未來大容量數據網絡的關鍵設備——光交換機
2019-11-03 10:11:49
供稿：網友
未來大容量數據網絡的關鍵設備——光交換機（趙鋒譯） 以數據為中心的通信的顯著增長和密集波分復用（DWDM）技術的迅速發展需要有更可靠和靈活的網絡管理手段。舉例來說，在城域網和接入網就要求DWDM網絡拓撲具備分插和交換功能。隨著通信網絡逐漸向全光平臺發展。網絡的優化、路由、保護和自愈切能在光領域中就變得越來越重要了。 光交換機能夠保證網絡的可靠性和提供靈活的信號路由平臺。盡管現有的通信系統都采用電路交換但未來的全光網絡卻需要由純光交換機系完成信號路由功能以實現網絡的高速率和協議透明性。 光交換的傳統應用 通信網絡巾的光交換機的一個基本功能就是在光纖斷裂或轉發器發生故障時能自動進行恢復、現代的大多數光纖網絡都有兩條以上的光纖路由連到關鍵的節點。通過光交換機光信號能大使地避開出故障的光纖或轉發器，重新選擇到達目的地的有效路由。但是信號以何種速車重新選擇路由對避免信息丟失是十分重要的，技高速電信系統中交換速率尤其重要。 光交換機的另一個傳統應用是網絡監控。在遠端光纖測試點上，可使用一個1*N交換機將多條光纖連接到一個光時域反射計（OTDR）。對光纖鏈路進行監控。使用交換機和OTDR可準確定位每一條光纖鏈路上的故障。在實際的傳送網絡中，交換機還允許用戶取出信號或抽入一個網絡分析儀來進行實肘監控而不會干擾網絡數據傳輸。 光交換機通常也可用于光纖器件的現場測試。舉例來說，一個多通道交換機是在城測試光纖器件的有力工具。通過監視每一個對應一特定測試參數的交換機通道，可以不間斷地測試多個部件。 最近，光交換機還開始被應用于光纖傳感器網絡中。 光電和光機械交換機 盡管當前有許多種商用光又換機，但它們的光電和光機械模型都彼此十分相似。光電交換機內包含帶有光電晶體材料（諸如鋰鈮）的波導。交換機通常在輸入輸出端各有兩個波導，波導二間有兩條波導通路，這就構成了Mach－Zehnder干涉結構。這種結構可以實現1*Z和2*2的交換配置。兩條通路之間的相位差由施加在通路上的電壓來控制。當通路上的驅動電壓改變兩通路。問的相位差時，利用于步效應就可將信號送到目的輸出端。 最近采用鋇鈦材料的波導交換機已經開發成功，這種交換機使用了一種分子采取相陽生的技術。與鋰鈮交換機相比，這種新的交換機使用了非常少的驅動電能。 光電交換機的王要優點就是交換速度較快，可達到納種級。然而，這類交換機的介入損耗，依極化損耗和串音都比較嚴重，它們對電漂移較敏感，通常需要較高的工作電壓。這樣較高的生產成本就限制了光電交換機在商業上的廣泛應用。 光機械交換機依賴于成熟的光技術，是目前最常見的交換機。它的操作原理十分簡單，在交換機中，通過移動光纖終端或棱鏡來將光線引導或反射到輸出光纖，這樣就實現了輸入光信號的機械交換。光機械交換機只能實現毫秒級的交換速度，但由于它的成本較低，設計簡單和光性能較好而得到了廣泛的應用。 光機械交換機最適宜應用于1*2和2*2的配置中。可以很方便地構建小規模的矩陣無阻塞M*N光交換機，通過使用多級的配置也可以實現大規模（例如64*64）的局部阻塞交換機。但由于復雜度和移動相關機械部件的數量的影響而艱難實現大規模完全無阻塞的矩陣交換機。 新的光交換機技術 現在有了基于熱學、液晶、聲學和微機電（MEM：Micro－Electro－Mechanical）技術的光交換機。 熱光交換機采用了和調節熱量的聚合作波導。交換由公布于聚合體堆中的薄膜加熱元素控制。當電流通過加熱器時它改變了波導分支區域內的熱量分布,從而改變了折射率,這樣就可將光耦會從生波導引導至目的分支波導。這種光交換機的體積非常小，能實現微秒級的交換速度。它的缺點在于介入損耗較高，串音較嚴重，消光率較低，耗電量較大，并且要求有良好的散熱器。 