□ 北京邮电大学光通信中心 徐荣 龚倩
任何一种通信网络主要由传输和交换两大技术构成。大容量的传输当然需要与之相称的高速交换系统。目前较高级网络的传输速率大约在每秒１０Ｇｂｉｔ／ｓ，这个速率将使目前的电子处理单元和存储单元窒息。因此，使用光子信息处理技术代替电子信号处理的新型光子交换技术，将逐步取代目前的电子交换系统。如果信息从传输到交换都在光域上完成，那么就实现了全光的光波网络。光波网络主要由波长复用器（Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）、光放大器（ｏｐｔｉｃａｌ
Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、光交换机（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｅｓ）、光信号再生器（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）和波长解复用器（ｄｅ－ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）组成。下面介绍几种新型光交换机。
一、自由空间光交换机
目前商用的自由空间光交换系统有很多不同的构成形式，其中最通用的是电光和光机械两种。基于微电子机械系统（ＭＥＭＳ）的光交换机在集成规模、交换吞吐量、交换速度等方面具有无可比拟的优越性，而成为目前研究的热点。微电子机械光开关是机械开关的原理，但又能像波导开关那样，集成在单片硅基底上，因此兼有机械光开关和波导光开关的优点，同时克服了它们所固有的缺点。在光网络中使用ＭＥＭＳ技术相对于传统的电子设备具有低成本、快速、体积小、通信容量大，而且具有体积小、灵活可变、对比特率和协议透明、跨越电子限制提高网络速度等优点。基于ＭＥＭＳ技术的光交换机在入口光纤和出口光纤之间使用一系列微机械镜，这些微镜可以在光纤之间任意改变角度来改变光束传输方向达到实时对光信号进行重新选路的目的。当一路波长光信号照到镜面时，镜面倾斜以便将其导引到某一特定出口光纤中，从而实现光路倒换的目的。
ＭＥＭＳ在光通信应用范围很广，几乎所有的光网络各个组成单元都能采用ＭＥＭＳ技术制作器件。长途传输网中的ＯＡＤＭ节点／均衡器、交叉连接矩阵、发射功率限幅器、泵浦源选择开关，城域网中的监控保护开关、信道均衡器、增益均衡器，无源光网络中的调制器以及海底光缆中的平衡单元都可以使用ＭＥＭＳ技术。
基于ＭＥＭＳ技术的８×８光交换芯片尺寸可以做到１×１ｃｍ２大小。需要的电压为８０Ｖ，最高交换速度为４００μＳ。最小插入损耗为３ｄＢ，隔离度在６０ｄＢ以上。去年ＯＦＣ２０００会议上报道的ＭＥＭＳ型ＯＸＣ用２组２轴微镜和一个反射镜组成１１２×１１２光交叉连接器，容量达３５．８Ｔｂｉｔ／ｓ
１１２×３２０Ｇｂｉｔ／ｓ。交换速度小于１０ｍｓ，插入损耗为７．５±２．５ｄＢ，信号串扰低于－５０ｄＢ。微镜数量２Ｎ倍光口，总尺寸１０公分，工作波长１５２５～１５６５ｎｍ。
二、无交换式光路由器
自由空间光交换除了硅微电子机械ＭＥＭＳ技术以外，还有一种使用空间衍射光栅技术的所谓的无交换光路由器，或称为无交换光交叉连接器，如图１所示。它使用具有波长发射和控制功能的交换功能模块取代了传统的外围光开关交换网络。其关键模块是一种自由空间色差校正（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ－ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ）凹面光栅，通过它将入射光纤阵列中的波长信道进行发散然后再聚焦到出射光纤阵列中相互独立的单路光纤上，就可实现９１×９１的波长路由器功能。由于它没有传统的交换设备，所以称其为无交换型波长路由器。
