输一样，数字通信完全是电子领域的事情，同轴电缆所允许的最大传输速率不过565Mbit/s，相应的再生器间距为1km，如图1a 所示。到了20 世纪80 年代中后期，单模光纤（SMF）和注入式激光器就可让565Mbit/s～2.5Gbit/s速率的无中继传输距离超过100km。光纤和光电发射机/接收机替代电缆之后，在20 世纪90 年代初光纤通信领域的另一个杰作即实用光放大器（OA）问世了，如图7.1c 所示。采用掺铒光纤放大器（EDFA）避免了频繁的电再生。EDFA 如此见效以至于无电再生的传输距离不再受限于传输光纤的光学损耗。此时，脉冲色散和激光啁啾成为限制因素。这种状况反过来推动基于外调制的更精细发射机的开发和应用。利用OA 和铌酸锂外调制器，2.5Gbit/s和10Gbit/s 信号在标准光纤(SMF)和色散位移光纤（DSF）中的传输距离可达到1 000km。
　　紧跟EDFA 和变换极限发射机之后，商用DWDM 系统于20 世纪90 年代中期革命性和突破性地投入使用，如图1d 所示。DWDM 系统将多个光学信号结合或复用成一组，在一根光纤中同时放大和传送，并且在接收端分离或解复用出每个波长信道。与电子复用/解复用器（MUX/DEMUX）相似，DWDM 这种提高系统容量的方法归功于光波导技术即集成光学的发展，从而促使解复用的波长信道间隔很小且串扰很低。波长数目的显著增加还归功于EDFA 技术和光学滤波器技术。宽带光放大技术和DWDM 技术的结合对光纤通信带来了革命性的影响，它不但显著提高系统容量，还大幅度降低成本。这是因为有了DWDM 技术单个光放大器可同时放大单纤上的所有波长信道，和没有光放大器的系统相比，电中继器的间距也翻了几番。



　　从图1a~c 可以看出，从激光器，光纤，接收机到光放大器的出现，每一次光器件的成熟和推出，都对传输设备型态产生重要影响。如果说基于单波长的光传输的SDH 设备是光通信的第一个里程碑的话，WDM 设备的出现就是另外一个里程碑。后者更加依赖于宽带器件如光放大器和光复用器的出现，其中宽带多波长光器件的经济性起了决定性影响。
　　DWDM 实际上提供了一种更经济的方案来提高传输容量，而无需升级现有光纤或终端设备，从而避免更高时分复用（TDM）速率的信号因色散而劣化。同时DWDM 可以赋予单根光纤许多信道，因此为网络内任一部分的扩容提供了灵活性光层。为了应对业务增长，网络提供商部署这样的DWDM 系统：单根光纤可同时传输多个信道，其中每个波长将2.5Gbit/s或10Gbit/s 的SDH 信号无中继传送700km。1995 年开始引入市场的第一代DWDM 系统能够同时传输2～16 个波长信道，当今商用系统可以让160 个10Gbit/s 信道的无中继距离达到几千千米。
　　早期的DWDM 线路系统直接在电子终端之间传送光信号，即在线路中间没有波长接入的点对点结构。然而到了20 世纪90 年代后期，OA、MUX/DeMUX、滤波器、信号监控和光技术白皮书：光子集成技术和核心光传送网设备演进纤技术的发展使得DWDM 容量可以扩展到40～120 个波长，对于2.5～10Gbit/s 的速率，传输距离延伸到1 000km。这样，主要节点之间就需要具备光学容量的接入能力。如图7.1e 所示，在终端节点之间的站点引入了线性光学分/插复用器（OADM）以便实现中间接入功能。最初引入的OADM 是静态的，在安装时由人工完成配置。现在，数字传送中的光学技术又往前迈进了一步，可以实现自动灵活的可重构光学分/插复用器（ROADM）。ROADM 使得网络运营商可以在远程指配添加和删除单个波长。这种网络特性需要光开关具备远程可编程的重构能力。
　　总之，技术和器件是实现设备型态的硬件基础，新的光器件的出现可能会直接导致新的设备型态，也可能仅仅是改良老的设备型态。ROADM 只是一定增加了WDM 设备在波长调度的灵活度，总体上还是沿用传统WDM 型态的思路。
　　常规DWDM 设备型态分析
