光子集成和核心光传送网设备演进(下)

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        集成技术造就低成本宽带光电转换器件
　　现在不仿看看电子系统的演进。过去电子系统的基本电路采用采用分立器件如电阻、电容、电感等。分立器件有什么问题呢？成本较高，比较容易失效，因为器件的数量比较多，系统体积较大，功耗也大。而一块很小集成电路（IC）芯片，将分立电子器件集成在一起。IC 出现以后解决了以前基于分立器件系统相关的成本、体积、功率、功耗以及可靠性等问题，IC 成为电子行业以及其他相关行业的核心支撑产业，在IC 发展中出现了著名的摩尔定律。引入IC 后的另一个标志性变化，电子系统从模拟转向数字，从而支持更多的新型应用，比如笔记本电脑、手机等等。数字意味着智能化、可管理性、可靠性等等。计算机处理数据必须基于数字的方式，语音、图象正在从模拟转向数字，对于传输带宽，同样希望它转向数字的带宽管理。总之，集成有两大好处：1）低成本高性能的器件；2）新的系统应用。
　　IC 发展规律对光器件的发展会有如何启示呢？目前常规的WDM 系统就是通过分立的光器件构造，显然存在同样的问题，包括成本、失效性、体积等，而且光纤连接头也很多。系统硬件成本的大部分体现在封装上。集成就为光器件成本降低提供了一个思路，对于器件而言就是将各种功能的光器件的芯片水平上实现互连，最后再实现封装，这样一来，因为封装的减少，成本大大降低。集成在这里并非指单个波长而言，因为各种光器件芯片的材料不同，芯片集成在一起并非易事。此外，就整个系统而言，单波长集成的成本改善空间不大。
　　多波长分立器件集成这一思路就是把多个波长的分立光器件集成在一起。举个例子，100G的传输本来需要采用10 个波长的OTU，涉及10 个激光器、10 个调制器、10 个波长锁定器、10 个接收器件，还有分合波器。如果把10 个波的发射和光合波器做到一起，或者将10 个波的接收和光分波器集成到一起，其中的好处就是光纤封装数量和跳线数量明显减少，成本和体积也明显降低。Infinera 的PIC 芯片就是采用这一模式。
　　实现上述的想法并不简单。把有源器件和无源器件集成在一起，即所谓光电混合集成（OEIC）问题，是集成光学界长期希望解决的问题。因为有源器件如激光器材料，调制器以及复用器的材料都不相同，如激光器一般采用GaAs 或InP 作为衬底材料，而阵列波导光栅（AWG）一般采用Si/SiO2 作为衬底材料。
　　实现低成本光电转换是治愈解决光网络痼疾的良药
　　如果把10 个波的发射和光复用器做到一起，或者将10 个波的接收和光解复用器集成到一起，对系统设备有何影响呢？首先，容量升级的模式改变了，一次升级100G；第二，光复用模式发生变化，过去40 波一次集中复用/解复用的模式发生改变，即出现二次波段复用概念。如果光集成技术带来的变化仅限于上述两点的话，其影响还谈不上对设备型态产生跳跃式。为了了解这技术或器件对系统设备的深刻影响，我们先从光和电的特点谈起。用WDM 之父厉鼎毅先生的话说：光最大的优势就是在光纤中的容量优势，这是其他方式如同轴电缆或微波通信无法比拟的，而WDM 技术恰好充分挖掘了这一技术优势。与电子器件优异的信息处理功能相比，由于缺少相应的逻辑器件和存储器件，光在信息处理上就相形见绌了。
　　从网络应用角度，光传送网无非需要解决三个基本问题：第一是传输能力，即点对点的传输能力，WDM 技术在这点上优势明显；其次是交换能力，即业务疏理和业务上下能力，或者说带宽管理能力；其三是智能化，解决端对端业务配置以及光层的生存性。体现在网络解决方案上，这种能力综合在一起就是所谓节点技术或节点解决方案。目前，需要至少2 种以上的设备来完成节点的业务调度。现在我国绝大部分的省际传送网都是采用WDM设备+基于SDH 的DCS 设备或中继OTU 的方式：传输采用WDM 实现节点之间的传送，基于VC-4 的交叉来完成业务调度和保护。如果需要考虑智能特性，则需要采用所谓ASON设备来替代DCS 设备，确切的说，基于SDH 的ASON 设备，其业务交叉颗粒度还是155M。对于IP 业务，其颗粒度至少在2.5G 以上，显然这种解决方案存在天然缺陷。而且，由于在光层没有恢复功能，WDM 组网问题还是光网络长期未能治愈的痼疾。相比之下，SDH却是完善的网络解决技术，其中的关键是其节点采用数字节点技术，传输完成后完全进行光电转换，在电域完成业务调度后，在回到光域传输。所以要解决WDM 的组网问题，还是要采用数字节点技术，即在电域进行数字带宽管理。而实现这一点，低成本的宽带OEO 转换器件就十分关键，因为如果采用基于单个波长的OTU 技术，其成本无法接受。
