全光交换透明传输网络的挑战及创新

引言
     John Donne在1623年沉思第17篇《紧急时刻的祈祷》中 说到：“没有人能自全， 没有人是孤岛...”。人类在相互隔 绝时很难强盛，这句话凸显了沟通的重要性。早在远古时代 就有了光通信，从狼烟到信号灯、标记以及旗语。
现代光通信的涌现得益于相干光源(激光)的调制技术和传输介质(光缆)。以模拟带宽表示，1nm波段在1300nm时 相当于178GHz，1500nm时为133GHz。所以，光缆的可用带 宽总计接近30THz。对于应用广泛的键控调制，其理论带宽 效率为1bps/Hz，如果不考虑光缆的非理想因素，即可达到30Tbps的数字带宽。
由于光缆潜力巨大，以绝对优势代替铜缆作为首选的 传输介质，大幅提高传输过程的单链路带宽。如图1所示， 过去十年见证了网络模式从定向连接通信到以宽带IP为中心 的包交换数据传输的转变。所有这些流量都受到宽带应用的

图1  全球IP流量增长预测。
数据来源于Cisco报告(Cisco  Visual  Networking  Index:Forecast and Methodology 2013–2018)推动，这些应用造成光缆长距离通信领域数据率永无止境的
增长。此类宽带应用的有效性在不明显增加运营成本的前提 下快速、可靠地传输数据。这也迫使研究人员不断创建新的 技术，调整码率、协议及格式，以支持高速网络的性能扩 展。随着现代化网络在规模和复杂度上的扩充，涌现出了许 多新技术，以支持最基本的网络功能并有效利用光缆潜力： 路由、交换以及多路复用。

1 透明传输
网络透明性可根据物理层参数(例如带宽、信噪比)进行 定义；也可以是对光信号的测量，而不是在光电转换进行。 透明性也指系统支持的信号类型，包括调制格式和码率。综 合以上因素，全光网络(AON)的透明传输通常定义为在整个 网络中信号始终保持在光域的网络。透明传输网络由于其灵 活性和较高的数据率而极富吸引力。相反，如果一个网络要 求其网络节点了解底层的分组格式和码率，则该网络就不是 透明的。缺乏透明性是当前网络的一项紧迫问题，因为在电子

图2  2D MEMS开关示例
域 处 理 数 据 流会 造 成 较 大 的 光 - 电 带 宽 不 匹 配 。 目 前 的 单 波 长 带 宽 为1 0 G b p s  ( O C -192/STM-64)，不 远 的 将 来 可

图3  由超声波产生衍射光栅
能超过100Gbps (OC-3072/STM-1024)。随着数据速率不断攀 升，电信号处理很难赶上光子速率，尤其是器件尺寸正快速 接近量子极限。此外，高速电信号传输要求昂贵的基础设施 升级改造。任何网络升级都要求更换所有的淘汰设备(“叉 车式升级” )， 并涉及到大规模检修已有的基础设施。 然 而，AON的数据率仅受限于端站能力，从而避免了这一问 题。所以，链路升级不要求更改核心设备，运营商能够更加 容易地升级网络，满足客户要求、提升服务。
设备实施技术的进步使得AON成为可能，其中某种输 入波长的光信号可传输到输出链路时，波长相同，无需转换 到电子域。这些AON网络信号的码率可以不同，因为在核 心网上没有端点。这种码率、格式以及协议的透明性对下一 代光网络极其重要。

2  交换技术
根据实施技术的不同，光交换可广义分为不透明和透 明传输两种。不透明交换也称为光交叉连接(OCX)，将输入光信号转换为电子形式。然后利用交换结构以电子形式实现交换， 将产生的信号在输出端口再转换回光形式。将信号转换到电 子域具有多种优势，包括再生、自由波长转换以及更好的性 能和故障管理。然而，光-电-光(OEO)转换为上述非透明交 换带来了困难。透明交换也称为光子交叉连接(PCX)，不进行任何OEO转换。这就允许其功能与数据类型、格式或速率无关，尽管 仅限于一定波长范围内，即所谓的通带。切实可行的PCX技术应在交换速度、消光比、扩展性、插入损耗(IL)、偏振相关损耗(PDL)以及功耗等方面表现出优越性。
微机电系统(MEMS)是实现光交换的强大途径，因为 MEMS系统在单晶片上独特地集成了光、机械以及电子元 件。MEMS开关使用的微镜能够将光束重新定向到对应端 口。MEMS使用的执行结构有所不同：静电与静磁式、闭锁 式与非闭锁式。还可进一步分为2D或3D MEMS。2D开关更 容易控制、容限较严格，但由于光损原因不容易扩展。3D开关允许在两个轴上移动，提高了扩展性，所以容限严格得 多。由于射束发散性(约3dB)，MEMS开关容易产生较高的 IL，开关时间较慢(ms)、要求较高激励电压/电流，以及非 闭锁配置的功耗较高(约80mW)。图2所示为2D MEMS开关 的一个例子。
声 光 (AO)开 关 使 用 在 晶 体 或 平 面 波 导 中 传 输 的 超 声波，将光从一个通路反射到另一个通路，如图3所示。机械 振动使材料内部产生规则的受压区或张力带。在大多数材料 中，这种压缩或张力造成折射率变化。折射率的周期性变 化形成一个衍射光栅，使入射光产生衍射。通过控制超声 波幅值和频率，即可控制被衍射光的总量和波长。AO开关 处理较高的功率水平、具有合理的IL(约3dB)和开关时间(约
40μs)，但隔离(约-20dB)和功率效率较差，以及存在固有的波长相关性。
电-光(EO)开关利用了材料在所加电压变化时物理特性 发生变化的优点。这些开关使用了液晶、交换波导布拉格 (Bragg)光栅、半导体光放大器(SOA)和LiNbO3。图4所示的 EO开关利用LiNbO3使材料的折射率随场强发生线性变化。 根据变化形式的不同，此类EO开关的开关时间为1ns - 1ms， 隔离为-10 - -40dB，IL范围从不到1dB至10dB。然而，其中大 多数开关具有很强的波长相关性，有些不要求较高的驱动电 压。
基于半导体光放大器(SOA)的开关也存在有限的动态范围，潜在地产生交调和互调。热-光(TO)开关基于波导的热- 光效应或材料的热效应 。干涉式TO开关对干涉仪一条桥臂 的材料进行加热，相对于另一桥臂产生相移。该过程造成两 个光束在重新组合时产生干涉效应。数字式TO开关利用 硅片两个波导的相互影响， 如 图 5 所 示 。 对 材 料 加 热 造 成波导折射率

