馬亦然
(Finisar公司,悉尼 2018,澳大利亞)
作為全光網(wǎng)的基石,可重構(gòu)光分插復(fù)用器(Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer,ROADM)可以在光層實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑調(diào)度和恢復(fù),將傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)光鏈路變?yōu)殪`活的光網(wǎng)絡(luò)[1-2]。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來說,ROADM的價(jià)值在于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活性的同時(shí)降低建網(wǎng)成本,因此在全世界得到了廣泛部署。
波長(zhǎng)選擇開關(guān)(Wavelength Selective Switch,WSS)是目前所有商用ROADM系統(tǒng)的核心元器件。WSS主要包含一個(gè)切換通道的陣列,可以使光的不同波長(zhǎng)在物理上不需要進(jìn)入不同的端口就進(jìn)行發(fā)散。有幾種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)WSS的核心功能,包括微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electromechanical Systems,MEMS)、液晶(Liquid Crystal,LC)和硅基液晶技術(shù)(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)。由于LCoS具有支持靈活柵格,驅(qū)動(dòng)電壓低和支持端口數(shù)量多等優(yōu)勢(shì),占據(jù)了WSS市場(chǎng)的絕大部分[3]。
近年來,運(yùn)營(yíng)商推廣的全光網(wǎng)部署了海量的ROADM設(shè)備。這些設(shè)備早期以9維和20維的WSS為主,之后又大量采用了稍后成熟的32維WSS以繼續(xù)提升同一站點(diǎn)支持的方向數(shù)。這些WSS以雙(Twin)WSS為主,顯著降低了Route & Select(R&S)系統(tǒng)的成本。這兩年開始運(yùn)營(yíng)商繼續(xù)追求可用頻譜向擴(kuò)展C波段(6 THz)提升,為了支持?jǐn)U展C波段的全光網(wǎng)部署,WSS也進(jìn)一步向支持?jǐn)U展C波段演進(jìn)。目前,部署的全系列WSS產(chǎn)品,包括9維、20維和32維以及單(Single)和雙WSS,均支持?jǐn)U展C波段的頻譜范圍。
互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容提供商(Internet Content Provider,ICP)也開始使用WSS構(gòu)建數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(Data Center Interconnect,DCI)。與運(yùn)營(yíng)商將WSS既用于線路側(cè)方向調(diào)度也用于上下路不同的是,ICP部署WSS主要是取代固定柵格的陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed Waveguide Grating,AWG),用于系統(tǒng)兩端的合波與分波,這樣靈活柵格的WSS可以支持DCI系統(tǒng)未來靈活的速率演進(jìn)。
全光網(wǎng)的未來發(fā)展方向中包括采用更寬的頻譜范圍以提高單纖容量,支持更多的線路方向和更高的集成度以降低設(shè)備成本以及在城域網(wǎng)邊緣更廣泛的部署等,每一項(xiàng)都與WSS的未來發(fā)展密不可分。本文提出未來WSS在以LCoS技術(shù)為核心的基礎(chǔ)上發(fā)展的幾個(gè)方向,并且詳細(xì)闡述其中面臨的問題和解決辦法,最后介紹了相對(duì)應(yīng)的新型WSS。