该路由器使用的自由空间校色差凹面光栅，其凹面经过特殊设计，不但能够使输入光纤阵列的入射光束发生衍射分光，而且能够将衍射光原路汇聚到出口光纤阵列中。其实长期一来，衍射光栅都以它低串扰、高解析度而被广泛应用于各种光谱仪和分光仪中，但由于要求它必须能够将不同谱元素在空间进行严格分离而不是仅仅进行谱分解，所以要真正实现灵活的色差控制也并非易事。另外这种路由器要求色差校正光栅必须能够将衍射光的模斑直径聚焦到小于１０ｍ的水平，只有这样才能将衍射光汇聚到输出单模光纤中。由于光栅是一种两维设备，任何串扰或散射光都是按照一个固定的夹角而均匀分布的，这样可以大大降低不必要的光功率损耗。自由空间衍射光栅型路由器可以进行大规模集成。
三、阵列波导光栅路由器
ＡＷＧ（Ａｒｒａｙ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）集成阵列波导光栅是一种平面光波回路的无源器件。其结构为将一个阵列波导光栅与输入输出波导阵列、聚集平板波导集成在同一块衬底上。构成阵列波导光栅的是许多长度按Ｌ线性递增（即各路光波的相位差恒定）的光臂。可实现波分复用与解复用以及静态波长路由功能，并且具备双向传输的特性。如图２所示，ＷＤＭ信号从一端口输入，经一入射波导到达聚焦平面波导，被衍射并耦合到各阵列波导中，各路光经不同的相位延迟后在出射端形成波前倾斜，再经平面波导聚焦，最终在不同的出射波导端合成不同波长的光波。如果输入端只有单路的多波长信号，则构成１×Ｎ的解复用器，如果输入端为Ｍ路多波长信号，则构成Ｍ×Ｎ的路由器。
所以说，ＡＷＧ是一种光栅型的波长路由器，具有双向性，即一个方向输入为解复用方式，则另一个方向输入为复用方式。波导光栅路由器（ＷＧＲ）的结构如图２所示。它利用热光等效应实现上／下波长的可调谐性。该研究的技术关键在于掌握厚层波导的制备技术，设法避免因应力引入偏振色散，甚至导致器件破裂。
尽管从理论上来说，它可以实现大规模集成，但如何精确控制ＡＷＧ中各个光臂的长度差以消除不同路径之间的串扰是该设备进行大规模集成的最大限制因素，另外制备材料的折射率等参数的温度敏感性使得该设备必须使用温度控制技术，所以信道串扰、温度稳定性是ＡＷＧ实际应用所面临的最大技术障碍。
四、光子时隙路由
前面所介绍的波分光交换网络都是通过波长转换和波长交换技术来提供光交换能力，但这种光通道的交换技术需要快速的控制能力和波长选择性交换设备，因此在很大程度上增加了网络的成本。针对这种情况，有人建议使用光子时隙路由ＰＳＲ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ
ｓｌｏｔ ｒｏｕｔｉｎｇ）技术来综合使用ＷＤＭ的波长路由和时隙交互技术，从而降低了节点的复杂度和成本，同时便于网络的升级扩展。按照ＰＳＲ原理，用户的分组数据在被连带交换的所有波长上的相同时隙（光子时隙）内传输，交换节点将每一个时隙作为一个整体来看待，而无需在不同的分立波长上执行分组的交换或接入。从一个节点到另一个特定节点的分组数据，首先在该节点上被分配到可用波长上的一个特定的时隙中，以便被正确传输到目的节点。注意，该时隙就是专门被指定要去那个特定目的端节点的一个特定时隙。如果一个时隙没有被特殊标定为是去那一个目的端的，那么它会被由某一种公平流量控制协议所指配的第一次在该时隙中传输的分组来标定其目的地址。在这种技术中还可以使用交换延迟线技术来解决冲突问题。从本质上讲，ＰＳＲ分组交换方案将沉重的波长选择交换负担转化到在源节点发现一种有效的接入协议这个问题上来了。
|