在過去十年中，高帶寬應(yīng)用的涌入推動(dòng)了從面向連接的通信到以IP為中心的高帶寬數(shù)據(jù)流量的范式轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變凸顯了對(duì)比特率、協(xié)議和格式不敏感的透明網(wǎng)絡(luò)的需求。隨著這些現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)在規(guī)模和復(fù)雜性方面的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了新技術(shù)來(lái)促進(jìn)最基本的網(wǎng)絡(luò)功能：路由、交換和多路復(fù)用。本文回顧了光交換的最新技術(shù)，以及光網(wǎng)絡(luò)中高速交換的趨勢(shì)和需求。還介紹和討論了愛荷華州立大學(xué)高速系統(tǒng)工程計(jì)劃在全光交換機(jī)方面的一些最新發(fā)展。

介紹

約翰·多恩（John Donne）在1623年說(shuō)過：“沒有人是一座孤島，它本身就是一個(gè)完整的......”在緊急場(chǎng)合的奉獻(xiàn)中，冥想十七。人類在孤立時(shí)不會(huì)茁壯成長(zhǎng);因此，他的講道強(qiáng)調(diào)了溝通的巨大重要性。毫不奇怪，光通信可以追溯到古代，從火和煙霧信號(hào)到信號(hào)燈、旗幟和信號(hào)燈。

現(xiàn)代光通信隨著可以調(diào)制的強(qiáng)大相干光源（激光1）和合適的傳輸介質(zhì)（光纖2).以模擬帶寬表示，1nm 波段在 1300nm 處轉(zhuǎn)換為 178GHz 的帶寬，在 1500nm 處轉(zhuǎn)換為 133GHz 的帶寬。因此，光纖的總可用帶寬約為30THz。假設(shè)普遍存在的開-關(guān)鍵控格式的理論帶寬效率為1bps/Hz，如果忽略光纖非理想性，則可以預(yù)期30Tbps的數(shù)字帶寬。

鑒于光纖的巨大潛力，它們主要取代銅作為首選的傳輸介質(zhì)也就不足為奇了，在此過程中大大增加了單鏈路帶寬。如圖1所示，過去十年見證了網(wǎng)絡(luò)范式的轉(zhuǎn)變，從面向連接的通信轉(zhuǎn)變?yōu)橐訧P為中心的高帶寬分組交換數(shù)據(jù)流量。所有這些流量都是由高帶寬應(yīng)用程序的涌入驅(qū)動(dòng)的3這導(dǎo)致了對(duì)光長(zhǎng)距離通信中提高數(shù)據(jù)速率的永不滿足的需求。4此類高帶寬應(yīng)用程序的可用性在很大程度上依賴于以快速可靠的方式傳輸數(shù)據(jù)的能力，而不會(huì)顯著增加運(yùn)營(yíng)和擁有成本。因此，研究人員被迫創(chuàng)建能夠以高度可擴(kuò)展的方式支持這些應(yīng)用所需的各種比特率、協(xié)議和格式的高速網(wǎng)絡(luò)。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)在規(guī)模和復(fù)雜性方面的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了新技術(shù)，以促進(jìn)最基本的網(wǎng)絡(luò)功能，并有效地利用光纖的潛力進(jìn)行路由、交換和多路復(fù)用。

圖1.預(yù)測(cè)全球 IP 流量的增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)源是思科報(bào)告，“思科視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù)：2013-2018年預(yù)測(cè)和方法。3

透明度

可以根據(jù)物理層的參數(shù)（例如帶寬、信噪比）定義網(wǎng)絡(luò)透明度。它也可以是光域中剩余信號(hào)的測(cè)量，而不是光域和電子域之間的信號(hào)。透明度也可能意味著系統(tǒng)支持的信號(hào)類型，包括調(diào)制格式和比特率。考慮到所有這些因素，透明的全光網(wǎng)絡(luò)（AON）通常被定義為信號(hào)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中保留在光域中的網(wǎng)絡(luò)。透明網(wǎng)絡(luò)因其靈活性和更高的數(shù)據(jù)速率而具有吸引力。相反，如果網(wǎng)絡(luò)要求其組成節(jié)點(diǎn)知道底層數(shù)據(jù)包格式和比特率，則網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是不透明的。

