解析光子集成技术在光传送网（OTN）中的应用

　　1. 前言

　　随着数据和传送技术的发展，数据业务的传输方式最初为IP over ATM，到IP over SDH，再到目前广泛应用的IP over WDM结构。IP over WDM应对网络IP化趋势，简化传送网络，但是去除了SDH层面的调度和保护后，传统的WDM网络在业务开通、资源调度和网络保护还存在一些滞后，需要引入新的技术解决上述问题。

　　2. 现有网络架构

　　在整个IP over WDM网络架构下，数据(IP)网络逻辑路由的拓扑结构基本上呈现Mesh状，要求光传送网的波长/子波长与数据(IP)业务逻辑路由一致。光网络物理光缆格局一般非常简单，但是与IP路由的拓扑结构差别很远，目前采取人工的方式将各条光缆里的波长进行转接，使之适应数据网络逻辑拓扑结构。

　　由于手工操作很慢、且容易出错，为了保证能在3天左右开通业务，一般为每条IP路由预留2～3年的带宽，这些冗余带宽是各IP路由独占，即使自己不用也不能被其它有需要的IP路由用。这种建立在预测基础上的专有带宽预留方式，使得网上一方面有大量的波长处于闲置状态，另一方面却不得不量扩容和新建网络，使得整个传输资源利用率低。除非预测得非常准确才能解决问题，但IP业务的方向和流量不确定性，理论上是不能准确预测的。

　　此外，在对业务提供的保护方式上，WDM层面的保护方式主要分为点到点线路保护和共享环网保护。点到点线路保护采用端到端保护机理，主用通道和备用通道必须经过不同的光纤物理路由，通过发端并发，收端选收的方式实现对业务的保护，设备可选的判别原则可为光功率门限、LOS告警信号等。主要有1+1光线路保护、1+1光波长通道保护和子波长交叉连接保护等。WDM环网保护分为光复用段共享保护环、光通道共享保护环，保护机制与SDH环保护相似。

　　虽然WDM保护在保护时间上、业务影响度上有很大优势，但由于WDM系统的永久连接性，无法灵活地保护恢复受损业务却是其一个较大的劣势。采用IP over WDM时，如果仅采用WDM恢复业务，则需要考虑线路的连通度，保证工作通道与保护通道无关。只有在引入具备交叉能力的节点设备后，提高光层的处理能力，才能实现真正意义上光层面的保护恢复，弥补光层保护的劣势。

　　光传送层能快速、灵活地进行波长调度，根据业务量的实际需求来进行网络的带宽分配，而不是按流量预测来进行分配，这就是业界一直追求光传送网的动力所在。基于这些需求， OTN和光子集成技术应运而生。

　　3. 光子集成技术

　　光子集成技术是通过材料生长技术和光刻技术将不同功能的光器件，例如激光器、检测器、光调制解调器集成在单个称底上，构成单片集成电路。这种光子集成技术器件结构紧凑小巧，性能可以满足大多数光纤通信系统的需求。

　　传统的WDM系统是采用分离器件组合的方式，端站设备包括单个波长转换器(OTU)，复用器，解复用器等等，通常一个线路速率为10G的OTU在客户侧可以接入8个GE信号或者4个2.5G信号或者是1个10G信号，目前基本上是实现点到点的透明传输。如果要传送10个10G POS或10GE信号，就需要10个发送OTU调制为10G线路信号，并且分别连接到合波器上，经过线路传输到达对端再由10个接收OTU将线路信号转换回来。

　　光通信技术的发展是在向着集成化、智能化的方向发展，将分离的器件集成在一个小的芯片上，将激光器、检测器、调制器和其他器件都集成到芯片中，这就是光子集成技术。目前已有的规格是4对OTU、10对OTU和40对OTU的集成芯片。每个OTU的速率为10G，甚至为40G。以10对OTU的集成芯片为例，如果每个OTU支持40G的速率，那么一个芯片就具有400G的容量。400G的芯片集成了80个器件，包括发送端10个激光器、10个光电检测器，10个调制器，10个阵列波导使得10路光信号进入到一个复用器，同样接收端会有同样数量的器件。

　　集成的过程需要在砷化镓、磷化铟等材料组成的多个薄膜介质层上进行反复沉淀和蚀刻。光子集成技术芯片的处理首先从磷化铟晶片开始，这些晶片在生产线上经过一种光刻胶的浆状化学物质进行包裹，紫外线光穿过一个镂空设计的模板照射到光刻胶上，产生了化学反应，其中一些半导体材料就粘在了晶片上，一些就被蚀刻掉了。当晶片从生产线下来以后，它们可以被切成几百个芯片。这些芯片和一些电的芯片合在一起放置在线路卡的板卡上，然后安装在光网络设备上进行运输。

　　配置了这种芯片的线路板卡形成了一个波长带宽池，配置了这种多个板卡的设备就形成了一个大的波长带宽池，对接入进来的业务可以指配到其中的任何一个波长，初步解决了线路资源的供应问题。

