江俊敏 吴松 周黎明 王家
摘要 OXC是实现全光网络的核心器件。介绍了光交叉连接(OXC)的主要特点和工作原理，并且深入讨论了OXC的基本模块。
关键词 光交叉连接(OXC) 光交叉连接矩阵 波长变换
1、引言
从20世纪后半叶至今，光波通信技术得到了很大的发展，经历了五代光波通信系统。但是从目前光波通信技术的整体水平看，其巨大潜力尚未完全发挥出来，其中的主要障碍是连接节点的电子瓶颈问题。
所以人们就提出了光交叉连接(OXC)这个概念；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(或其各波长信号)可控地连接到输出端的任一光纤(或其各波长)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。
笔者主要讨论了OXC和特点，工作原理及其主要模块。
2、OXC与DXC的比较
OXC与DXC都具有信号复用，信号交换，保护倒换，监控管理等功能，其作用有相同的地方，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速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，交叉总容量可达到petabit/s级别；DXC受电子元件的限制，交叉总容量只达到Gbit/s级别。
3、OXC的结构及其工作原理
如图1所示，OXC主要由输入部分(放大器EDFA，解复用DMUX)，光交叉连接部分(关交叉连接矩阵)，输出部分(波长变换器OYU，均功器，复用器)，控制和管理部分及其分插复用这五大部分组成。
假设图1中输入输出OXC设备的光纤数为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-λN),M条光纤就分解为M*N个单波长光信号。所以信号通过(M*N)*(M*N)的光交叉连接矩阵再控制和管理单元的操作下进行波长配置，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)，所以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还需要经过波长变换器OTU进行波长变换。然后再进入均功器把各波长通道的光信号功率控制在可允许的范围内，防止非均衡增益经EDFA放大导致比较严重的非线性效应。最后光信号经复用器MUX把相应的波长复用到同一光纤中，经EDFA放大到线路所需的功率完成信号的汇接。
4、OXC的基本模块
4.1光交叉连接矩阵
纯光交叉矩阵的OXC仍然处于研发和现场实验阶段，主要问题之一，是尚未有性能价格比好、容量可扩展、稳定可靠的光交换矩阵。光交换矩阵的主要指标是与偏振无关，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、LiNb03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，并且它们不能适合大批量生产，所以不适合用于高速宽带网络节点OXC中；基于LiNb03的交换矩阵,由于对波长较敏感，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，适合于批量生产，但还需要解决插入损耗和光通道隔离度的问题。另外光放大器(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，但是SOA的偏振相关性很大，不容易克服，所以这种光开关也得不到广泛的应用。
近来，一种称为微电子机械开关(MEMS)的新型光开关已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。
现在很多公司对MEMS的光交叉连接矩阵都进行了研制合开发：
(1)朗讯公司已研制了1296*1296端口的MEMS。其单端口传送容量为1.6Tb/s(单纤复用40个信道，每路信道传送40Gb/s信号)，总传送容量达到2.07Petabit/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)OMM公司提出的4*4和8*8光开关，其速率小于10ms。16*16端口的交换时间增加到20ms。其4*4光开关的损耗为3db，而16*16光开关的损耗为7db。目前，OMM正在积极开发三维光开关，实现更大的交叉连接。
(3)Iolon利用MEMS实现光开关的大量自动化生产。该结构开关时间小于5ms。
(4)Xeros基于MEMS微镜技术，设计了能升级到1152*1152的光交叉连接设备，交换时间小于50ms。
4.2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，但它对不同的传输代码格式和比特率不透明。所以OXC中的波长变换器用的是全光变换方式。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)波长变换对调制方式、信号格式完全透明，符合OXC的要求。并且SOA－FWM变换范围大，转换后的频谱是反转的，可以有效地进行传输系统的色散补偿，但是它的转换效率不平坦，随转换带宽增大而下降。
4.3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。
均功器使各波长通道光功率的差异在允许的范围内，防止在经过多个节点的EDFA级联以后对系统造成严重的非线性效应。
控制可管理单元实现OXC设备各功能模块的控制和管理。它有自动保护倒换功能，也能够支持光传送网的端到端的连接指配，动态配置波长路由，快速保护和恢复网络传输业务。
5、结束语
OXC是未来光纤网络中的重要设备，虽然还处于实验阶段，但是日本NEC公司，Bell实验室、NTT、爱立信等国外大公司对它都开展了积极的研究工作，可以预计在未来的几年里将会出现实用化的OXC。
摘自《通信技术》
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