全光交換透明傳輸網(wǎng)絡(luò )的挑戰及創(chuàng )新

引言
     John Donne在1623年沉思第17篇《緊急時(shí)刻的祈禱》中 說(shuō)到：“沒(méi)有人能自全， 沒(méi)有人是孤島...”。人類(lèi)在相互隔 絕時(shí)很難強盛，這句話(huà)凸顯了溝通的重要性。早在遠古時(shí)代 就有了光通信，從狼煙到信號燈、標記以及旗語(yǔ)。
現代光通信的涌現得益于相干光源(激光)的調制技術(shù)和傳輸介質(zhì)(光纜)。以模擬帶寬表示，1nm波段在1300nm時(shí) 相當于178GHz，1500nm時(shí)為133GHz。所以，光纜的可用帶 寬總計接近30THz。對于應用廣泛的鍵控調制，其理論帶寬 效率為1bps/Hz，如果不考慮光纜的非理想因素，即可達到30Tbps的數字帶寬。
由于光纜潛力巨大，以絕對優(yōu)勢代替銅纜作為首選的 傳輸介質(zhì)，大幅提高傳輸過(guò)程的單鏈路帶寬。如圖1所示， 過(guò)去十年見(jiàn)證了網(wǎng)絡(luò )模式從定向連接通信到以寬帶IP為中心 的包交換數據傳輸的轉變。所有這些流量都受到寬帶應用的

圖1  全球IP流量增長(cháng)預測。
數據來(lái)源于Cisco報告(Cisco  Visual  Networking  Index:Forecast and Methodology 2013–2018)推動(dòng)，這些應用造成光纜長(cháng)距離通信領(lǐng)域數據率永無(wú)止境的
增長(cháng)。此類(lèi)寬帶應用的有效性在不明顯增加運營(yíng)成本的前提 下快速、可靠地傳輸數據。這也迫使研究人員不斷創(chuàng )建新的 技術(shù)，調整碼率、協(xié)議及格式，以支持高速網(wǎng)絡(luò )的性能擴 展。隨著(zhù)現代化網(wǎng)絡(luò )在規模和復雜度上的擴充，涌現出了許 多新技術(shù)，以支持最基本的網(wǎng)絡(luò )功能并有效利用光纜潛力： 路由、交換以及多路復用。

1 透明傳輸
網(wǎng)絡(luò )透明性可根據物理層參數(例如帶寬、信噪比)進(jìn)行 定義；也可以是對光信號的測量，而不是在光電轉換進(jìn)行。 透明性也指系統支持的信號類(lèi)型，包括調制格式和碼率。綜 合以上因素，全光網(wǎng)絡(luò )(AON)的透明傳輸通常定義為在整個(gè) 網(wǎng)絡(luò )中信號始終保持在光域的網(wǎng)絡(luò )。透明傳輸網(wǎng)絡(luò )由于其靈 活性和較高的數據率而極富吸引力。相反，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò )要 求其網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)了解底層的分組格式和碼率，則該網(wǎng)絡(luò )就不是 透明的。缺乏透明性是當前網(wǎng)絡(luò )的一項緊迫問(wèn)題，因為在電子

圖2  2D MEMS開(kāi)關(guān)示例
域 處 理 數 據 流會(huì ) 造 成 較 大 的 光 - 電 帶 寬 不 匹 配 。 目 前 的 單 波 長(cháng) 帶 寬 為1 0 G b p s  ( O C -192/STM-64)，不 遠 的 將 來(lái) 可

圖3  由超聲波產(chǎn)生衍射光柵
能超過(guò)100Gbps (OC-3072/STM-1024)。隨著(zhù)數據速率不斷攀 升，電信號處理很難趕上光子速率，尤其是器件尺寸正快速 接近量子極限。此外，高速電信號傳輸要求昂貴的基礎設施 升級改造。任何網(wǎng)絡(luò )升級都要求更換所有的淘汰設備(“叉 車(chē)式升級” )， 并涉及到大規模檢修已有的基礎設施。 然 而，AON的數據率僅受限于端站能力，從而避免了這一問(wèn) 題。所以，鏈路升級不要求更改核心設備，運營(yíng)商能夠更加 容易地升級網(wǎng)絡(luò )，滿(mǎn)足客戶(hù)要求、提升服務(wù)。
設備實(shí)施技術(shù)的進(jìn)步使得AON成為可能，其中某種輸 入波長(cháng)的光信號可傳輸到輸出鏈路時(shí)，波長(cháng)相同，無(wú)需轉換 到電子域。這些AON網(wǎng)絡(luò )信號的碼率可以不同，因為在核 心網(wǎng)上沒(méi)有端點(diǎn)。這種碼率、格式以及協(xié)議的透明性對下一 代光網(wǎng)絡(luò )極其重要。

