光交换几种设备：OXC、OADM和ROADM

一、OXC的原理及应用
1.1 光交叉连接设备（Optical Cross Connextion，OXC）

根据参考文献[1]，最新的OXC设备如图1所示，S、C和L波段可以任意切换。

OXC主要由输入单元(放大器EDFA，解复用DMUX)，光交叉连接部分(关交叉连接矩阵)，输出单元(波长变换器OTU，均功器，复用器)，控制和管理单元及其分插复用这五大部分组成。如图：

光信号在经过放大，解复用后散开，成为单独波长的光波，进入交换矩阵进行交换，随后变换波长并均功后重新复用输出。同时，也可以复用在IP网络和SDH链路上。注意此时的输出光信号已经和输入的光信号无论是用户还是波长均已发生变化。这里，波长变化是为了解决在同一路光纤中无法复用波长相同的两路光波而设计的。均功器则是为了保证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。

OXC的主要模块：

（1）光交叉矩阵。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。

（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。

（3）掺铒光纤放大器。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。

（4）功率均衡器。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。

（5）控制和管理单元。控制和管理单元实现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。

同时，多个OXC组成的交换枢纽可以进行更加高规模和细微颗粒度的光交叉控制，实现传送网业务的灵活处理。

光交叉连接器主要由输入部分（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。

光交叉连接通常分为三类，即光纤交叉连接（Fiber Cross- connect, FXC）、波长选择交叉连接（Wavelength-Selected Cross-connect，WSXC)、波长变换交叉连接（Wavelength Interchange Cross-comiect，W1XC）在这三类OXC中，都要用到空分光交换器。因此，本节将首先讲述光信号空分交换的原理，然后介绍各种OXC的结构和工作原理。

1.2 空分光交换

空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间发生改变。实现空分光交换的关键器件是光开关。光开关有机械型、电光型、磁光型和声光型等多种类型。其中电光型的光开关具有开关速度高（ns量级）、串扰小和结构紧凑等优点，广泛用作空分光交换单元。

从功能方面区分，基本的光开关有1 xl的通-断型和1 x2的传导型两种。图10-10表示半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier, SOA）可以作为1x1的通一断型光开关，通过控制偏置电压K就可方便地控制光信号的通断。而图10-10 (b)表明在铌酸鲤（LiNb03,其折射率取决于外加电压）晶片上制作的光波导耦合器可以作为1 x2的传导型光开关，通过控制外加电压F就可改变光信号的输出通路3当然，适当连接两个1x1的光开关也可以构成一个1 x2的光开关，适当连接四个1 x2的光开关还可以构成一个2x2的光开关，这分别如图10-10 (c)和图10-10 (d)所示。

1 x2和2 x2光开关是基本的空分光交换单元。1X2光开关有两种可选的点对点连接状态（端口1与端口2连通或端口1与端口3连通），还有一种点对多点连接状态（端口1与端口2、端口3都连通）。2x2光开关也有两种可选的点对点连接状态：平行（Bar）连接 (端口1与端口2、端口4与端口3同时连通）或交叉（Cross)连接（端口1与端口 3、端口4与端口2同时连通），还有两种可能的点对多点连接状态（端口1与端口2、端口 3同 时连通或端口4与端口2、端口3同时连通）。

基于这些基本交换单元，通过集成，可以构成更大规模的空分交换矩阵或交换网络 (Switching Fabric)。作为例子，图10-11和图10-12示出了两种空分光交换结构。图10-11表明，集成16个2x2交换单元可以构成1个4x4的交换矩阵；换而言之，若要构成1个)Vx/V的交换矩阵，则需要f个2x2基本交换单元。图10-12表明，通过1x2和2x2交换 单元的多级互连可以扩展交换网络的规模。上述这些交换网络均可以提供任意输人端口与输 出端口之间的可控制的连接。例如，在图10-11中每个交换单元有两种状态：交叉连接 (Cmss)或平行连接（Bar），如果要使第；条输入线与第7条输出线连通，那么只要令位于相应交叉点的交换单元处于平行连接状态、而令这两条线上的其他交换单元保持交叉连接状态即可。

1.3 WSS（Wavelength Selective Switch，波长选择开关）
某种意义上来说，ROADM是OXC的一种特殊实现，OXC包含了ROADM。从传统架构上来看，OXC由光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口、管理控制单元等模块组成。光交叉连接矩阵是OXC的核心。所谓矩阵，就是一个内部任意端口两两互联的Full Mesh网络结构：

我们直接结合某大厂的OXC设备架构来进行讲解。该OXC设备主要由光线路板、光背板和光支路板组成。

图片来自华为官网

一般来说，线路板的每个槽位对应一个方向。当光路信号进入之后，通过WSS（Wavelength Selective Switch，波长选择开关），“拆成”N路波长信号。

