可重構(gòu)型分插復(fù)用器（ROADM）的市場前景和發(fā)展現(xiàn)狀

陳鵬，李芳，劉育梁
中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電子研發(fā)中心

摘要：可重構(gòu)型分插復(fù)用設(shè)備是光通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)備之一，本文主要介紹了可重構(gòu)型分插復(fù)用器（ROADM）的市場前景和發(fā)展現(xiàn)狀。

1 引言
OADM是光纖通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，它的基本功能是從光纖中下載光信道中通往本地的信號(hào)，同時(shí)上載本地用戶發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)用戶的信號(hào)進(jìn)入光纖信道，而不影響其他波長信道的傳輸，并且保持光域的透明性，可以處理任何格式和速率的信號(hào)。如果選擇某個(gè)或某些固定的波長信道進(jìn)行分插復(fù)用，則稱為非重構(gòu)OADM，也稱為固定OADM（Fixed OADM）；如果可以選擇性地分插復(fù)用某些需要的波長信道，則稱為可重構(gòu)OADM，即ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer)。

作為光傳送網(wǎng)的核心設(shè)備，ROADM的使用，相對(duì)于非重構(gòu)OADM，給網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營帶來了更多業(yè)務(wù)開展的便利和運(yùn)營成本的降低。首先，ROADM的使用支持波長級(jí)業(yè)務(wù)開展的需要。面對(duì)大客戶提供波長級(jí)業(yè)務(wù)（如支持SAN（Storage Area Network存儲(chǔ)局域網(wǎng)）等），使用ROADM節(jié)點(diǎn)設(shè)備，只需通過網(wǎng)管系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)端配置即可，極大地方便了這種新類型業(yè)務(wù)的開展，提高了對(duì)客戶新需求的反應(yīng)速度。其次，ROADM的使用便于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，降低運(yùn)營費(fèi)用。對(duì)于突發(fā)和難以預(yù)測(cè)的業(yè)務(wù)，ROADM通過提供節(jié)點(diǎn)的重構(gòu)能力，使得DWDM網(wǎng)絡(luò)也可以方便地重構(gòu)，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的要求就可以大大降低，而且應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的能力也大大增強(qiáng)，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率有很大的提升。另外，ROADM的使用便于維護(hù)和降低維護(hù)成本。采用ROADM，絕大多數(shù)日常維護(hù)操作（包括增開業(yè)務(wù)及進(jìn)行線路調(diào)整等）可通過網(wǎng)管進(jìn)行，不需要人工操作，極大提高工作效率，降低維護(hù)成本。

2 市場需求
由于ROADM具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，在過去的一年時(shí)間內(nèi)，ROADM在業(yè)界特別是發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，有相當(dāng)大的發(fā)展態(tài)勢(shì)，幾個(gè)重要的運(yùn)營商（主要在北美，包括AT&T Corp.、SBS Communication Inc.和Verizon Communications Inc.等）表現(xiàn)出用它來升級(jí)自己基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的興趣。Verizon Communications Inc.繼2003年秋采用ROADM技術(shù)升級(jí)Texas A&M大學(xué)的寬帶網(wǎng)絡(luò)之后，于日前又發(fā)布了10億美元的光設(shè)備需求建議書（RFP），據(jù)分析，其中ROADM設(shè)備的份額可能高達(dá)2億美元[1]。