缺乏透明度是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)緊迫的問題，因?yàn)樾枰陔娪蛑刑幚頂?shù)據(jù)流會(huì)導(dǎo)致大量的光電帶寬不匹配。5目前單波長(zhǎng)的帶寬為10Gbps（OC-192 / STM-64），在不久的將來(lái)可能會(huì)超過100Gbps（OC-3072 / STM-1024）。隨著光學(xué)數(shù)據(jù)速率的螺旋式上升，電子產(chǎn)品將很難跟上它的步伐，特別是因?yàn)樵O(shè)備尺寸正在迅速接近量子極限。6此外，高速電子設(shè)備需要非常昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)。任何網(wǎng)絡(luò)升級(jí)都需要更換所有舊設(shè)備（“叉車升級(jí)”），這涉及對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模檢修。但是，AON避免了這個(gè)問題，因?yàn)閿?shù)據(jù)速率僅受終端站功能的限制。因此，連接升級(jí)不需要更改核心，使城域運(yùn)營(yíng)商能夠擴(kuò)展其網(wǎng)絡(luò)以滿足客戶需求并更輕松地增強(qiáng)其服務(wù)。

設(shè)備實(shí)現(xiàn)技術(shù)的進(jìn)步使得設(shè)計(jì)AON成為可能，其中到達(dá)波長(zhǎng)的光信號(hào)可以切換到相同波長(zhǎng)的輸出鏈路，而無(wú)需轉(zhuǎn)換為電子域。這些AON上的信號(hào)可以具有不同的比特率和格式，因?yàn)樗鼈冇肋h(yuǎn)不會(huì)在核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)終止。這種比特率、格式和協(xié)議透明度在下一代光網(wǎng)絡(luò)中至關(guān)重要。

開關(guān)技術(shù)

光開關(guān)可大致分為不透明或透明，具體取決于其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

不透明開關(guān)，也稱為光交叉連接 （OCX），將輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電氣形式。然后使用開關(guān)結(jié)構(gòu)以電子方式執(zhí)行實(shí)際開關(guān)，并將產(chǎn)生的信號(hào)在輸出端轉(zhuǎn)換回光學(xué)形式。轉(zhuǎn)換為電域具有多種優(yōu)勢(shì)，包括再生、自由波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換以及更好的性能和故障管理。然而，光-電-光（OEO）轉(zhuǎn)換的存在帶來(lái)了與上述非透明開關(guān)相關(guān)的困難。

透明開關(guān)，也稱為光子交叉連接 （PCX），不執(zhí)行任何 OEO 轉(zhuǎn)換。這允許它們獨(dú)立于數(shù)據(jù)類型、格式或速率運(yùn)行，盡管只能在稱為通帶的波長(zhǎng)范圍內(nèi)運(yùn)行。可行的PCX技術(shù)應(yīng)在開關(guān)速度、消光比、可擴(kuò)展性、插入損耗（IL）、偏振相關(guān)損耗（PDL）、串?dāng)_和功耗方面表現(xiàn)出優(yōu)越性。

微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）是實(shí)現(xiàn)光學(xué)開關(guān)的強(qiáng)大手段，因?yàn)镸EMS系統(tǒng)將光學(xué)、機(jī)械和電氣元件獨(dú)特地集成到單個(gè)晶圓上。MEMS開關(guān)使用微鏡將光束重定向到所需的輸出端口。7-10MEMS使用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各不相同：靜電與靜磁，閉鎖與非閉鎖。它們可以進(jìn)一步分類為2D或3D MEMS。2D 開關(guān)更易于控制，公差更嚴(yán)格，但由于光損耗，不會(huì)放大。3D開關(guān)允許在兩個(gè)軸上移動(dòng)，從而緩解了可擴(kuò)展性問題，但因此具有更嚴(yán)格的公差。由于光束發(fā)散（~3dB）、較慢的開關(guān)時(shí)間（ms）、高致動(dòng)電壓/電流要求以及非閉鎖配置的更高功率耗散（~80mW），MEMS開關(guān)往往會(huì)受到較高IL的影響。2D MEMS開關(guān)的示例如圖2所示。