基于ROADM的全光網(wǎng)已經(jīng)在運(yùn)營(yíng)商的骨干網(wǎng)和城域核心網(wǎng)廣泛部署。隨著單纖容量持續(xù)提升的需求,傳輸系統(tǒng)從單波長(zhǎng)100 Gbit/s向200 Gbit/s乃至400 Gbit/s繼續(xù)演進(jìn),甚至800 Gbit/s單波速率系統(tǒng)也已經(jīng)出現(xiàn)。提升頻譜效率要求光信號(hào)采用更高階的調(diào)制格式,或者更復(fù)雜的頻譜整形方式、更多維度的復(fù)用手段,否則即使通過增加波特率的方式提高了單波長(zhǎng)的速率,信號(hào)也會(huì)占用更多的頻譜帶寬,單纖容量并不會(huì)提升。受香農(nóng)極限制約,頻譜效率的增加導(dǎo)致傳輸距離的下降,使得這種提升單纖容量的方式難以持續(xù)。另一個(gè)增加單纖容量的方式是增加頻譜范圍。這兩年來擴(kuò)展C波段(1524~1572 nm)傳輸系統(tǒng)的成功部署,使C波段的傳輸容量提升了50%,其中支持?jǐn)U展C波段的WSS的實(shí)現(xiàn),是系統(tǒng)成功部署的重要前提之一。在擴(kuò)展C波段之后,產(chǎn)業(yè)鏈最成熟的頻譜范圍毫無疑問是L波段(1565~1625 nm)。全光網(wǎng)向L波段的擴(kuò)展離不開關(guān)鍵器件的支持,包括可調(diào)激光器、光放大器和WSS等,其中支持C和L波段的WSS已經(jīng)在2020年開始商用[4]。
全光網(wǎng)的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大,尤其是考慮到一二線骨干網(wǎng)的融合,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜,造成某些節(jié)點(diǎn)的方向數(shù)需求增加,這代表WSS需要更大的端口數(shù)來支持ROADM維度的提升。WSS從初期的2~4端口,一路發(fā)展過來經(jīng)歷了9端口、20端口,到目前32端口的WSS已經(jīng)規(guī)模部署,但是仍有一些節(jié)點(diǎn)有超過32個(gè)方向維度的需求。另外,ICP開始將WSS作為合分波器件來構(gòu)建支持靈活柵格的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)系統(tǒng)。400G ZR可以在標(biāo)準(zhǔn)C波段中支持64個(gè)400 Gbit/s的通道,這也對(duì)WSS提出了進(jìn)一步提高端口數(shù)的期望。
隨著相干光模塊成本的持續(xù)降低,以及城域匯聚和接入網(wǎng)絡(luò)流量的猛增,全光網(wǎng)也會(huì)從骨干網(wǎng)和城域核心網(wǎng)下沉到城域匯聚和接入網(wǎng)絡(luò)。城域匯聚和接入網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是傳輸距離短、端到端節(jié)點(diǎn)跳數(shù)少,但是規(guī)模巨大,因此對(duì)性能要求可以稍微降低,但是成本壓力巨大,需要涉及的設(shè)備模塊大幅度降低成本。WSS作為全光網(wǎng)的核心元器件之一,在城域匯聚和接入網(wǎng)使用也面臨巨大的成本壓力?;谌碌脑O(shè)計(jì)理念,新的城域邊緣WSS(Edge WSS)簡(jiǎn)化了光學(xué)/電子部件和外部封裝,同時(shí)盡可能在性能上保持原有水平,極大降低了WSS的成本,為全光網(wǎng)下沉提供了有力支撐。