2  交換技術(shù)
根據實(shí)施技術(shù)的不同，光交換可廣義分為不透明和透 明傳輸兩種。不透明交換也稱(chēng)為光交叉連接(OCX)，將輸入光信號轉換為電子形式。然后利用交換結構以電子形式實(shí)現交換， 將產(chǎn)生的信號在輸出端口再轉換回光形式。將信號轉換到電 子域具有多種優(yōu)勢，包括再生、自由波長(cháng)轉換以及更好的性 能和故障管理。然而，光-電-光(OEO)轉換為上述非透明交 換帶來(lái)了困難。透明交換也稱(chēng)為光子交叉連接(PCX)，不進(jìn)行任何OEO轉換。這就允許其功能與數據類(lèi)型、格式或速率無(wú)關(guān)，盡管 僅限于一定波長(cháng)范圍內，即所謂的通帶。切實(shí)可行的PCX技術(shù)應在交換速度、消光比、擴展性、插入損耗(IL)、偏振相關(guān)損耗(PDL)以及功耗等方面表現出優(yōu)越性。
微機電系統(MEMS)是實(shí)現光交換的強大途徑，因為 MEMS系統在單晶片上獨特地集成了光、機械以及電子元 件。MEMS開(kāi)關(guān)使用的微鏡能夠將光束重新定向到對應端 口。MEMS使用的執行結構有所不同：靜電與靜磁式、閉鎖 式與非閉鎖式。還可進(jìn)一步分為2D或3D MEMS。2D開(kāi)關(guān)更 容易控制、容限較嚴格，但由于光損原因不容易擴展。3D開(kāi)關(guān)允許在兩個(gè)軸上移動(dòng)，提高了擴展性，所以容限嚴格得 多。由于射束發(fā)散性(約3dB)，MEMS開(kāi)關(guān)容易產(chǎn)生較高的 IL，開(kāi)關(guān)時(shí)間較慢(ms)、要求較高激勵電壓/電流，以及非 閉鎖配置的功耗較高(約80mW)。圖2所示為2D MEMS開(kāi)關(guān) 的一個(gè)例子。
聲 光 (AO)開(kāi) 關(guān) 使 用 在 晶 體 或 平 面 波 導 中 傳 輸 的 超 聲波，將光從一個(gè)通路反射到另一個(gè)通路，如圖3所示。機械 振動(dòng)使材料內部產(chǎn)生規則的受壓區或張力帶。在大多數材料 中，這種壓縮或張力造成折射率變化。折射率的周期性變 化形成一個(gè)衍射光柵，使入射光產(chǎn)生衍射。通過(guò)控制超聲 波幅值和頻率，即可控制被衍射光的總量和波長(cháng)。AO開(kāi)關(guān) 處理較高的功率水平、具有合理的IL(約3dB)和開(kāi)關(guān)時(shí)間(約
40μs)，但隔離(約-20dB)和功率效率較差，以及存在固有的波長(cháng)相關(guān)性。
電-光(EO)開(kāi)關(guān)利用了材料在所加電壓變化時(shí)物理特性 發(fā)生變化的優(yōu)點(diǎn)。這些開(kāi)關(guān)使用了液晶、交換波導布拉格 (Bragg)光柵、半導體光放大器(SOA)和LiNbO3。圖4所示的 EO開(kāi)關(guān)利用LiNbO3使材料的折射率隨場(chǎng)強發(fā)生線(xiàn)性變化。 根據變化形式的不同，此類(lèi)EO開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間為1ns - 1ms， 隔離為-10 - -40dB，IL范圍從不到1dB至10dB。然而，其中大 多數開(kāi)關(guān)具有很強的波長(cháng)相關(guān)性，有些不要求較高的驅動(dòng)電 壓。
基于半導體光放大器(SOA)的開(kāi)關(guān)也存在有限的動(dòng)態(tài)范圍，潛在地產(chǎn)生交調和互調。熱-光(TO)開(kāi)關(guān)基于波導的熱- 光效應或材料的熱效應 。干涉式TO開(kāi)關(guān)對干涉儀一條橋臂 的材料進(jìn)行加熱，相對于另一橋臂產(chǎn)生相移。該過(guò)程造成兩 個(gè)光束在重新組合時(shí)產(chǎn)生干涉效應。數字式TO開(kāi)關(guān)利用 硅片兩個(gè)波導的相互影響， 如 圖 5 所 示 。 對 材 料 加 熱 造 成波導折射率

圖4  使用LiNbO3晶體的EO開(kāi)關(guān)    

圖5  數字式TO波動(dòng)開(kāi)關(guān)

