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。