可重构型分插复用器（ROADM）的市场前景和发展现状

陈鹏，李芳，刘育梁
中国科学院半导体研究所光电子研发中心

摘要：可重构型分插复用设备是光通信网络中的关键节点设备之一，本文主要介绍了可重构型分插复用器（ROADM）的市场前景和发展现状。

1 引言
OADM是光纤通信网络的节点设备，它的基本功能是从光纤中下载光信道中通往本地的信号，同时上载本地用户发往其他节点用户的信号进入光纤信道，而不影响其他波长信道的传输，并且保持光域的透明性，可以处理任何格式和速率的信号。如果选择某个或某些固定的波长信道进行分插复用，则称为非重构OADM，也称为固定OADM（Fixed OADM）；如果可以选择性地分插复用某些需要的波长信道，则称为可重构OADM，即ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer)。

作为光传送网的核心设备，ROADM的使用，相对于非重构OADM，给网络的运营带来了更多业务开展的便利和运营成本的降低。首先，ROADM的使用支持波长级业务开展的需要。面对大客户提供波长级业务（如支持SAN（Storage Area Network存储局域网）等），使用ROADM节点设备，只需通过网管系统进行远端配置即可，极大地方便了这种新类型业务的开展，提高了对客户新需求的反应速度。其次，ROADM的使用便于进行网络规划，降低运营费用。对于突发和难以预测的业务，ROADM通过提供节点的重构能力，使得DWDM网络也可以方便地重构，因此对网络规划的要求就可以大大降低，而且应对突发情况的能力也大大增强，使整个网络的效率有很大的提升。另外，ROADM的使用便于维护和降低维护成本。采用ROADM，绝大多数日常维护操作（包括增开业务及进行线路调整等）可通过网管进行，不需要人工操作，极大提高工作效率，降低维护成本。

2 市场需求
由于ROADM具有显著的优点，在过去的一年时间内，ROADM在业界特别是发达国家和地区，有相当大的发展态势，几个重要的运营商（主要在北美，包括AT&T Corp.、SBS Communication Inc.和Verizon Communications Inc.等）表现出用它来升级自己基础网络的兴趣。Verizon Communications Inc.继2003年秋采用ROADM技术升级Texas A&M大学的宽带网络之后，于日前又发布了10亿美元的光设备需求建议书（RFP），据分析，其中ROADM设备的份额可能高达2亿美元[1]。

根据Infonetics Research 2005年2月发布的最新调查报告显示，2004年全球ROADM设备收入超过了1亿美元，预计2005年还将增长一倍，并将以爆炸性的速度持续增长。 “对于一个新兴市场而言，ROADM在2004年所取得的成绩使许多ROADM器件和设备供应商倍感惊奇和振奋，”Infonetics Research的首席分析师Michael Howard如是说，“北美和日本的运营商引领了这股风潮，发布了许多RFP/RFI，并进行实质性应用。许多运营商表示他们正在实验室评估这些ROADM设备，而越来越多的运营商也对这项技术表现出浓厚的兴趣。我们预计到2007年全球几乎所有地区都会从固定OADM大规模转向ROADM”。 Infonetics预计在未来数年内ROADM和具备ROADM功能的设备将增加WDM系统的收入，取代SONET/SDH系统的收入。

在2005年的SUPERCOMM展会上，ROADM再次成为人们关注的焦点，但在热闹的背后，仍没有出现大的订单或网络铺设，对此，分析家给出了答案——价格是延缓其快速发展的重大障碍。Heavy Reading[1]在近期的研究报告中指出，尽管ROADM具备诸多优异的性能，但目前ROADM设备的价格仍超出固定OADM很多，运营商因此非常谨慎。

3 集成化ROADM研究现状
研制集成化ROADM器件是降低ROADM设备成本的一条可行之路。目前在ROADM设备制造过程中，大多数设备制造商需要首先将注意力集中于分立器件上，将分立器件连接成合适的子系统之后，才能把他们的注意力转移到设备本身需要重点考虑的网元监控管理、网络管理以及自愈保护等功能的设计以及实现上去。研制集成化ROADM器件的意义则在于，降低ROADM设备中光学器件的整体成本，直接为设备制造商提供了模块化、高可靠性、具有多波长处理能力和多种功能、可灵活组合的核心光学部件，使得设备制造商能够更加专注于设备的网络和网元管理、自愈保护设计等方面，而并非光器件的设计连接。ROADM设备的价格下降可以进一步推动光网络的发展。

集成化ROADM器件的技术指标要求必须综合考虑网络应用的可升级性，同时需要满足现有国家标准和通信行业标准。ROADM的主要技术指标包括：波长信道间隔、上下路波长数、串扰、上下路切换的响应时间、路由指配能力等，同时还要考虑ROADM的可升级性。

目前ROADM器件的实现，从结构上来讲主要有三种思路，即波长选择开关、广播/选取和解复用/开关（矩阵）/复用。其中波长选择开关结构和解复用/开关（矩阵）/复用结构具有较大的上下载端口灵活性，且便于升级到OXC，且解复用/开关（矩阵）/复用结构在波长数较大时具有相对更低的成本；广播/选取结构虽然结构较为简单，但上下路端口不可指配、不便于未来升级到OXC。