　　3. 1 OTN技术

　　自1999年开始ITU-T制定OTN相关标准，到目前对OTN技术的期望和重视是越来越强，主要基于以下原因：一是在传送网骨干层通过实施节省中间的SDH层面而降低网络建设、维护成本;二是数据业务的增长导致传统VC-12/VC-4颗粒已经不能满足大颗粒交叉连接的需要，而只有OTN设备具备有ODUk这种大颗粒度的交叉调度;三是OTN技术在提供与WDM同样充足带宽的前提下具备和SDH一样的组网能力。

　　光传送网(OTN)是由光通路接入点作为边界的光传送网络，是由OTN设备和网管系统组成的。OTN设备主要从两个方面来界定，一是具备OTN物理接口，二是具备ODUk级别的交叉连接能力。OTN组网考虑到客户特征信息、客户/服务器层关联、网络拓扑和分层网络功能，网络结构是子网内全光透明，而在子网边界处采用O/E/O技术，目标是支持突发型大带宽业务的应用，以及数据和语音业务。

　　OTN设备的实现方式可以沿袭以往SDH设备架构，设置一个集中交叉矩阵，对接入进来的业务进行ODU1/ODU2的交叉，也可以采用分布式交叉的技术，将交叉连接功能分布在各个线路板卡上。分布式架构下每个线路板卡可以对板卡接入的各个信号进行充分的交叉，对不同线路板卡之间的业务也能够做一定的交叉。采用集中交叉方式，基本可以实现对接入的业务的全交叉，但是交叉容量会收到交叉矩阵的影响;分布式交叉方式可以灵活地对接入的业务进行交叉，交叉容量随着线路板卡的增加，也就是随着接入业务的增加而增加，扩容相对灵活。

　　4. 光子集成技术和OTN设备的结合

　　在SDH网络中，客户侧和线路侧是完全分离的，也就是我们所熟悉的支路口和线路口。SDH网络解决了客户信号的封装、映射和交叉，同时解决了线路侧的传输。传统的DWDM技术，客户侧和线路侧是在一起的，只有当有需求时，要同时配置支路接口和线路接口。OTN的相关标准解决了以大颗粒IP为特征的客户信号的封装、交叉、保护等问题，其应用驱动力来自于当业务网IP化以后，传送网要从SDH网络向适应IP的方向发展。

　　DWDM技术和OTN设备的结合的一个重要特征就是要提供DWDM的带宽池。就像SDH的线路侧一样，节点之间的带宽是预先存在的。传统的DWDM网络是支路口和线路口绑定的，因此不可能发挥OTN的优势。目前业内流行的一种解决方案是提供支路和线路的分离，但是交叉仅限于本地支路和线路，类似于以前的T-MUX的功能，还是不能满足线路和线路交叉的要求。更新的方案是提供更大容量的交叉(例如大于1T的ODU1/ODU2交叉)，满足线路到线路的交叉，但是在DWDM线路侧，还是利用分离的OTU来解决白光到彩光的调制。这种结构的局限性是，线路带宽资源不能满足OTN的灵活调度的需要。如果预先配置OTU，组成固定带宽池，能够解决一部分问题，但带来投资的浪费，运维的复杂性，以及能源的消耗。

　　图1 采用光子集成技术部署带宽池

　　如图1所示，业务侧和网络侧分离，业务接入不用考虑网络速率、距离、色散等;在源宿两端加入客户侧单板即可，OTN网络完成其余工作。

　　和固定带宽池相比，采用光子集成技术的带宽池，首先是没有分离的OTU，降低设备的体积和功耗，同时消除了设备内和设备间大量的尾纤连接，降低了网络的故障率，节省了运维成本。其次，基于光子集成技术的带宽池，业务和线路速率相互分离，从1G～100G，任意速率的客户电路都可以映射到带宽池中，利用虚级联的技术将基于ODU0/ODU1/ODU2颗粒的带宽捆绑在一起进行传送。虚级联技术使得网络不仅适用现在的业务速率，而且适应未来。再次，支持实现类似于SDH的ASON，OTN的网络中也可以实现ASON，简化人工的操作，增强网络健壮性。最后，和光层交叉的ROADM网络相比，消除了复杂的光链路设计、波长阻塞，子波长交叉等问题。

　　5. 总结

　　对OTN技术的重视是由于数据业务的发展而引发的，基于OTN的光传送网代表了现阶段光传送网的演进方向，可以满足运营商在成本节约和功能实现上的双赢。光子集成技术是光网络技术中的一次重大创新，在当今以节能减排为目标的绿色通信趋势下，集成技术也是未来发展的重要方向。光子集成技术在OTN网络中的应用，提供了带宽池的概念，能够充分发挥OTN的优势，使光传送网真正成为既满足业务需求又符合运营商长期利益的有效资源。