根據(jù)Infonetics Research 2005年2月發(fā)布的最新調(diào)查報(bào)告顯示，2004年全球ROADM設(shè)備收入超過了1億美元，預(yù)計(jì)2005年還將增長一倍，并將以爆炸性的速度持續(xù)增長。 “對(duì)于一個(gè)新興市場而言，ROADM在2004年所取得的成績使許多ROADM器件和設(shè)備供應(yīng)商倍感驚奇和振奮，”Infonetics Research的首席分析師Michael Howard如是說，“北美和日本的運(yùn)營商引領(lǐng)了這股風(fēng)潮，發(fā)布了許多RFP/RFI，并進(jìn)行實(shí)質(zhì)性應(yīng)用。許多運(yùn)營商表示他們正在實(shí)驗(yàn)室評(píng)估這些ROADM設(shè)備，而越來越多的運(yùn)營商也對(duì)這項(xiàng)技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣。我們預(yù)計(jì)到2007年全球幾乎所有地區(qū)都會(huì)從固定OADM大規(guī)模轉(zhuǎn)向ROADM”。 Infonetics預(yù)計(jì)在未來數(shù)年內(nèi)ROADM和具備ROADM功能的設(shè)備將增加WDM系統(tǒng)的收入，取代SONET/SDH系統(tǒng)的收入。

在2005年的SUPERCOMM展會(huì)上，ROADM再次成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，但在熱鬧的背后，仍沒有出現(xiàn)大的訂單或網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)，對(duì)此，分析家給出了答案——價(jià)格是延緩其快速發(fā)展的重大障礙。Heavy Reading[1]在近期的研究報(bào)告中指出，盡管ROADM具備諸多優(yōu)異的性能，但目前ROADM設(shè)備的價(jià)格仍超出固定OADM很多，運(yùn)營商因此非常謹(jǐn)慎。

3 集成化ROADM研究現(xiàn)狀
研制集成化ROADM器件是降低ROADM設(shè)備成本的一條可行之路。目前在ROADM設(shè)備制造過程中，大多數(shù)設(shè)備制造商需要首先將注意力集中于分立器件上，將分立器件連接成合適的子系統(tǒng)之后，才能把他們的注意力轉(zhuǎn)移到設(shè)備本身需要重點(diǎn)考慮的網(wǎng)元監(jiān)控管理、網(wǎng)絡(luò)管理以及自愈保護(hù)等功能的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)上去。研制集成化ROADM器件的意義則在于，降低ROADM設(shè)備中光學(xué)器件的整體成本，直接為設(shè)備制造商提供了模塊化、高可靠性、具有多波長處理能力和多種功能、可靈活組合的核心光學(xué)部件，使得設(shè)備制造商能夠更加專注于設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)元管理、自愈保護(hù)設(shè)計(jì)等方面，而并非光器件的設(shè)計(jì)連接。ROADM設(shè)備的價(jià)格下降可以進(jìn)一步推動(dòng)光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

集成化ROADM器件的技術(shù)指標(biāo)要求必須綜合考慮網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的可升級(jí)性，同時(shí)需要滿足現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)和通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。ROADM的主要技術(shù)指標(biāo)包括：波長信道間隔、上下路波長數(shù)、串?dāng)_、上下路切換的響應(yīng)時(shí)間、路由指配能力等，同時(shí)還要考慮ROADM的可升級(jí)性。

目前ROADM器件的實(shí)現(xiàn)，從結(jié)構(gòu)上來講主要有三種思路，即波長選擇開關(guān)、廣播/選取和解復(fù)用/開關(guān)（矩陣）/復(fù)用。其中波長選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)和解復(fù)用/開關(guān)（矩陣）/復(fù)用結(jié)構(gòu)具有較大的上下載端口靈活性，且便于升級(jí)到OXC，且解復(fù)用/開關(guān)（矩陣）/復(fù)用結(jié)構(gòu)在波長數(shù)較大時(shí)具有相對(duì)更低的成本；廣播/選取結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)較為簡單，但上下路端口不可指配、不便于未來升級(jí)到OXC。

具體到實(shí)現(xiàn)集成化ROADM模塊的主要技術(shù)途徑，包括以下幾種：
1)、基于聲光可調(diào)諧濾波器（AOTF）
通常集成化AOTF采用各向異性的LiNO3晶體制作平面波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)，而集成化多信道ROADM則是由多個(gè)AOTF串聯(lián)而成，如圖1。目前基于AOTF的OADM的響應(yīng)速度可以達(dá)到ms量級(jí)，可調(diào)諧濾波范圍可覆蓋C波段，但其插入損耗大、濾波旁瓣較高、偏振相關(guān)性差等關(guān)鍵問題遲遲無法解決，例如在100GHz波長間隔的要求下，旁瓣抑制尚無法小于-20dB。這些都制約了該技術(shù)在ROADM中的應(yīng)用[2]。另外，AOTF中心波長具有較大的溫度相關(guān)特性，隨溫度的漂移值達(dá)到0.8nm/℃，所以基于AOTF的ROADM還需要與非常精密（控制到0.1℃）的溫度控制裝置配合使用。