圖2.2D MEMS開關(guān)示例。

聲光（AO）開關(guān)使用在晶體或平面波導(dǎo)內(nèi)傳播的超聲波，將光從一條路徑偏轉(zhuǎn)到另一條路徑，11-13如圖 3 所示。機(jī)械振動(dòng)會(huì)在材料中引入規(guī)則的壓縮和拉伸區(qū)域。在大多數(shù)材料中，這種壓縮和張力會(huì)導(dǎo)致折射率的變化。折射率變化的周期性圖案隨后形成衍射光柵，導(dǎo)致入射光被衍射。控制超聲波的振幅和頻率可以控制衍射光的數(shù)量和波長(zhǎng)。AO開關(guān)可處理高功率電平，提供合理的IL（~3dB）和開關(guān)時(shí)間（~40μs），但隔離度（~-20dB）和功率效率差，以及固有的波長(zhǎng)依賴性。

圖3.通過超聲波產(chǎn)生衍射光柵。

電光（EO）開關(guān)利用施加電壓時(shí)材料物理特性的變化。這些開關(guān)已使用液晶、可切換波導(dǎo)布拉格光柵、半導(dǎo)體光放大器 （SOA） 和 LiNbO 實(shí)現(xiàn)3.14-18 圖 4 顯示了使用 LiNbO 的 EO 開關(guān)3影響材料折射率隨場(chǎng)強(qiáng)線性變化的變化。根據(jù)型號(hào)的不同，此 EO 開關(guān)的開關(guān)時(shí)間為 1ns - 1ms;隔離度為-10至-40dB;IL 范圍從 < 1 到 10dB。然而，這些開關(guān)中的大多數(shù)都具有很強(qiáng)的波長(zhǎng)依賴性;那些不需要更高驅(qū)動(dòng)電壓的。

基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）的開關(guān)也受到動(dòng)態(tài)范圍有限的影響，可能會(huì)產(chǎn)生交叉調(diào)制和互調(diào)。

圖4.EO開關(guān)采用LiNbO3晶體。

圖5.數(shù)字TO波導(dǎo)開關(guān)。

熱光 （TO） 開關(guān)基于波導(dǎo)熱光效應(yīng)或材料的熱行為。19-22干涉TO開關(guān)加熱其中一個(gè)干涉儀支腿中的材料，以產(chǎn)生相對(duì)于另一個(gè)支腿的相移。這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)光束在重新組合時(shí)產(chǎn)生干涉效應(yīng)。數(shù)字TO開關(guān)利用硅片上兩個(gè)二氧化硅波導(dǎo)的相互作用，如圖5所示。加熱材料會(huì)改變波導(dǎo)的折射率，產(chǎn)生相位差，從而改變輸出端口的選擇性。數(shù)字TO開關(guān)雖然具有出色的PDL，但由于加熱過程（~70mW）而消耗更多的功率，并且開關(guān)時(shí)間（ms）較慢。

磁光（MO）開關(guān)基于偏振光在外加磁場(chǎng)方向穿過磁光材料時(shí)的法拉第旋轉(zhuǎn)。23改變電磁波的極化是控制其組成正交分量的相對(duì)相位的間接方法。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是利用磁光材料中的法拉第效應(yīng)，即通過法拉第旋轉(zhuǎn)角θ旋轉(zhuǎn)偏振狀態(tài)F.磁光開關(guān)使用干涉儀將這種相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制;這些開關(guān)具有具有高功率處理能力的明顯優(yōu)勢(shì)。雖然之前已經(jīng)完成了一些工作來(lái)研究這些類型的開關(guān)24，缺乏足夠高質(zhì)量的MO材料阻礙了這項(xiàng)工作。鉍取代鐵柘榴石和正鐵素體的研究進(jìn)展25-31產(chǎn)生了具有高M(jìn)O品質(zhì)因數(shù)的材料，為較少的應(yīng)用領(lǐng)域提供了低IL，超寬帶寬和更多的旋轉(zhuǎn)。