值得一提的是,作為WSS的主流實(shí)現(xiàn)技術(shù)LCoS,可以靈活地配置以支持不同的WSS產(chǎn)品,在全光網(wǎng)的未來發(fā)展中將繼續(xù)成為實(shí)現(xiàn)WSS的主導(dǎo)技術(shù)。LCoS芯片可以被理解為一個(gè)二維交換矩陣,一個(gè)維度是頻譜維度,可以映射為WSS產(chǎn)品的帶寬。另一個(gè)維度是空間上的,可以將信號(hào)切換到各個(gè)上下路和方向端口。頻譜維度的縮放和分辨率可以通過光學(xué)設(shè)計(jì)任意調(diào)整,所以同樣的LCoS芯片,基于不同的光學(xué)設(shè)計(jì)可以支持不同的光譜形狀和帶寬。因此,可以看到基于同樣的LCoS平臺(tái),隨著光學(xué)設(shè)計(jì)的提升,WSS支持的頻譜從4.8 THz提高到了6 THz(擴(kuò)展C波段),乃至于最新的C+L波段,同時(shí)濾波形狀還得到了改善,可以滿足更多WSS級(jí)聯(lián)和更密集通道分布的需求。在空間切換的維度上,可以看到WSS已經(jīng)在向LCoS分區(qū)和更大端口數(shù)方向持續(xù)演進(jìn)。LCoS分區(qū)可以用同一片LCoS支持多個(gè)獨(dú)立的WSS,過去單(Single)WSS到雙(Twin)WSS的演進(jìn)正是得益于LCoS分區(qū)技術(shù),去年商用的四(Quad)WSS也是這個(gè)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展下的產(chǎn)品[5]。端口數(shù)的增加也是LCoS空間維度進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果,WSS可以從當(dāng)前的最多32~34的端口進(jìn)一步擴(kuò)展到48個(gè)或更多的端口,同時(shí)保持濾波形狀和其他基本性能不劣化。
擴(kuò)展C波段的WSS已經(jīng)被廣泛部署在運(yùn)營(yíng)商的全光網(wǎng)中,得益于算法和光學(xué)設(shè)計(jì)的改善,擴(kuò)展C波段WSS比起C波段WSS沒有任何性能上的下降。L波段的波分系統(tǒng)也已經(jīng)在海外部署多年,尤其是北美和日本。近年來,北美的ICP也開始部署C+L波段的波分系統(tǒng),來提升單纖容量以滿足迅速增長(zhǎng)的帶寬需求。當(dāng)下已經(jīng)部署的C+L系統(tǒng)全部采用了C波段和L波段單獨(dú)分開的設(shè)計(jì),包括互相獨(dú)立的光模塊、放大器、合分波器件和WSS,因此在集成度和每比特成本方面比起C波段系統(tǒng)并沒有優(yōu)勢(shì),C和L波段之間還存在性能優(yōu)化和業(yè)務(wù)運(yùn)行的復(fù)雜協(xié)調(diào)問題。
作為波分系統(tǒng)里的重要器件,激光器、放大器和WSS是實(shí)現(xiàn)C+L一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵。其中,WSS支持的頻譜始終在穩(wěn)定擴(kuò)展,從最早的基礎(chǔ)的C波段(支持50 GHz間隔的80個(gè)通道)到全球廣泛部署的C波段(支持50 GHz間隔的96個(gè)通道),再到最近兩年的擴(kuò)展C波段(支持50 GHz間隔的120個(gè)通道)。支持L波段的WSS也已經(jīng)部署多年。各個(gè)波段的頻率范圍參見圖1。最新的同時(shí)支持C+L波段的WSS可以覆蓋大約11 THz的頻譜范圍,包含全部的C波段和L波段,以及擴(kuò)展C波段和擴(kuò)展L波段的絕大部分。LCoS技術(shù)的特性決定了根據(jù)不同需求,同樣的LCoS也有潛力可以靈活地支持其他頻率范圍,可以支持全部擴(kuò)展C波段和擴(kuò)展L波段的WSS的可行性也在論證中。
圖1 不同C和L波段的頻譜范圍
圖2 C+L WSS產(chǎn)生的波形示例
C+L WSS和普通C波段的20維/32維WSS使用的是同樣的LCoS平臺(tái),通過一塊LCoS芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)C+L波段的支持。與其他基于LCoS平臺(tái)的WSS一樣,C+L WSS可以支持完全的靈活柵格,允許使用者隨意配置不同的通道間隔,為靈活調(diào)制靈活波特率的未來400 Gbit/s及以上的波分系統(tǒng)提供支持。一個(gè)同時(shí)支持C+L波段的WSS模塊可以將WSS部分的系統(tǒng)集成度提高一倍,成本和功耗也比C和L波段分別的WSS相加要大幅下降。