液晶光交換機內包含有液晶片極化光束分離器（PBS）或先來調相器。液晶片的作用是旋轉入射光的極化角。當電極上沒有電壓時，經過液晶片的光線的極化角為90度，當有電壓加在液晶片的電極上時，入射光束將維持它的極化狀態不變。PBS或光束調相器起路由器的作用，將信號引導到目的端口。對極化敏感或不敏感的矩陣交換機都能利用這種技術。 當使用向列的液晶時，交換機的交換速度大約為100毫秒，當使用鐵電的液晶時，交換速度為10微秒。使用液晶技術可以構造多通路交換機，但它的缺點是損耗較大，熱漂移量較大，串音較嚴重，驅動電路也比較昂貴。 第三種光交換機是基于聲光技術的。在這種交換機中，通過在光介質（例如TeO2晶體）中加入橫向聲波，可以將光線從一根光纖準確地引導到另一極光纖。 聲光交換機可以實現微秒級的交換速度。利用這種技術可以方便地構建端口數較少的交換機。但是它并不適于矩陣交換機，這是因為需要復雜的系統通過改變頻率來控制交換機。此外，這種交換機的表耗隨波長變化較大，驅動電路也比較昂貴。 另一種令人感興趣的交換機采用了MEM技術能在空閑的空間內調節光束。目前已經開發出了多種MEM交換機，它們采用了不同類型的特殊微光器件，這些器件由小型化的機械系統激活。 MEM交換機的憂點在于體積小集成度高，并可像集成電路那樣大規模生產。但要想使MEM成為一種可行的有利可圖的替代技術還需要在生產過程上作進一步的努力。 光子網絡中的光交換機 除了傳統的應用外，光交換機還將在新興的多通路、可重新配置的光子網絡中發揮越來越重要的作用。要想使全光同成為現實就需要實現諸如DWDM，光分插復用器（OADM）和先交叉連接設備（OXC）這樣的技術。 到目前為止，DWDM已經成為在長距離和城域網通信應用中主要使用的全光同技術。在一個用戶不斷增長的網絡環境中引入OADM和OXC網元將有助于靈活地使用和分配波長。這些新的網元可以幫助運營商在光子層重新配置網絡流量已獲得最佳的數據傳輸，并能在鏈路發生故障時迅速恢復。全光網最終會丟棄緩慢而昂貴的光電轉換器，從而使未來的網絡以更迅速更經濟的方式運行。 OADM和OXC都需要更大的光交換容量。 通過使用光交換機，OADM可以在網絡的某個節點從WDM信號中選出并卸下一個波長，然后再在原波長上加入一個新的信號繼續向下一個節點傳輸。這種功能極大地加強了全光網絡中的負載管理能力。 在一個簡單的OADM設計中 ，2*2光交換機和DWDM復用／解復用過濾器可以裝進一個模塊以實現波長的選擇性分插功能。在這種OADM中加入可變衰減器，光子探測器等部件，還能發展出一些新的無功能。 在DWDM網絡中，OXC能在M*N的光纖輸入輸出之間提供動態的交換連接。這樣，光交叉連接交換機就能在矩陣配置寧提供無阻塞的一到多連接。OXC能提高網絡的生存能力，降低網管成本，在光子層重新配置信號路由，這樣就不再需要復殺而昂貴的數字交換機了。OXC操作于光城，這樣就可憑借其波長、比特率和協議透明性等特點容納未來的T比持數據沈。 光交換機的未來 除了上面討論的多種多樣的光交換機外，由于在OADM和OXC應用中提出了更高的速率、性能和可靠性要求，新的和改進的交換機技術還在不斷涌現。基于光纖的非強性特征的全光交換設備就是新出現的技術。使用非線性定向耦合器作為光交換機就是其中一例。耦臺器由靠得很近的兩根針芯組成。當兩極料芯的相位先配時，纖芯會分開，從而產生了開關效應。由于又換是在光纖內完成的，這種交換機具有較高的交換速度，較低的損耗，并在矩陣配置中可實現多級級聯，因此很有希望在未來的光網絡中采用。 由于光網絡容量持續擴展，而電又換機不適應超過吉比特速率的要求，開發高速高性能的交換機就成為必然的趨勢。當出現更有效的信號管理方式時，全光同給最終會變成事實。在未來的大容量光網絡中，光交換機必將起到關鍵的作用。
