全光信号处理技术，中国信通院赵鑫等:超大容量全光交叉技术及应用分析研究

0 前言

5G、4K/8K视频、大数据、云互联等业务的快速发展将进一步加剧数据流量的持续爆发式增长，对骨干网络的节点处理能力提出重大挑战。光传送网络中传统的固定光分插复用（FOADM）技术无法实现动态光路调整（需要人工干预）。可重构光分插复用（ROADM）是目前全光交叉应用的主要技术实现方式。超高容量全光交叉技术在传统ROADM技术的基础上进一步发展，支持方向无关、波长无关、无竞争和灵活的网格特性，同时还引入了光Masu等新器件。背板和更大的WSS满足更大的交叉连接要求，包括更高的容量、更多的维度、更方便的运维、更高的集成度和更全面的管理能力，已成为光网络发展的技术热点。

1 超高容量全光交叉技术发展现状

随着光传送网络技术的不断演进和发展，单纤传输容量迅速提升，进入数十Tbit/s时代。网络对大容量全光交叉调度能力的需求日益凸显。同时，5G、云、数据中心互联等新业务对大带宽、灵活高效的网络能力提出了更高的要求。超高容量全光交叉技术通过端到端的全光传输和交换（中间无电转换）实现超高容量的数据传输。基于全光交叉节点的组网，实现了光层业务的端到端一跳直传，在满足新业务超低时延要求的同时，也满足了灵活带宽等网络需求。协调和高效的服务提供。

全光网络一直是光传送网络技术发展的愿景，包括光电路交换（OCS）、光突发交换（OBS）、光标签交换（OLS）、光分组交换（OPS）等光技术），是向全光网络演进的一个重要研究方向。目前，全光网络的发展仍受限于光存储、光处理、波长转换技术的成熟度和成本，而光路交换以外的技术主要处于学术研究阶段，尚未实现商业化。不是。可以在网络规模上部署的功能。得益于近年来的技术创新，基于光路交换的全光交叉技术正在电信级干线网络的大规模建设和实际应用中取得进展。

受限于光交叉设备的技术发展水平，传统ROADM网络中的光交叉单元的内部维度有限（小于20个维度），并且可以划分为各种具有不同业务传输灵活性的单独单元。的设备。光层的调度也受到严格限制。传统ROADM在实现不同维度和本地上下行业务之间的波长调度功能时，光层组网节点和光纤连接的内部结构相对复杂，网络建设和维护管理不方便。超高容量光交叉技术是在传统ROADM技术的基础上演进的，可以满足网络带宽不断增加、网络时延降低、业务调度更加灵活的需求，同时提供更多的大容量目标和高维。用于管理和控制维护的全光交叉连接技术的进步提高了效率并简化了部署（见图1）。

图1 光网络演进过程

2 超高容量全光交叉节点结构

全光交叉节点的典型配置由光交叉单元（光交叉矩阵）、光线路/分支单元（输入接口/输出接口）和管理控制单元组成。参考模型如图2 所示。光线路单元和光分支单元直接与光交叉单元连接，实现输入输出信号的交叉和调度。管理控制设备对光交叉单元、光线路单元、光分支单元进行控制和监控。其中，光线路单元和光分支单元可以通过MPO光纤或光连接器直接与光交叉单元连接。光交叉单元是全光交叉的核心部件，具有宽带、无阻塞、低时延的特点，可与光线路、光分支单元结合实现单向运行。双向、广播连接和服务传输能力。

图2 全光跨节点结构参考模型

在全光跨节点结构中，光线路单元主要采用WSS设备实现光线路的业务调度功能，光分支单元主要采用MCS或NM ADWSS[3]设备实现业务调度添加/实现光线路的功能。分出功能；光交叉单元目前采用光背板和光纤接线盒两种实现方式来实现光线路与光分路单元之间的连接。因此，全光交叉节点结构目前主要采用两种主流方案。 WSS+光背板和WSS+光纤接线盒，可实现全光跨节点CDF和CDCF功能。其中，采用CDF全光交叉节点结构的线路单元通过光背板/光纤接线盒连接用于输入/输出功能的WSS和用于本地上下行业务功能的WSS。不同的端口服务不同的波长（见图3）。

图3 CDF的全光交叉节点结构

CDCF全光交叉节点结构的光线路单元与CDF全光交叉节点结构类似，光分支单元由NM个ADWSS或MCS组成，实现业务上下无阻塞功能。支持不同端口、不同波长的CDCF特性（见图4）。 MCS和NM ADWSS技术是全光交叉上下业务的两种主要技术选择。其中，使用MCS器件的分插方法通常需要EDFA光放大器阵列来补偿MCS器件对光功率的影响。此外，随着光线路单元的尺寸增加，如果NM光分支单元的N变得小于光线路单元的尺寸总数Nf，则存在服务被阻塞的可能性。因此，光分路单元模块和器件的高度集成是全光交叉技术发展的重要条件。

图4 CDCF全光交叉节点结构

3 超高容量全光交叉技术特性分析

超高容量全光交叉技术在可维护性、维度性、集成性、可管理性方面的主要特点如下。

（1）更好的可扩展性/可维护性，更大的跨能力和维度。光交叉电路规模的不断扩大，使得节点内连接的光纤数量显着增加，使得手工连纤的成本和误接率显着增加。超大容量全光交叉节点结构，简化了大容量调度节点的运维，实现了向大容量、超高速传输系统的平滑演进。超高容量全光交叉技术，随着WSS器件尺寸的增大，电路可调度尺寸和交叉容量显着增加，提高了尺寸扩展性。

(2)提高集成度和能耗；采用超高容量全光交叉技术的节点相比传统ROADM节点可节省50%~75%的空间，减少90%的光纤连接数量（以32维为例）。功耗可降低20%~40%。支线与轨道之间实现零人工光纤连接，可满足骨干机房高维应用的挑战，有效节省机房空间。减少机房能源消耗。

基于分析不断增长的网络流量和新业务对光网络的影响和需求，我们从超高容量全光交叉技术、交叉技术的发展现状和趋势等方面进行研究。 -连接技术。 -连接节点结构、技术特性分析、应用分析。高带宽新业务的持续发展揭示了利用WSS实现超高容量全光交叉技术的应用需求。另外，光背板/光纤连接盒是目前业界采用的主要解决方案。超高容量全光交叉技术具有更好的扩展性/可维护性、更大的交叉容量和尺寸、更好的集成性、更明显的管理效益。超高容量全光交叉技术支持波长级和端口级场景两种典型应用。超大容量全光交叉技术的发展和相关产业化进程的稳步推进，可以有效支撑我国超大容量宽带基础设施网络的建设。

参考

[1]中国信息通信研究院，超高容量全光交叉技术及应用研究[R]，2023年。

[2]李云波，光传送网（OTN）技术原理与应用[M]，北京：人民邮电出版社，2023。

[3] Zami T, Lavigne B. 无争议的NM adWSS 的网络级优势[C]//光纤通信会议，2023 年。

关于作者

赵鑫，中国信息通信研究院技术标准研究所宽带网络研究部工程师，主要从事高速光通信领域的技术和标准研究。

唐锐，中国信息通信研究院技术标准研究所宽带网络研究部高级工程师，主要从事高速光通信领域的技术和标准研究。

唐晓华，中国信息通信研究院技术标准研究所宽带网络研究部工程师，主要从事高速光通信领域的技术和标准研究。 **基金项目：国家重点研发计划资助（编号：2023YFB1802905）

本文发表于

《信息通信技术与政策》

2023年第5期