具体到实现集成化ROADM模块的主要技术途径，包括以下几种：
1)、基于声光可调谐滤波器（AOTF）
通常集成化AOTF采用各向异性的LiNO3晶体制作平面波导来实现，而集成化多信道ROADM则是由多个AOTF串联而成，如图1。目前基于AOTF的OADM的响应速度可以达到ms量级，可调谐滤波范围可覆盖C波段，但其插入损耗大、滤波旁瓣较高、偏振相关性差等关键问题迟迟无法解决，例如在100GHz波长间隔的要求下，旁瓣抑制尚无法小于-20dB。这些都制约了该技术在ROADM中的应用[2]。另外，AOTF中心波长具有较大的温度相关特性，随温度的漂移值达到0.8nm/℃，所以基于AOTF的ROADM还需要与非常精密（控制到0.1℃）的温度控制装置配合使用。

2)、基于光纤光栅（FBG）滤波器
FBG滤波器具有插损小，偏振相关性小的特点，通常与环行器、光开关联合使用之后串联实现多信道ROADM，图2(a)是传统使用3端口环行器的ROADM结构，图2(b)是Melbourne大学研究者使用多端口环行器实现的ROADM结构。其缺点在于，FBG滤波器必须与隔离器、环行器同时使用才能构成ROADM，不利于集成化[3]；而且FBG滤波器滤波中心波长的调谐目前也没有可靠的手段。
 

3)、基于光子晶体
光子晶体以其极富吸引力的光学禁带特性和未来可能的广泛应用前景，成为了近年来各国科学家研究的热点，但由于基于光子晶体的器件在与光纤的高效耦合、器件的偏振控制等基本问题上都还没有得到很好的解决，利用光子晶体进行集成化ROADM的研究还停留在设想阶段。

4)、基于环形谐振器（Micro-ring Resonator）
环形谐振器是基于平面波导工艺的一种滤波技术，使用环形谐振腔的谐振效应来上下载相应的谐振波长，通过与光开关配合使用可以实现多波长ROADM。该技术具有尺寸极小、结构简单、线宽窄等优点，但由于与光纤耦合损耗过大、谐振波长的偏振相关特性难以控制等缺点[4]，使其相对实用化的目标还有较大的距离。

5)、混合集成Si基ROADM
利用微机械加工的硅微光学平台（SiOB），选取适合集成的复用/解复用器件和光开关阵列器件，在该平台上进行集成化，实现混合集成Si基ROADM。混合集成为各个单元器件的设计提供了更多的自由度。不同类别的器件可以分别选择各自最合适的材料以及最佳工艺以便取得最好性能。对于复用/解复用部分，可选的技术包括AWG和波导光栅等。SiO2基AWG具有高稳定性、可靠性、大信道数解复用的易实现性，因其基于平面波导技术它还具有集成化的优点，是一个很好的选择[5]。而对于光开关阵列部分，可选的技术包括平面波导开关和MEMS光开关等。SOI的热光开关由于具有较大的热光系数，响应速度已经可以达到微秒量级[6]，较好地满足了ROADM设备切换时间短的要求；而MEMS光开关矩阵具有低损耗、低串扰、低偏振敏感性、高消光比、易于大规模集成等优点[7]。利用合适的集成技术，将各部分有效地集成到一起，将可实现性能优良的集成化ROADM。如何付出最小的集成化代价获得最好的性能是该方案需要关注的主要问题。
 

4 结论
总结上面的几种技术，由于能够选择最佳性能的功能单元进行集成，硅基混合集成是最有希望集成出性能优良的ROADM的技术，将成为未来ROADM的技术主流之一。对于硅基集成化ROADM的研究，国外有Xerox、Dupont[8]等公司正在进行相应的研发；而在国内，中国科学院半导体研究所在国家自然科学基金90104003和国家863计划2001AA312250支持下，对硅基集成化OADM中的各个功能单元进行了研究，其中包括复用/解复用单元、功率均衡单元、信道监测单元（可调谐硅探测器）等。半导体所目前正在进行进一步集成化的研究工作，在研究过程中存在的主要难点在于，如何认识在集成过程中各部分功能单元的相互关系；各部分功能单元如何组合达到以最小的集成化代价实现合乎要求的性能；如何高效实现各功能单元光学连接和热控制等。

参考文献
[1] http://www.heavyreading.com/
[2]  崔建民，冯立辉，孙雨南，崔芳，用于OADM的集成声光可调谐滤波器的性能分析，光子学报，第32卷，第12期，页码：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.

作者简介
陈鹏，男，1981年生。2002年于清华大学机械工程系获得学士学位，现于中国科学院半导体研究所攻读硕士学位，师从刘育梁研究员。主要研究兴趣为集成光学器件。

李芳，女，1975年生。1993年进入北京理工大学,并于2002年3月获得博士学位,2002年3月至2004年6月在中科院半导体所从事博士后研究工作，并留所工作。现为中国科学院半导体研究所副研究员。

刘育梁，男，1966年生。2000年入选中国科学院“百人计划”。现为中国科学院半导体研究所研究员、博士生导师、半导体集成技术工程中心副主任、中国科学院微系统中心战略专家委员会委员、微细加工光学技术国家重点实验室学术委员会委员。主要研究方向是：1、用于下一代智能光网络的半导体光子芯片及其混合集成子系统；2、大规模光纤传感网络的关键技术及其工业应用。