图4  使用LiNbO3晶体的EO开关    

图5  数字式TO波动开关

图6  Sagnac开关实现方法概览  

图7  Sagnac开关实现方法概览
差，从而改变输出端口的选择性。尽管PDL性能优异，由于 加热过程，数字式TO开关功耗较高(约70mW)，开关时间较 慢(ms)。
磁-光(MO)开关基于偏振光的法拉第效应，光以施加磁 场方向通过磁光材料时，会产生法拉第效应。电磁波偏振 的变化是间接控制其正交分量相对相位的方法。实现方法之 一是利用磁光材料中的法拉第效应，即将偏振态旋转θ F (法 拉第转角)。磁-光开关利用干涉仪将这种相位调制转换为调 幅；这些开关的明显优点是可以处理较高功率。尽管之前已 经做了一些工作来研究这些类型的开关，但由于缺乏高质量 的MO材料，阻碍了进一步发展。铋取代铁榴石和正铁氧体 领域的最新进展已经产生了具有高MO品质因数、较低IL、 超宽频带，并且施加较小磁场即可产生更大旋转的材料。

3 新技术、新成果
作者之前已经提出了马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，基于 光纤的MO开关，使用铋取代铁榴石(BIG)作为法拉第旋转 器(FR)。尽管新开关设计显示出优良的性能并且兼容当代的 光网络元件，但由于干涉仪通路上存在不可避免的不匹配， 消光比较低。
为了解决基于光纤的MZI开关的缺点，最近提出了集成 版本，并正在紧张开发中。在调研的同时，提出了一种塞 格纳克(Sagnac)干涉仪配置，其中将BIG FR安装在光缆回路 中，如图6所示。利用混合耦合器将线性偏振输入波(E1+)分为两个幅值相等、相差90°的对向传播波(E3-、E4-)。将这两个波注入Sagnac环路，随后到达FR。然后FR将其偏振态旋 转法拉第转角θ F，该转角与应用至FR的磁场强度成比例， 然后再回到耦合器(E 3+、E 4+)。 由于法拉第旋转的不可逆 性，两个对向传播波经过大小相等、方向相反的旋转(即， θ F 和-θ F)。利用琼斯计算法将其体现在(式1)和(式2)中， 其中Ex和Ey分别为入射波的x和y分量；T为透射系数；φ 为 Sagnac环路长度引起的相位变化。
假设端口2没有输入波，那么干涉仪端口的输出可表示 为(式3)。未施加磁场时(θ F = 0°)时，输入波返回到端口1 的相移为90°。如果施加足够大的磁场(θ F  = 90°)，将输 入波重定向到端口2。

假设端口2没有输入波，那么干涉仪端口的输出可表示为(式3)。未施加磁场时(θ F  = 0°)，输入波返回到端口1的 相移为90°。如果施加足够大的磁场(θ F  = 90°)，将输入 波重定向到端口2。如图7所示，磁场密度为3.58kA/m时，开关时间达到700ns，远远优于MZI开关(12.7kA/m时为2μs)。然而，仍然 可以改进，因为原理上可达到的开关速度取决于磁畴壁的速 度，而后者已经测得可达到10km/s数量级。
改进开关性能的可能方法包括采用不同的线圈结构和 驱动器配置。作者最近已经提出了这两种概念，并且取得了 非常可喜的成果，证明上升时间可缩短至77ns，下降时间缩 短至129ns。

5  结束语
文 章 总 结 了 现 代 光 通 信 系 统 的 发 展 趋 势 和 存 在 的 问 题。执行基本功能(路由、交换及多路复用)的透明网络元件 是实现更可靠、扩展性强、互联性强光网络的关键。文章还 介绍了用于全光通路的小规模、高速交换技术的最新进展。 展示了美国爱荷华州立大学(Iowa State University)最新设计的 交换技术试验结果。