一種新的光交換技術——光標記交換技術

2019-11-03 10:16:46

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供稿：網(wǎng)友

　　摘要：介紹了光標記交換這種光子交換新技術，敘述了光標記交換技術的優(yōu)點，總結了目前提出的幾種光標記交換方法，指出了各種方法的優(yōu)缺點。

　　關鍵詞：光包光標記光標記交換（OLS）

1 引言

　　目前，在光纖交叉連接（OXC）和光分插復用設備（OADM）上的交換是基于波長的光交換，O在節(jié)點上完成一個波長到另一個波長的交叉連接，而OADM在主從網(wǎng)之間分出并插入一個波長完成主從網(wǎng)之間上下話路。業(yè)務上的交換交給下面的核心路由器完成。現(xiàn)行核心路由器采用的交換方式是基于電的交換技術，路由器將高速信號接收下來，分解成低速電信號，用多個CPU處理，用空間換時間，結果增加了設備的成本。DWDM的波長構成了核心路由器之間的鏈路，波長鏈路上具有統(tǒng)計時分復用的ip包序列都必須經(jīng)過核心路由器。核心路由器為了維持線速包轉發(fā)，需進行大量的解復用。大量的DWDM、OTDM的高速光信號變成低速的光信號，再將光變成電，實現(xiàn)包轉發(fā)。這種方式有電子瓶頸，交換速率受核心路由器背板速率和數(shù)量的制約，且結構復雜。從整個網(wǎng)絡結構上看，關鍵的癥結在于高速的傳輸速率與低速的交換速率不能匹配，并且它們分別領帶兩面三刀支各自獨立的技術。為了解決電子瓶頸限制問題，實現(xiàn)全光交換，近幾年在光交換中引入了光標記交換新技術，并且提出了不少新思路。

　　由于光標記交換是一項高新技術，是近幾年國外光交換技術研究的熱點，從而促使新技術和新器件不斷產(chǎn)生。光標記交換的光鍵技術主要集中在光標記的產(chǎn)生、提取和識別等方面，在研究中我們提出高強度光標記交換和電光調(diào)制光標交換兩種新的光標記交換方法。

2 光標記交換（OLS）

　　所謂光標記，是指利用各種方法在光包上打上標記，也就是把光包的包頭地址信號用各種方法打在光包上，這樣在交換節(jié)點上根據(jù)光標記來實現(xiàn)全光交換。基于這種原理來實現(xiàn)的光交換稱為光標記交換，這就是OLS(optical label switch)。

　　光標記的產(chǎn)生和提取是光標記交換的核心技術。光標記信號一般是低速率信號，一般在M bit/s量級上，而光包的傳輸速率都在G bit/s量級上，如何把低速的標記信號加在高速的光包信號上，可以根據(jù)不同的機制采用不同的方法。一般來講，光調(diào)制有3種方式：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，目前光標記的產(chǎn)生大多數(shù)也從調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相3個方面入手。光標記的提取本質(zhì)上就是把光標記從復用信號中分離出來。基于調(diào)幅產(chǎn)生的光標記多用半導體光放大器（SOA）、普通光纖和半導體激光放大器的非線性效應的交叉相位調(diào)制、交叉增益調(diào)制和四波混頻（FWM）等原理來提出光標記；基于調(diào)頻產(chǎn)生的光標記一般采用載波解復用方法；基于調(diào)相產(chǎn)生的光標記方法可以利用光的干涉原理來提取光標記信號。

3 光標記交換的技術優(yōu)勢

　　將光標記交換技術引入OXC和OADM后，OXC和OADM不再以波長為單位進行交叉連接和分插復用，而是以光包為單位進行交叉連接和分插復用，在OXC和OADM上實現(xiàn)以光包為單位的路由轉發(fā)功能。光網(wǎng)絡的面貌因此將大為改觀。

　　首先，由于光的標記交換不必將光信號變成電信號，并能夠改善信號的質(zhì)量，在實現(xiàn)透明的3R的同時直接下來進行線速光包轉發(fā)，使得路由器的負荷大大降低，大量的交換繞過了路由器電子瓶頸，從而有效地克服了光交換中的電子瓶頸；其次，由于光包不再與波長捆綁，光包可靈活出入上下各節(jié)點，網(wǎng)絡在線數(shù)據(jù)量減少（這一點節(jié)點越多越為明顯），全光網(wǎng)絡資源的利用潛力增加；最后，由于在波分復用上加入了光包的統(tǒng)計時分復用，一個波長鏈路可通過時分復用連接更多的節(jié)點，從線路角度來看，在全光網(wǎng)線路的任意一點都可不加限制地加限制地加入節(jié)點，這一點可使接入網(wǎng)技術更為簡單、靈活，同時也使全光網(wǎng)絡的出路問題得到更好的解決。因此可以說，光標記交換技術的引入可以解決或改善路由器電子瓶頸問題、光網(wǎng)絡資源合理利用問題以及光網(wǎng)絡的接入和出路問題。

4 實現(xiàn)光標記交換的幾種方法

　　下面總結目前提出的幾種實現(xiàn)光標記交換的方法，其中高強度光標記交換法和電光調(diào)制光標記交換法是我們在研究中獨立提出的兩種新方法。

4.1 寬脈沖標記方法

　　光包由低速率的包頭/光標記段和高速率的有效負載/信息段構成，標記置于有效負載的前面，兩者之間由保護帶分隔。保護帶的設置一方面是為了給光包對齊留有余量，另一方面是兼容電子電路。光標記的速率是兼容電子電路的，可直接采用電子學方法來處理。這種光標記的產(chǎn)生、提取和識別均較簡單，光包的有效負載和包頭分別由不同的激光器產(chǎn)生，然后通過光耦合器將這兩束光耦合在一起就形成了光包，光標記就產(chǎn)生了。至于光標記的提取和識別只需附加只需附加一個包頭探測器即可，其余全部交給電子電路處理。