WSS有几种技术流派

光上下路单板和光线路板核心器件为1×N WSS和M×N WSS，相关技术主要包括基于自由空间光学设计的LC Array（Liquid Crystal Array）、MEMS（Micro-Electro Mechanical System）和LCoS（Liquid Crystal on Silicon）及基于硅光的微环谐振器MRR（Micro-Ring Resonator）和MZI （March-Zehnder Interferometer）。

1、基于LC阵列的WSS

通过改变加在液晶单元上的驱动电压，改变入射光的偏振态。双折射棱镜对不同偏振态的光折射率不同，从而通过改变入射光的偏振态，控制出射光的偏转角度。LC Array技术主要用于1×9和1×20 WSS，端口数再增加时需要更多的LC级联，设计和封装困难。

2、MEMS机械架构 （Google 的OCS使用此架构）

3、LCOS（硅基液晶）

原生支持灵活栅格（Flexi-Grid）功能，支持可变channel宽度以及超级通道，可靠性明显高于MEMS。LCoS方案原理上是通过相位控制波长选择，没有机械振动，上下波无光放，方向维度可达128维，实现超大交叉容量，且功耗更低。

4、基于微环谐振器MRR（Micro-Ring Resonator）的WSS

SOI波导由于折射率差大，可以实现半径很小的微环结构，通过调整微环的谐振状态实现指定波长的上下路。近年来相关研究，对于基于MRR的WSS方案中自由频谱区（FSR）范围、hitless无损调整、偏振无关等比较关键的问题提出了一些解决方案，期待进一步解决加工精度、控制复杂度等相关问题，实现产业化突破。另外，也有基于MZI和微环组合或者单纯基于MZI进行波长选择的滤波器设计方案，同样距离技术成熟还需要一定的时间。

光背板技术

光信号从光模块，经WSS后，进入光背板路由，达到出口。光背板相当于原来很多根光纤的配线架，印刷在一张纸上，实现光路连接。下图是19年华为公司在央视《对话》节目介绍大国重器时的画面：

光背板提供了超大交换容量的全连接（Full Mesh）支持，以及纳秒级时延。

OXC的光背板

波长光信号从光背板出来之后，进入光支路板，通过增加一级LCoS晶面调节，来构建N×M WSS。

最后，光模块、WSS、光背板串起来，就实现了全光OXC，用一个图来形象化表示：

OXC的优点

集成度高，占地面积小，节省机房空间。OXC对相关功能进行了高度集成，光线路板和光上下路板只占用一个槽位即可实现线路方向接入和32波业务上下；只需要一个机柜可实现32维光交叉调度，节省占地面积2/3。

绿色节能，便捷开通，维护方便，运维成本低。与ROADM相比，设备功耗降低，同时减少了电源端子需求数量。同时，采用光背板解决了ROADM内部连纤数量多、开通效率低、维护困难的问题，实现了内部“零”光纤连接，插板即连纤；插入一块光线路单板，连接线路光纤进行软件配置即可开通1维；插入一块光上下单板，连接相关业务单板，软件设置即可开通业务，开通便捷；支持光层OAM，可监测每个波长通道的业务速率、出光功率、中心波长、源节点等信息并进行路由校验，便于故障定位，降低运维成本。

支持超大容量光交叉，低时延。可支持1024T光交叉，满足干线及城域光交叉容量的需求；与支线路合一的业务单板配合，可实现波长级交叉调度；可实现子波长及波长级交叉调度。光交叉节点只通过光纤连接，几乎达到“零”时延。

网络智能化。智能化网络应支持网络拓扑及资源自动发现、业务开通及控制、路由计算、智能化调度、网络性能监控等功能。OXC作为物理层设备，可解决波长冲突问题，增加光交叉调度的灵活性，提高网络资源的利用率。

对于数据中心的场景来说，优点更突出：

1、极低的延时。

2、长生命周期。对光纤速率不敏感，可以兼容各种速率，带宽升级的时候，比如200-400-800-1.6T-3.2T，只要光纤内WDM的波的数量恒定为4/8，那么整个交换层面并不需要动。

二、OADM的原理及其应用

2.1 OADM原理

我们前面了解OXC的基本原理，感受到了它在光传送过程中的重要地位，下面介绍另外一个重要设备光分插复用器（Optical Add-Drop Multiplexer）。分插复用是指将一个波长的光从传送节点上“分离”出来或者将同一波长的光“插入”进去。在光网络中运用分插复用设备，能够使光网的波长应用和分配更加具备灵活性。

