幾種新型光交換機
2019-11-03 10:15:20
供稿：網友
□ 北京郵電大學光通信中心 徐榮 龔倩 任何一種通信網絡主要由傳輸和交換兩大技術構成。大容量的傳輸當然需要與之相稱的高速交換系統。目前較高級網絡的傳輸速率大約在每秒１０Ｇｂｉｔ／ｓ，這個速率將使目前的電子處理單元和存儲單元窒息。因此，使用光子信息處理技術代替電子信號處理的新型光子交換技術，將逐步取代目前的電子交換系統。如果信息從傳輸到交換都在光域上完成，那么就實現了全光的光波網絡。光波網絡主要由波長復用器（Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）、光放大器（ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、光交換機（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｅｓ）、光信號再生器（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）和波長解復用器（ｄｅ－ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）組成。下面介紹幾種新型光交換機。
一、自由空間光交換機
目前商用的自由空間光交換系統有很多不同的構成形式，其中最通用的是電光和光機械兩種。基于微電子機械系統（ＭＥＭＳ）的光交換機在集成規模、交換吞吐量、交換速度等方面具有無可比擬的優越性，而成為目前研究的熱點。微電子機械光開關是機械開關的原理，但又能像波導開關那樣，集成在單片硅基底上，因此兼有機械光開關和波導光開關的優點，同時克服了它們所固有的缺點。在光網絡中使用ＭＥＭＳ技術相對于傳統的電子設備具有低成本、快速、體積小、通信容量大，而且具有體積小、靈活可變、對比特率和協議透明、跨越電子限制提高網絡速度等優點。基于ＭＥＭＳ技術的光交換機在入口光纖和出口光纖之間使用一系列微機械鏡，這些微鏡可以在光纖之間任意改變角度來改變光束傳輸方向達到實時對光信號進行重新選路的目的。當一路波長光信號照到鏡面時，鏡面傾斜以便將其導引到某一特定出口光纖中，從而實現光路倒換的目的。
ＭＥＭＳ在光通信應用范圍很廣，幾乎所有的光網絡各個組成單元都能采用ＭＥＭＳ技術制作器件。長途傳輸網中的ＯＡＤＭ節點／均衡器、交叉連接矩陣、發射功率限幅器、泵浦源選擇開關，城域網中的監控保護開關、信道均衡器、增益均衡器，無源光網絡中的調制器以及海底光纜中的平衡單元都可以使用ＭＥＭＳ技術。
基于ＭＥＭＳ技術的８×８光交換芯片尺寸可以做到１×１ｃｍ２大小。需要的電壓為８０Ｖ，最高交換速度為４００μＳ。最小插入損耗為３ｄＢ，隔離度在６０ｄＢ以上。去年ＯＦＣ２０００會議上報道的ＭＥＭＳ型ＯＸＣ用２組２軸微鏡和一個反射鏡組成１１２×１１２光交叉連接器，容量達３５．８Ｔｂｉｔ／ｓ １１２×３２０Ｇｂｉｔ／ｓ。交換速度小于１０ｍｓ，插入損耗為７．５±２．５ｄＢ，信號串擾低于－５０ｄＢ。微鏡數量２Ｎ倍光口，總尺寸１０公分，工作波長１５２５～１５６５ｎｍ。
二、無交換式光路由器
自由空間光交換除了硅微電子機械ＭＥＭＳ技術以外，還有一種使用空間衍射光柵技術的所謂的無交換光路由器，或稱為無交換光交叉連接器，如圖１所示。它使用具有波長發射和控制功能的交換功能模塊取代了傳統的外圍光開關交換網絡。其關鍵模塊是一種自由空間色差校正（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ－ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ）凹面光柵，通過它將入射光纖陣列中的波長信道進行發散然后再聚焦到出射光纖陣列中相互獨立的單路光纖上，就可實現９１×９１的波長路由器功能。由于它沒有傳統的交換設備，所以稱其為無交換型波長路由器。