C+L的頻譜范圍可以應(yīng)用在全部端口數(shù)和集成度的WSS產(chǎn)品上,包括9維、20維、32維乃至更多端口數(shù)的WSS,也包括Single、Twin乃至Quad WSS。鑒于目前同時(shí)支持C+L波段的放大器并不成熟,C+L WSS的公共端口可以靈活設(shè)計(jì)以連接不同類型的放大器??梢杂袃蓚€(gè)公共端口,一個(gè)支持C波段一個(gè)支持L波段,方便連接C波段放大器和L波段放大器。也可以只有一個(gè)同時(shí)支持C+L波段的公共端口,連接未來可能出現(xiàn)的C+L波段一體的放大器。另外,C+L WSS的每一個(gè)方向側(cè)和上下端口都是同時(shí)支持C+L波段。
C+L波段的擴(kuò)展帶來的好處不止是提高單纖容量。當(dāng)頻譜變寬之后,可用的通道也會(huì)增加,那么在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上下路波長(zhǎng)沖突的機(jī)會(huì)會(huì)變小,網(wǎng)絡(luò)透明度會(huì)得到提高,使得頻譜和波長(zhǎng)業(yè)務(wù)變得更有價(jià)值。C+L WSS可以從部署第一天就提供未來的頻譜升級(jí)機(jī)會(huì),當(dāng)L波段需要使用時(shí)所有額外的成本只是點(diǎn)亮L波段的運(yùn)維人力花費(fèi)。C+L波段的高端口數(shù)Twin WSS和Quad WSS可以提供前所未有的靈活度和網(wǎng)絡(luò)容量,這也是WSS繼續(xù)支撐全光網(wǎng)演進(jìn)尤其是帶寬不斷提升的方式。
圖2展示了一個(gè)C+L WSS演示的波形(悉尼的城市天際線),體現(xiàn)了C+L WSS的靈活柵格配置和頻譜范圍。波形通過一個(gè)9端口的C+L Single WSS產(chǎn)生,每個(gè)端口產(chǎn)生不同頻率不同形狀的波形如前文所述,LCoS平臺(tái)的特性,配合光學(xué)和算法設(shè)計(jì),使得C+L WSS比起單獨(dú)的C波段WSS性能沒有任何劣化,L波段和C波段性能的一致性也顯著降低了C+L系統(tǒng)性能不均衡帶來的優(yōu)化難度。
自WSS開始商用,更多的端口數(shù)就一直是全光網(wǎng)對(duì)WSS的需求之一。端口數(shù)提升的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是端口隔離度這個(gè)性能指標(biāo)。簡(jiǎn)單計(jì)算可以得知,40根250 μm直徑的光纖堆疊在一起需要最少10 mm的高度供WSS進(jìn)行封裝和保溫處理。LCoS也需要一定程度地隔離以保持大致恒定的工作溫度,而無需大量增加功耗來實(shí)現(xiàn),這樣就帶來了一些額外的尺寸增加。然而,商用WSS的尺寸限制很嚴(yán)格,必須要盡可能地保持和已經(jīng)部署的WSS一致,以避免線卡重新設(shè)計(jì)。這樣越來越多的光纖排放在尺寸很小的封裝中,不可避免地造成光纖緊密排列在一起,光信號(hào)更容易泄露到目標(biāo)光纖以外的相鄰的其他光纖中,降低了端口隔離度。即使WSS的模塊尺寸可以適當(dāng)變大,LCoS的切換角度也是一個(gè)考驗(yàn),更大的角度會(huì)帶來更多量化噪聲和增加插入損耗。大端口數(shù)WSS的所有這些局限都需要依靠更好的光學(xué)設(shè)計(jì)和算法來突破,目前商用的32端口Twin WSS尺寸沒有增加,并且端口隔離度等指標(biāo)也沒有劣化,很好地解決了這些問題。