　　图2 很形象给出如何基于光集成技术定义一种新的设备型态，一种全新网络解决方案。光子集成技术的直接产物是低成本多波长OEO 转换器件，这就是实现WDM 数字节点的基础。对于传输能力来说，首先WDM 传输需要OTU 成本明显降低，而且由于数字节点之间的光链路没有关联，光链路设计非常简单。此外，每个节点都采用FEC 技术，光传输能力有8~9dB 提高。由于采用G.709 定义的帧格式，实现多业务透明传送，特别解决10GELAN PHY 和40G 的业务乃至100GE 业务传送。对于交换能力来讲，由于板卡内置基于ODU1（2.5G）颗粒的交叉矩阵，从而实现灵活业务调度和完全没有阻塞的数字业务上下，以及性能监控。从智能化角度，似乎控制平面的引入和OEO 转换没有直接关联。其实不尽然，如果采用光节点的模式，光路由的重新选取会因为光链路设计涉及大量模拟光参数和光器件的复杂性而无法实现，而数字节点把光链路的复杂度降至最低。也是WDM 组网实现智能化的关键。此外，每一个子架所能支持的业务端口数会有2~4 倍的增加，数字带宽管理会非常方便，客户在安装、规划和使用智能数字光网络设备的时候节省时间达到75％以上，由于光纤连接头数目明显降低，系统失效率也会降低97％以上。



　　这种新的设备集成传输，交换和智能功能，智能数字光网络解决方案可谓彻底治愈了光网络痼疾。其中光子集成技术是关键，不仅是因为集成器件体积减少，更是因为可以实现低技术白皮书：光子集成技术和核心光传送网设备演进成本的宽带光电转换器件。这时光器件对设备的影响可谓跳跃式或革命式的。
　　需要指出的是，光子集成器件只是实现智能数字光网络这种新的设备型态的硬件基础，而业务，业界大环境，运营成本以及技术因素都会决定这一新的设备型态是否真正具有生命力，而非昙花一现。
　　从技术角度，40G 的传输无论是在光层还是电层都是接近极限，虽然可以实现但是对光纤要求，系统设计的复杂度都上了一个台阶。此外。40G 的POS 口的价格令人却步。这两点，决定了在未来相当长的时间内，10G 传输会成为主流技术。从业界大环境，决策者在经历光通信泡沫后，更加理性和实用，这也进一步延续10G 技术的应用时间。由于采用数字交换，线路侧和客户侧的关联被打破，这样一来，线路侧的容量可以低成本的方式预先放置，即所谓批发电路概念，从而满足未来对大容量的需求；而对于客户侧，业务需求的突发性加大，而对于具体的业务的不可性增加，同时对业务开通速度明显提高，以提高竞争力，也就是说在降低初期建设成本和运营成本。从业务角度，在要求对业务透明的同时，需要光传送网更好地支持IP 业务。而路由器的端口速率虽然以10G 为主流，而是40G甚至100GE 的端口也将出现，显然，利用多个10G 来传送更高速率的所谓“超波长”业务就不可避免。以Infinera 的智能数字光网络为例，恰好顺应上述种种要求，回到文中引言提到的Infinera 市场成功就很容易理解了。
　　结束语：智能数字光网络提供另一种网络演进方式
　　对于传统WDM 网络而言，“超长距离（ULH）传输技术+基于ROADM 的光节点技术+ASON on SDH智能化”已经成为业界认可的一种演进模式。ULH 是一种传输技术，更准确地说点对点的传送能力。但是它未必意味着一种好的组网技术，尤其是在网络拓朴不为线性的情况下。因为ULH 意味着更多的光节点处于关联状态，需要更精准的设计光链路，所以在重新配置光路由时，情况会更加复杂。ROADM 本质上是一个光开关，其目的是灵活调度上下波长。除了ROADM 本身的成本是和其成本相关，而且由于是在光层操作，一旦某个波长占用，仍然回出现拥塞问题。而且上下的波长还是需要在电层进行子波长业务处理。ASON 的实质是引入控制平面，但是目前业界谈论的都是基于SDH 的ASON 设备。如果保留传统的WDM+SDH 的多种设备叠加的组网模式，毫无疑问，“ULH 传输技术+基于ROADM 的光节点技术+ASON 智能化”是网络演进的选择。
　　智能数字光网络的定位则不相同，其主要的模式是以数字节点为基础，采用“数字链路+数字业务上下+ASON on OTN/WDM 智能化”, 采用一款设备就彻底解决WDM 的组网问题。如图5 所示，数字节点分3 个层面：底层光层采用OTN/WDM 技术实现传输，中间在电层实现业务疏理，最上面是客户端的光接口。这也是智能数字光网络对IP over Optical 的解读。
　　器件从分立走向集成，成为一种必然发展趋势，系统从模拟转向数字。电子器件上的成功已经很能说明问题。在光通信领域, 光子集成技术也在创造跳跃性的革命，光子集成会让光网络从模拟光节点转向数字节点，同时也创立一种新的网络演进模式。