　　WDM 这一概念早在20 世纪70 年代就已经出现,但等到1996 年才出现商用DWDM 设备,归功于新型光器件带来的经济性,其中商用EDFA 的出现至关重要。EDFA 从本质上就是一种面向宽带的经济廉价的器件,可以对多个波长同时放大。放大器的成本均摊在每个波长上就比对每个波长进行再生,即基于每个信道的光电光(OEO)的再生器成本明显降低。
　　目前DWDM 设备的型态基本采用图1d 给出的模型:发送单元包括光转发单元(OTU)+光复用器(OMUX)+后置光放（OA）；在线单元:光纤跨段+在线放大(OA)+色散补偿模块（DCM）；接收单元:前置放放(OA)+ 光解复用器(ODeMUX)+ 光转发单元(OTU)。这一设备型态主要特点如下:基本采用分立光器件构建系统,以光模块为基本单元，光模块之间以尾纤形式连接。这样一来，在WDM 设备中存在大量光纤跳线；传送信道以波长为标签,光波长成为重要参数；采用一次完全复用/解复用模式；系统容量以单个波长为基本单位通过添加OTU 逐次升级。典型的WDM 系统除了OTU 外,基本采用面向多波长的宽带器件如光复用/解复用器件，OA 和DCM,对于多个波长而言，成本比例较低。这样一来，完成OEO 转换功能的OTU 成为WDM 系统硬件成本的主要贡献者。造成这种局面的根本原因就是基于单波长的系统升级方式，更深一层来讲，缺少面向多波长的宽带收发光器件，下面来分析其中的原因。
　　从1996 年以来，传统WDM 系统这一设备型态在10 年内基本没有太大的变化。系统容量存在两条演进思路：增加波数和提高单波长速率。一方面，波数从早期的8 波，16 波到32波和40 波，以及后来的80 波和160 波系统；另一方面，单波长速率从2.5G 到10G 以及到未来40G。在1996 年到2001 年，两条路线始终贯侧在系统容量演进当中。从现象上看，系统由从2.5G 过渡到10G 系统的时间很短，10G 系统出现时2.5G 系统的实际部署的波长数还不超过10 个波长。这一奇怪现象的真正起因并非因为10G 系统比2.5G 系统性价比更高，也不是因为市场认为10G 系统的市场非上不可。当时全球对光通信产业的过度投资，造成所谓的光通信泡沫，使得从2.5G WDM 系统向10G WDM 系统过度并没有考虑市场需求和投资回报。北电就是靠10G 设备而异军突起突起，恰好得益于当时特定历史环境。如果不是因为通信泡沫的突然破灭，40G 的商用设备早已出现。实际上当时40G 系统也已经提到议事日程上，尽管在技术上还有不少瓶颈需要突破。如果不是因为信道速率提高这一思路的不断“搅和”，传统WDM 的设备型态有可能发生变化，当时就有声音在比较4 个2.5G波长和1 个10G 波长的经济成本的优劣性，但是那时人们似乎更加关注信道速率的提升，比如10G 系统何时转向的40G 系统。特定的历史背景决定了为何WDM 设备型态始终沿用单波长升级这一模式，WDM 设备型态在10 年中没有重大变化的原因。
　　从网络应用角度，点对点WDM 设备目前对于光传送网的实质就是以波长为标记的”虚光纤”的概念.其首要功能在于充分利用光纤在容量上的巨大潜力,节省光纤资源。对于需要业务上下网络节点,仍然需要电交换设备来处理,比如目前核心传送网采用点对点WDM 环网+核心节点采用DXC 设备的模式,来实现交换功能。对于穿透波长，则采用中继OTU 的方式。也就是说，需要额外的交换设备来完成业务疏理和调度。所以DWDM 技术还是点对点的传输技术，而非组网技术，因为节点的交换技术还没有较好的解决方案，同时光层缺少保护以及性能监控机制。WDM 组网问题始终是光传送网痼疾。而OTN 标准就是期望WDM 能象SDH那样解决组网问题，实现OTN 理想的关键问题之一就是光电转换的成本即OTU 的成本能否降低。
　　OTU 价格不菲的原因就在于采用多个分立光器件如激光器，调制器和探测器等，由于光器件的连接模式基本采用光纤连接方式，芯片之间没有直接连接。光器件成本来源可以初步分为芯片成本和封装成本，其中芯片成本只是封装成本的1/5~1/7。从整个产业链来看，器件行业的在泡沫破灭后，在大规模的整合和兼并之后，主要器件厂商都把器件生产基地移到中国和其它亚洲国家。就目前的产量来看，单波长的OTU 降低成本的空间不大。