2)、基于光纖光柵（FBG）濾波器
FBG濾波器具有插損小，偏振相關(guān)性小的特點(diǎn)，通常與環(huán)行器、光開關(guān)聯(lián)合使用之后串聯(lián)實(shí)現(xiàn)多信道ROADM，圖2(a)是傳統(tǒng)使用3端口環(huán)行器的ROADM結(jié)構(gòu)，圖2(b)是Melbourne大學(xué)研究者使用多端口環(huán)行器實(shí)現(xiàn)的ROADM結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)在于，F(xiàn)BG濾波器必須與隔離器、環(huán)行器同時(shí)使用才能構(gòu)成ROADM，不利于集成化[3]；而且FBG濾波器濾波中心波長的調(diào)諧目前也沒有可靠的手段。
 

3)、基于光子晶體
光子晶體以其極富吸引力的光學(xué)禁帶特性和未來可能的廣泛應(yīng)用前景，成為了近年來各國科學(xué)家研究的熱點(diǎn)，但由于基于光子晶體的器件在與光纖的高效耦合、器件的偏振控制等基本問題上都還沒有得到很好的解決，利用光子晶體進(jìn)行集成化ROADM的研究還停留在設(shè)想階段。

4)、基于環(huán)形諧振器（Micro-ring Resonator）
環(huán)形諧振器是基于平面波導(dǎo)工藝的一種濾波技術(shù)，使用環(huán)形諧振腔的諧振效應(yīng)來上下載相應(yīng)的諧振波長，通過與光開關(guān)配合使用可以實(shí)現(xiàn)多波長ROADM。該技術(shù)具有尺寸極小、結(jié)構(gòu)簡單、線寬窄等優(yōu)點(diǎn)，但由于與光纖耦合損耗過大、諧振波長的偏振相關(guān)特性難以控制等缺點(diǎn)[4]，使其相對(duì)實(shí)用化的目標(biāo)還有較大的距離。

5)、混合集成Si基ROADM
利用微機(jī)械加工的硅微光學(xué)平臺(tái)（SiOB），選取適合集成的復(fù)用/解復(fù)用器件和光開關(guān)陣列器件，在該平臺(tái)上進(jìn)行集成化，實(shí)現(xiàn)混合集成Si基ROADM�；旌霞�成為各個(gè)單元器件的設(shè)計(jì)提供了更多的自由度。不同類別的器件可以分別選擇各自最合適的材料以及最佳工藝以便取得最好性能。對(duì)于復(fù)用/解復(fù)用部分，可選的技術(shù)包括AWG和波導(dǎo)光柵等。SiO2基AWG具有高穩(wěn)定性、可靠性、大信道數(shù)解復(fù)用的易實(shí)現(xiàn)性，因其基于平面波導(dǎo)技術(shù)它還具有集成化的優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)很好的選擇[5]。而對(duì)于光開關(guān)陣列部分，可選的技術(shù)包括平面波導(dǎo)開關(guān)和MEMS光開關(guān)等。SOI的熱光開關(guān)由于具有較大的熱光系數(shù)，響應(yīng)速度已經(jīng)可以達(dá)到微秒量級(jí)[6]，較好地滿足了ROADM設(shè)備切換時(shí)間短的要求；而MEMS光開關(guān)矩陣具有低損耗、低串?dāng)_、低偏振敏感性、高消光比、易于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)[7]。利用合適的集成技術(shù)，將各部分有效地集成到一起，將可實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的集成化ROADM。如何付出最小的集成化代價(jià)獲得最好的性能是該方案需要關(guān)注的主要問題。
 