當(dāng)前,運(yùn)營(yíng)商廣泛部署的32端口雙WSS已經(jīng)可以滿足全光網(wǎng)節(jié)點(diǎn)方向維度需求的絕大多數(shù)場(chǎng)景。目前,WSS端口數(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展的動(dòng)力主要來自ICP采用靈活柵格合分波的需求。400G ZR所定義的C波段中64個(gè)75 GHz間隔的通道當(dāng)下需要2個(gè)32端口的WSS來合分波,這樣在未來向800 Gbit/s的升級(jí)中可以通過靈活柵格適當(dāng)增加通道間隔,而無需更換合分波器件。未來的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)800 Gbit/s可能會(huì)采用100 G以上的波特率,這樣頻率間隔可能會(huì)采用125 GHz,意味著C波段可以容納38個(gè)通道。如果仍然采用現(xiàn)有方案使用2個(gè)32端口WSS會(huì)帶來很大的浪費(fèi)。目前,業(yè)界最新推出的48端口WSS可以完美地適用這個(gè)場(chǎng)景。并且如果作為全光網(wǎng)ROADM設(shè)備的上下路來使用,2個(gè)48端口WSS就可以覆蓋C波段96個(gè)50 GHz通道上下路,或者擴(kuò)展C波段80個(gè)75 GHz通道上下路,隨之帶來機(jī)框空間和成本的巨大降低。通過對(duì)樣品的測(cè)試發(fā)現(xiàn),48端口WSS的各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)比起32端口WSS并沒有明顯的降低,因此未來如果全光網(wǎng)方向維度有超過32維的需求,那么也存在用于方向維度場(chǎng)景的可行性。
如果將尺寸局限在和32端口雙WSS相當(dāng)?shù)脑挘敲?8端口也并不是超大端口數(shù)WSS設(shè)計(jì)的極限。如果有更高的需求,那么端口數(shù)也可以繼續(xù)擴(kuò)展,不過需要更復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計(jì)和算法來抵消更緊密的光纖排列帶來的端口隔離度的問題,相應(yīng)地也會(huì)帶來成本的進(jìn)一步增加。但是不管如何,超大端口數(shù)的WSS在每端口成本方面,還是具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
從Single WSS到Twin WSS,WSS的集成度提高了一倍。Quad WSS的出現(xiàn)使得集成度在Twin WSS的基礎(chǔ)上又提升了一倍。Quad WSS是利用LCoS的分區(qū)技術(shù),用一塊LCoS芯片來實(shí)現(xiàn)4個(gè)獨(dú)立的WSS。這樣4方向的B&S(Broadcast and Select)和兩個(gè)方向的R&S(Route and Select)可以通過一個(gè)小尺寸模塊(對(duì)應(yīng)單槽位板卡)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于環(huán)網(wǎng)來說,一個(gè)模塊即可以支持一個(gè)雙向R&S結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn),對(duì)于在某些城域邊緣場(chǎng)景追求高集成度和低成本的運(yùn)營(yíng)商具有巨大價(jià)值。單點(diǎn)故障和東西向不分離看似是Quad WSS的缺點(diǎn),但是從Single WSS升級(jí)到Twin WSS的過程中可以看出,總體的系統(tǒng)可靠性并沒有下降。對(duì)于WSS來說,故障率主要來自LCoS芯片、電子元器件和光學(xué)器件這三部分。Quad WSS的4個(gè)獨(dú)立WSS共享同樣的LCoS,電子元器件和光學(xué)器件和Single、Twin WSS復(fù)雜度相當(dāng),因此Quad WSS的可靠性并不弱于Single和Twin WSS。
圖3展示了Quad WSS的功能,是一個(gè)特定的光譜組合用于展示。每個(gè)WSS均可以獨(dú)立運(yùn)行,支持靈活柵格功能,可以隨意調(diào)整通道間隔、通道內(nèi)和通道間的衰減。整個(gè)試驗(yàn)架構(gòu)包括一個(gè)可調(diào)激光器,一個(gè)4路輸出的耦合器將光源平均輸入到4個(gè)獨(dú)立的WSS,以及36個(gè)光接收器接收所有WSS輸出端口的不同頻率不同形狀的光信號(hào)。Quad WSS的各項(xiàng)性能參數(shù)都和Twin WSS保持一致,包括通道帶寬、端口隔離度、頻譜范圍、偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss,PDL)等。未來Quad WSS中的每個(gè)WSS也不僅限于9個(gè)端口,并且LCoS的分區(qū)還可以繼續(xù)擴(kuò)展以支持八(Octo)WSS或者其他更復(fù)雜的WSS產(chǎn)品。