新的實(shí)施和結(jié)果

作者之前提出了一種馬赫-曾德爾干涉儀（MZI），這是一種基于光纖的MO開關(guān)，使用鉍取代的鐵石榴石（BIG）作為法拉第旋轉(zhuǎn)器（FR）。32雖然顯示出有前途的性能和與當(dāng)代光網(wǎng)絡(luò)組件的兼容性，但由于干涉儀路徑中不可避免的不匹配，新的開關(guān)設(shè)計(jì)遭受了消光比的降低。

為了解決基于光纖的MZI交換機(jī)的缺點(diǎn)，最近提出了一個(gè)集成版本，并且正在積極開發(fā)中。33作為研究的一個(gè)平行分支，提出了一種Sagnac干涉儀配置，34-37在光纖環(huán)路中放置一個(gè) BIG FR，如圖 6 所示。線性極化輸入波（E1+） 由混合耦合器分成兩個(gè)振幅相等且異相 90° 的反向傳播波 （E3-， E4-).這些波被發(fā)射到Sagnac環(huán)路中，隨后遇到FR。然后FR通過法拉第旋轉(zhuǎn)角θ旋轉(zhuǎn)它們的偏振F這與施加到FR的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，然后返回耦合器（E3+， E4+).由于法拉第旋轉(zhuǎn)的非互易性質(zhì)，兩個(gè)反向傳播波經(jīng)歷相等和相反的旋轉(zhuǎn)（即θF和 -θF).這個(gè)動(dòng)作體現(xiàn)在（方程1）和（方程2）使用瓊斯演算，其中Ex和 Ey分別是入射波的 x 和 y 分量;T是透射系數(shù);φ是由于Sagnac環(huán)路的長(zhǎng)度而經(jīng)歷的相變。

圖6.Sagnac 交換機(jī)的實(shí)施概述。

假設(shè)端口 2 沒有輸入波，干涉儀端口的輸出可以表示為 （方程 3）。未應(yīng)用字段時(shí) （θF= 0°），輸入波以 90° 相移返回端口 1。應(yīng)用足夠大小的場(chǎng) （θF= 90°） 將輸入波重定向到端口 2。

假設(shè)端口 2 沒有輸入波，干涉儀端口的輸出可以表示為 （方程 3）。未應(yīng)用字段時(shí) （θF= 0°），輸入波以 90° 相移返回端口 1。應(yīng)用足夠大小的場(chǎng) （θF= 90°） 將輸入波重定向到端口 2。

如圖7所示，在場(chǎng)強(qiáng)為3.58kA/m時(shí)，開關(guān)時(shí)間為700ns。這明顯優(yōu)于MZI開關(guān)（2μs，12.7kA/m）。但是，它仍然可以改進(jìn)，因?yàn)樵瓌t上，可實(shí)現(xiàn)的開關(guān)速度取決于域壁的速度，該速度已被測(cè)量為10km / s。38

圖7.Sagnac 交換機(jī)的實(shí)施概述。

提高開關(guān)性能的可能方法將采用不同的線圈幾何形狀和驅(qū)動(dòng)器配置。作者最近對(duì)這兩個(gè)概念進(jìn)行了探索，并顯示出非常有希望的結(jié)果，34-36上升時(shí)間降低到77ns，下降時(shí)間減少到129ns。

結(jié)束語(yǔ)

報(bào)告了現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的趨勢(shì)和問題。執(zhí)行基本功能（路由、交換和多路復(fù)用）的透明網(wǎng)絡(luò)組件是實(shí)現(xiàn)更可靠、可擴(kuò)展和連接更豐富的光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。還介紹和討論了用于全光光路應(yīng)用的小規(guī)模、高速開關(guān)的一些最新發(fā)展。顯示了愛荷華州立大學(xué)新實(shí)施的交換機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

審核編輯：郭婷