　　這種光標記交換法的優(yōu)點是光標記的產(chǎn)生、提取和識別均較容易，缺點是光標記占用信道資源較多。

4.2 高強度脈沖標記交換方法

　　高強度光標記法中的光包由高速率低強度的有效負載（最高可達40 Gbit/s）和同樣速率但高強度的包頭/光標記構成，兩者來自相同的時鐘并占有不同的時間段。光標記和負載可以由同一激光器產(chǎn)生，這可通過控制激光器的旁路偏流做到。另外，光標記和有效負載也可先分別由兩個不同的激光器產(chǎn)生，然后再將兩路光信號通過光耦合器合在一起。

　　非線性光學介質(zhì)在強場作用下具有Kerr效應或增益非線性效應，利用非線性效應可以實現(xiàn)非線性門控作用，通過非線性門控作用就可以把高低強度不同的光脈沖很好地分離開來。目前使用過的非線性介質(zhì)有單模光纖和SOA兩種，可以用來提出光標記的結構至少有單模光纖的非線性光學環(huán)路鏡、SOA的非線性光學環(huán)路鏡以及SOA的FWM 3種。非線性光纖環(huán)路鏡（NOLM）結構簡單，用有SOA的NOLM提取光標記只要在非線性光纖環(huán)路鏡基礎上加一SOA即可，這種結構簡單，器件的穩(wěn)定性高，同時信號檢出容易，效率較高。直接利用SOA中FWM效應的也可以提取光標記。處理高達數(shù)吉比特甚至數(shù)十吉比特速率的光標記信號，電子方法不可取，已接近或達到它的處理極限，因此迫切需要一種在光域進行識別和處理的方法，即全光的光標記識別技術。SOA作為邏輯處理器作可以實現(xiàn)光標記的識別，但有一定的難度。

　　這種光標記交換的優(yōu)點是光標記的產(chǎn)生和提取較容易，且不占用信道資源，缺點是光標記的識別較困難。

4.3 微波副載波光標記交換方法

　　微波副載波光標記是在電副載波上調(diào)制低帶寬光標記實現(xiàn)的。具體來說，電副載波調(diào)制在包有效負載占有的基帶上，光標記和有效負載占有相同時間段，并且同時傳輸。負載包的數(shù)據(jù)與光標記保持同步操作，兩者的數(shù)據(jù)源由相同的時鐘控制。光標記與載波混合后，再與基帶負載相結合，然后用它調(diào)制一個激光器。在保證基帶信號誤碼率要求的情況下，控制光標記的光功率，保證基帶信號的調(diào)制深度。光標記和負載占有相同的時間段。負載和光標記在頻率上相差足夠遠時被分離，是為了防止互相調(diào)制引起失真。至于光標記的提取，可以把輸入到節(jié)點的光信號用1:9的雙錐光纖分束器分成兩束，10%的一束光經(jīng)光/電轉換后，通過微波解復用器后就可提取低速率的光標記信號。

　　這種光標記交換的優(yōu)點是光標記的產(chǎn)生、提取和識別較容易，且不占用信道資源，缺點是光標記的調(diào)制對有效負載有影響。

4.4 電光調(diào)制光標記交換法

　　電光調(diào)制光標記法是利用電光晶體的電光效應實現(xiàn)光標記的產(chǎn)生，利用光的干涉原理來實現(xiàn)光標記的提取。光標記是這樣產(chǎn)生的：用低速率的包頭信號調(diào)制高速率的光包信號，使光包相應的光脈沖相位改變180°，顯然這束光與另一束光是相干的，通過光耦合器使這兩束光進行干涉，干涉的結果是，凡不帶光標記的光脈沖，它們的相位相差180°，它們相干相消；凡帶光標記的光脈沖，它們的相位相差360°或0°，它們相干相長，光標記脈沖被提取出來了。

　　這種光標記交換的優(yōu)點是光標記的產(chǎn)生、提取和識別較容易，且不占用信道資源，缺點是光標記的同步要求比較高。

5 結束語

　　從光標記交換實現(xiàn)技術方面來看，光標記交換綜合了高速光開關、超高速電路、大規(guī)模集成電路等多項尖端技術手段。光標記交換技術與寬帶網(wǎng)絡技術、光計算機技術、WDM技術、OTDM技術、光集成與光電集成技術、超大規(guī)模集成電路技術等緊密相關并以此為推動力量。

　　光標記交換是光包交換OPS（optical packet switch）的實現(xiàn)形式，國外在OLS的關鍵技術方面的專利不斷涌現(xiàn)，其中主要集中在光標記脈沖的產(chǎn)生技術、光標記復用、解復用技術以及光時鐘提取技術等方面，但要實現(xiàn)OLS的實用化還有許多未知的因素有待人們?nèi)ミM一步探索。盡管目前OLS技術還不成熟，構成OLS系統(tǒng)的許多關鍵器件還處于實驗室研究階段，但該技術正成為世界范圍內(nèi)的研究熱點，OLS從器件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡諸方面正以驚人的速度向前發(fā)展，并逐步向?qū)嵱没~進。

電信技術

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