4 結(jié)論
總結(jié)上面的幾種技術(shù)，由于能夠選擇最佳性能的功能單元進(jìn)行集成，硅基混合集成是最有希望集成出性能優(yōu)良的ROADM的技術(shù)，將成為未來ROADM的技術(shù)主流之一。對(duì)于硅基集成化ROADM的研究，國外有Xerox、Dupont[8]等公司正在進(jìn)行相應(yīng)的研發(fā)；而在國內(nèi)，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在國家自然科學(xué)基金90104003和國家863計(jì)劃2001AA312250支持下，對(duì)硅基集成化OADM中的各個(gè)功能單元進(jìn)行了研究，其中包括復(fù)用/解復(fù)用單元、功率均衡單元、信道監(jiān)測(cè)單元（可調(diào)諧硅探測(cè)器）等。半導(dǎo)體所目前正在進(jìn)行進(jìn)一步集成化的研究工作，在研究過程中存在的主要難點(diǎn)在于，如何認(rèn)識(shí)在集成過程中各部分功能單元的相互關(guān)系；各部分功能單元如何組合達(dá)到以最小的集成化代價(jià)實(shí)現(xiàn)合乎要求的性能；如何高效實(shí)現(xiàn)各功能單元光學(xué)連接和熱控制等。

參考文獻(xiàn)
[1] http://www.heavyreading.com/
[2]  崔建民，馮立輝，孫雨南，崔芳，用于OADM的集成聲光可調(diào)諧濾波器的性能分析，光子學(xué)報(bào)，第32卷，第12期，頁碼：1430－1433，2003.
[3] An Vu Tran, “Reconfigurable Multichannel Optical Add–Drop Multiplexers Incorporating Eight-Port Optical Circulators and Fiber Bragg Gratings,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 13, No. 10, pp.1100-1102, 2001.
[4] Sai T. Chu, Brent E. Little, Wugen Pan, “An Eight-Channel Add–Drop Filter Using Vertically Coupled Microring Resonators over a Cross Grid,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11, No. 6, pp. 691-693, 1999.
[5] http://www.jdsu.com/
[6] Jingwei Liu; Jinzhong Yu; Shaowu Chen; Zhiyong Li, “Integrated folding 4×4 optical matrix switch with total internal reflection mirrors on SOI by anisotropic chemical etching,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 17, No. 6, pp.1187 – 1189, 2005
[7] Tze-Wei Yeow, Law, K.L.E., Goldenberg A., “MEMS optical switches  Communications Magazine,”  Proc. IEEE, Vol. 39, No. 11, pp. 158 – 163, 2001.
[8] A. M. Radojevic, J. Fujita, R. U. Gerhardt, T. Izuhara, and L. A. Eldada, “Hybrid-Integrated ROADM for Reconfigurable Optical Networks,” Proc. ECOC, Tu1.4, 2004.

作者簡介
陳鵬，男，1981年生。2002年于清華大學(xué)機(jī)械工程系獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)于中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所攻讀碩士學(xué)位，師從劉育梁研究員。主要研究興趣為集成光學(xué)器件。

李芳，女，1975年生。1993年進(jìn)入北京理工大學(xué),并于2002年3月獲得博士學(xué)位,2002年3月至2004年6月在中科院半導(dǎo)體所從事博士后研究工作，并留所工作�，F(xiàn)為中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所副研究員。

劉育梁，男，1966年生。2000年入選中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”。現(xiàn)為中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、博士生導(dǎo)師、半導(dǎo)體集成技術(shù)工程中心副主任、中國科學(xué)院微系統(tǒng)中心戰(zhàn)略專家委員會(huì)委員、微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。主要研究方向是：1、用于下一代智能光網(wǎng)絡(luò)的半導(dǎo)體光子芯片及其混合集成子系統(tǒng)；2、大規(guī)模光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用。