OADM的基本功能包括三种：下路需要的波长信道,复用进上路信号,使其它波长信道尽量不受影响地通过。OADM具体的工作过程如下：从线路来的光信号包含多个波长信道,进入OADM的输入端,根据业务需求,从多个波长信道中,有选择性地从下路端（Drop）输出所需的波长信道,相应地从上路端（Add）输入所需的波长信道。而其它与本地无关的波长信道就直接通过OADM,和上路波长信道复用在一起后,从OADM的线路输出端输出。

根据不同的组网设计、业务需求情况和资源配置,光网络对用于其中的OADM节点有一定的要求,主要集中在性能要求上,具体体现在以下几个方面：重构性、可扩展性、透明性以及多通道处理能力。此外,引入OADM对网络管理有利有弊。尽管OADM允许光信道的灵活管理,但其灵活性不是完全不受约束的,OADM带来的信号恶化需要认真考虑。在网络目标与OADM的光性能上存在一个技术选择的平衡点。

OADM主要参数有：信道间隔、信道带宽、中心波长、信道隔离度、波长温度稳定度、信道差损均匀性。

OADM的主要模块：OADM节点的核心器件是光滤波器件,由滤波器件选择要上/下路的波长,实现波长路由。目前应用于OADM中的比较成熟的滤波器有声光可调谐滤波器、体光栅、阵列波导光栅（AWG）、光纤布拉格光栅（FBG）、多层介质膜等。从OADM实现的具体形式来看,主要包括分波合波器加光开关阵列及光纤光栅加光开关两大类。

（1）分波合波器加光开关阵列

这种结构的波长路由采用分波合波器,OADM的直通与上下的切换由光开关或光开关阵列来实现。这种结构的支路与群路间的串扰由光开关决定,波长间串扰由分波合波器决定。由于分波合波器的损耗一般都比较大,所以这种结构的主要不足是插损较大。目前分波合波器多采用体光栅、多层介质膜和阵列波导光栅等器件。

（2）光纤光栅

光纤布拉格光栅（FBG）是使用紫外光干涉在光纤中形成周期性的折射率变化（光栅）制成的光器件。其优点是可直接写入通信光纤,成本低,生产重复性高,可批量生产,易于与各种光纤系统连接,连接损耗小,波长、带宽、色散可灵活控制。存在的主要问题是受外界环境的影响较大,如温度、应变等因素的微小变化都会导致中心波长的漂移。

2.2 OXC和OADM的区别及应用

从总体上看，OXC和OADM都是光网中不可或缺的重要组成部分，没有地位高低之分。但是从组成和属性来看，OADM其实是一种OXC的特殊实现而已。简单的说，就是OXC包含OADM，而在如今的网络中，OADM已经逐步演变成具有更强大功能的ROADM（可重构光分插复用系统）再加上新衍生出的光路由的概念，实际上形成了光路由>OXC>ROADM>OADM的包容结构。

此外，在传送网结构中，OADM主要用于本地环、城域环的分插复用，而OXC则负责不同网络之前的链接，这点上，很有园区交换机和园区间路由器的差别。

三、ROADM的原理及其应用

ROADM是全光网的关键技术之一。它的主要目的，是在线路“光化”的基础上，进一步实现节点“光化”（光交换）。

ROADM演进到CDC-F ROADM，基本上实现了极强的光交换能力。但是，它仍然不是全光网的终极解决方案。

ROADM存在一些问题。其中最大的一个问题，就是连纤复杂。

ROADM系统架构

ROADM通常都是按照业务的扩展，进行光纤逐一连接。随着时间的推移，规划可能发生变更，或者网络需要调整，就会不断地增加光纤。

久而久之，就导致连纤变得混乱不堪，给运维带来困难。采用ROADM的方式，机架数量也比较多，占用空间较大。于是，更好更合适的全光交换技术就被推到了台前，那就是OXC。

四、OXC与路由器的连接和控制

[2000 On joint protection/restoration in IP-Centric DWDM-based optical transport networks. Topics in Lightwave.]

参考文献：

[1] Haruka Minami, Kenta Hirose, Takafumi Fukatani, Masahiro Nakagawa, Takeshi Seki, Shimpei Shimizu, Takayuki Kobayashi, Takushi Kazama, Koji Enbutsu, Takeshi Umeki, and Takeshi Kuwahara. Low-Panalty Band-Switchable Multi-Band Optical Cross-Connect Using PPLN-Based Inter-Band Wavelength Converters. Journal of Lightwave Technology, 2024.

[2] https://blog.51cto.com/netwalk/75923

[3] https://www.educity.cn/tx/579132.html?cstk=4680dfae16da20b03e09ec54c5e02e58

[4] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1678841768854488582&wfr=spider&for=pc

原文始发于微信公众号（豆豆咨询）：光交换几种设备：OXC、OADM和ROADM