圖6  Sagnac開(kāi)關(guān)實(shí)現方法概覽  

圖7  Sagnac開(kāi)關(guān)實(shí)現方法概覽
差，從而改變輸出端口的選擇性。盡管PDL性能優(yōu)異，由于 加熱過(guò)程，數字式TO開(kāi)關(guān)功耗較高(約70mW)，開(kāi)關(guān)時(shí)間較 慢(ms)。
磁-光(MO)開(kāi)關(guān)基于偏振光的法拉第效應，光以施加磁 場(chǎng)方向通過(guò)磁光材料時(shí)，會(huì )產(chǎn)生法拉第效應。電磁波偏振 的變化是間接控制其正交分量相對相位的方法。實(shí)現方法之 一是利用磁光材料中的法拉第效應，即將偏振態(tài)旋轉θ F (法 拉第轉角)。磁-光開(kāi)關(guān)利用干涉儀將這種相位調制轉換為調 幅；這些開(kāi)關(guān)的明顯優(yōu)點(diǎn)是可以處理較高功率。盡管之前已 經(jīng)做了一些工作來(lái)研究這些類(lèi)型的開(kāi)關(guān)，但由于缺乏高質(zhì)量 的MO材料，阻礙了進(jìn)一步發(fā)展。鉍取代鐵榴石和正鐵氧體 領(lǐng)域的最新進(jìn)展已經(jīng)產(chǎn)生了具有高M(jìn)O品質(zhì)因數、較低IL、 超寬頻帶，并且施加較小磁場(chǎng)即可產(chǎn)生更大旋轉的材料。

3 新技術(shù)、新成果
作者之前已經(jīng)提出了馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)，基于 光纖的MO開(kāi)關(guān)，使用鉍取代鐵榴石(BIG)作為法拉第旋轉 器(FR)。盡管新開(kāi)關(guān)設計顯示出優(yōu)良的性能并且兼容當代的 光網(wǎng)絡(luò )元件，但由于干涉儀通路上存在不可避免的不匹配， 消光比較低。
為了解決基于光纖的MZI開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)，最近提出了集成 版本，并正在緊張開(kāi)發(fā)中。在調研的同時(shí)，提出了一種塞 格納克(Sagnac)干涉儀配置，其中將BIG FR安裝在光纜回路 中，如圖6所示。利用混合耦合器將線(xiàn)性偏振輸入波(E1+)分為兩個(gè)幅值相等、相差90°的對向傳播波(E3-、E4-)。將這兩個(gè)波注入Sagnac環(huán)路，隨后到達FR。然后FR將其偏振態(tài)旋 轉法拉第轉角θ F，該轉角與應用至FR的磁場(chǎng)強度成比例， 然后再回到耦合器(E 3+、E 4+)。 由于法拉第旋轉的不可逆 性，兩個(gè)對向傳播波經(jīng)過(guò)大小相等、方向相反的旋轉(即， θ F 和-θ F)。利用瓊斯計算法將其體現在(式1)和(式2)中， 其中Ex和Ey分別為入射波的x和y分量；T為透射系數；φ 為 Sagnac環(huán)路長(cháng)度引起的相位變化。
假設端口2沒(méi)有輸入波，那么干涉儀端口的輸出可表示 為(式3)。未施加磁場(chǎng)時(shí)(θ F = 0°)時(shí)，輸入波返回到端口1 的相移為90°。如果施加足夠大的磁場(chǎng)(θ F  = 90°)，將輸 入波重定向到端口2。

假設端口2沒(méi)有輸入波，那么干涉儀端口的輸出可表示為(式3)。未施加磁場(chǎng)時(shí)(θ F  = 0°)，輸入波返回到端口1的 相移為90°。如果施加足夠大的磁場(chǎng)(θ F  = 90°)，將輸入 波重定向到端口2。如圖7所示，磁場(chǎng)密度為3.58kA/m時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)間達到700ns，遠遠優(yōu)于MZI開(kāi)關(guān)(12.7kA/m時(shí)為2μs)。然而，仍然 可以改進(jìn)，因為原理上可達到的開(kāi)關(guān)速度取決于磁疇壁的速 度，而后者已經(jīng)測得可達到10km/s數量級。
改進(jìn)開(kāi)關(guān)性能的可能方法包括采用不同的線(xiàn)圈結構和 驅動(dòng)器配置。作者最近已經(jīng)提出了這兩種概念，并且取得了 非?？上驳某晒?，證明上升時(shí)間可縮短至77ns，下降時(shí)間縮 短至129ns。

5  結束語(yǔ)
文 章 總 結 了 現 代 光 通 信 系 統 的 發(fā) 展 趨 勢 和 存 在 的 問(wèn) 題。執行基本功能(路由、交換及多路復用)的透明網(wǎng)絡(luò )元件 是實(shí)現更可靠、擴展性強、互聯(lián)性強光網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵。文章還 介紹了用于全光通路的小規模、高速交換技術(shù)的最新進(jìn)展。 展示了美國愛(ài)荷華州立大學(xué)(Iowa State University)最新設計的 交換技術(shù)試驗結果。