全光網(wǎng)正在從骨干和城域核心下沉到城域匯聚和接入層,以提供光信號(hào)端到端的可達(dá)性與靈活性。用于城域邊緣的WSS通常不需要承載滿配的波道數(shù),這樣通道間隔就可以適當(dāng)放寬,例如在C波段支持48個(gè)100 GHz間隔的通道,并且邊緣網(wǎng)絡(luò)端到端級(jí)聯(lián)的WSS也不會(huì)很多。這樣WSS的各項(xiàng)指標(biāo)也可以相應(yīng)放寬,會(huì)大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降低成本,而成本正是城域邊緣這類規(guī)模巨大的應(yīng)用中最重要的考量因素。除了光學(xué)設(shè)計(jì)會(huì)大幅簡(jiǎn)化之外,一些其他的設(shè)計(jì)上這類邊緣WSS反而更具挑戰(zhàn)性,例如工作溫度。由于網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點(diǎn)通常處在條件不好的機(jī)房,無法實(shí)現(xiàn)全時(shí)的溫度控制,邊緣WSS需要具備更廣的工作溫度范圍。出于散熱和降低功耗的考慮,邊緣WSS所用的材料也需要慎重選擇,核心WSS所用的完全氣密封裝和昂貴的光學(xué)元件都不適用于邊緣WSS??傊?,一切以滿足需求下的最低成本為優(yōu)先考慮。
圖3 Quad WSS中每個(gè)WSS獨(dú)立工作的演示
表1列出了一些WSS設(shè)計(jì)中會(huì)增加成本的因素,這些因素在城域邊緣WSS的設(shè)計(jì)中都會(huì)適當(dāng)考慮以降低成本。全新的軟硬件和封裝設(shè)計(jì),配合上分辨率較低的LCoS,總體成本上比起其他技術(shù)并無劣勢(shì);并且在城域邊緣這類應(yīng)用,LCoS還有一定的優(yōu)勢(shì)。首先,LCoS可以支持靈活柵格,為未來向400 Gbit/s或更高速率升級(jí)提供無需更換基礎(chǔ)設(shè)施的便利;另外,LCoS可以方便地增加端口數(shù),而不影響到性能指標(biāo),更多端口數(shù)可以靈活地支持更多的線路方向和簡(jiǎn)化上下路架構(gòu)。例如,預(yù)期應(yīng)用場(chǎng)景最廣泛的Twin 1×9邊緣WSS,就非常依賴LCoS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)?;谇懊嫣岬降腖CoS的特性,在電子和光學(xué)器件不變的前提下,分區(qū)和端口數(shù)可以靈活選擇,例如同樣的平臺(tái)可以同時(shí)支持Twin 1×9、Twin 1×5或者Single 1×9的產(chǎn)品設(shè)計(jì),如有需要也可以擴(kuò)展成為Quad或者Octo的產(chǎn)品設(shè)計(jì),這對(duì)邊緣網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的多場(chǎng)景提供了豐富的選擇。
表1 WSS中增加成本的因素
LCoS將繼續(xù)是未來WSS發(fā)展的核心技術(shù),無論用于骨干網(wǎng)、城域核心網(wǎng),還是用于城域匯聚和接入網(wǎng)。LCoS可以提供對(duì)不同頻譜范圍和更多端口數(shù)的支持,而無需更換LCoS芯片?;贚CoS的WSS可以支持靈活柵格,可以靈活地分區(qū)來實(shí)現(xiàn)Single、Twin、Quad乃至更復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì),是現(xiàn)在乃至未來端到端全光網(wǎng)所需的關(guān)鍵元器件。