該路由器使用的自由空間校色差凹面光柵，其凹面經過特殊設計，不但能夠使輸入光纖陣列的入射光束發生衍射分光，而且能夠將衍射光原路匯聚到出口光纖陣列中。其實長期一來，衍射光柵都以它低串擾、高解析度而被廣泛應用于各種光譜儀和分光儀中，但由于要求它必須能夠將不同譜元素在空間進行嚴格分離而不是僅僅進行譜分解，所以要真正實現靈活的色差控制也并非易事。另外這種路由器要求色差校正光柵必須能夠將衍射光的模斑直徑聚焦到小于１０ｍ的水平，只有這樣才能將衍射光匯聚到輸出單模光纖中。由于光柵是一種兩維設備，任何串擾或散射光都是按照一個固定的夾角而均勻分布的，這樣可以大大降低不必要的光功率損耗。自由空間衍射光柵型路由器可以進行大規模集成。
三、陣列波導光柵路由器
ＡＷＧ（Ａｒｒａｙ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）集成陣列波導光柵是一種平面光波回路的無源器件。其結構為將一個陣列波導光柵與輸入輸出波導陣列、聚集平板波導集成在同一塊襯底上。構成陣列波導光柵的是許多長度按Ｌ線性遞增（即各路光波的相位差恒定）的光臂。可實現波分復用與解復用以及靜態波長路由功能，并且具備雙向傳輸的特性。如圖２所示，ＷＤＭ信號從一端口輸入，經一入射波導到達聚焦平面波導，被衍射并耦合到各陣列波導中，各路光經不同的相位延遲后在出射端形成波前傾斜，再經平面波導聚焦，最終在不同的出射波導端合成不同波長的光波。如果輸入端只有單路的多波長信號，則構成１×Ｎ的解復用器，如果輸入端為Ｍ路多波長信號，則構成Ｍ×Ｎ的路由器。
所以說，ＡＷＧ是一種光柵型的波長路由器，具有雙向性，即一個方向輸入為解復用方式，則另一個方向輸入為復用方式。波導光柵路由器（ＷＧＲ）的結構如圖２所示。它利用熱光等效應實現上／下波長的可調諧性。該研究的技術關鍵在于掌握厚層波導的制備技術，設法避免因應力引入偏振色散，甚至導致器件破裂。
盡管從理論上來說，它可以實現大規模集成，但如何精確控制ＡＷＧ中各個光臂的長度差以消除不同路徑之間的串擾是該設備進行大規模集成的最大限制因素，另外制備材料的折射率等參數的溫度敏感性使得該設備必須使用溫度控制技術，所以信道串擾、溫度穩定性是ＡＷＧ實際應用所面臨的最大技術障礙。
四、光子時隙路由
前面所介紹的波分光交換網絡都是通過波長轉換和波長交換技術來提供光交換能力，但這種光通道的交換技術需要快速的控制能力和波長選擇性交換設備，因此在很大程度上增加了網絡的成本。針對這種情況，有人建議使用光子時隙路由ＰＳＲ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｓｌｏｔ ｒｏｕｔｉｎｇ）技術來綜合使用ＷＤＭ的波長路由和時隙交互技術，從而降低了節點的復雜度和成本，同時便于網絡的升級擴展。按照ＰＳＲ原理，用戶的分組數據在被連帶交換的所有波長上的相同時隙（光子時隙）內傳輸，交換節點將每一個時隙作為一個整體來看待，而無需在不同的分立波長上執行分組的交換或接入。從一個節點到另一個特定節點的分組數據，首先在該節點上被分配到可用波長上的一個特定的時隙中，以便被正確傳輸到目的節點。注意，該時隙就是專門被指定要去那個特定目的端節點的一個特定時隙。如果一個時隙沒有被特殊標定為是去那一個目的端的，那么它會被由某一種公平流量控制協議所指配的第一次在該時隙中傳輸的分組來標定其目的地址。在這種技術中還可以使用交換延遲線技術來解決沖突問題。從本質上講，ＰＳＲ分組交換方案將沉重的波長選擇交換負擔轉化到在源節點發現一種有效的接入協議這個問題上來了。
