全光交换透明传输网络的挑战及创新

引言
     John Donne在1623年沉思第17篇《紧急时刻的祈祷》中 说到：“没有人能自全， 没有人是孤岛...”。人类在相互隔 绝时很难强盛，这句话凸显了沟通的重要性。早在远古时代 就有了光通信，从狼烟到信号灯、标记以及旗语。
现代光通信的涌现得益于相干光源(激光)的调制技术和传输介质(光缆)。以模拟带宽表示，1nm波段在1300nm时 相当于178GHz，1500nm时为133GHz。所以，光缆的可用带 宽总计接近30THz。对于应用广泛的键控调制，其理论带宽 效率为1bps/Hz，如果不考虑光缆的非理想因素，即可达到30Tbps的数字带宽。
由于光缆潜力巨大，以绝对优势代替铜缆作为首选的 传输介质，大幅提高传输过程的单链路带宽。如图1所示， 过去十年见证了网络模式从定向连接通信到以宽带IP为中心 的包交换数据传输的转变。所有这些流量都受到宽带应用的

图1  全球IP流量增长预测。
数据来源于Cisco报告(Cisco  Visual  Networking  Index:Forecast and Methodology 2013–2018)推动，这些应用造成光缆长距离通信领域数据率永无止境的
增长。此类宽带应用的有效性在不明显增加运营成本的前提 下快速、可靠地传输数据。这也迫使研究人员不断创建新的 技术，调整码率、协议及格式，以支持高速网络的性能扩 展。随着现代化网络在规模和复杂度上的扩充，涌现出了许 多新技术，以支持最基本的网络功能并有效利用光缆潜力： 路由、交换以及多路复用。

1 透明传输
网络透明性可根据物理层参数(例如带宽、信噪比)进行 定义；也可以是对光信号的测量，而不是在光电转换进行。 透明性也指系统支持的信号类型，包括调制格式和码率。综 合以上因素，全光网络(AON)的透明传输通常定义为在整个 网络中信号始终保持在光域的网络。透明传输网络由于其灵 活性和较高的数据率而极富吸引力。相反，如果一个网络要 求其网络节点了解底层的分组格式和码率，则该网络就不是 透明的。缺乏透明性是当前网络的一项紧迫问题，因为在电子

图2  2D MEMS开关示例
域 处 理 数 据 流会 造 成 较 大 的 光 - 电 带 宽 不 匹 配 。 目 前 的 单 波 长 带 宽 为1 0 G b p s  ( O C -192/STM-64)，不 远 的 将 来 可

图3  由超声波产生衍射光栅
能超过100Gbps (OC-3072/STM-1024)。随着数据速率不断攀 升，电信号处理很难赶上光子速率，尤其是器件尺寸正快速 接近量子极限。此外，高速电信号传输要求昂贵的基础设施 升级改造。任何网络升级都要求更换所有的淘汰设备(“叉 车式升级” )， 并涉及到大规模检修已有的基础设施。 然 而，AON的数据率仅受限于端站能力，从而避免了这一问 题。所以，链路升级不要求更改核心设备，运营商能够更加 容易地升级网络，满足客户要求、提升服务。
设备实施技术的进步使得AON成为可能，其中某种输 入波长的光信号可传输到输出链路时，波长相同，无需转换 到电子域。这些AON网络信号的码率可以不同，因为在核 心网上没有端点。这种码率、格式以及协议的透明性对下一 代光网络极其重要。

2  交换技术
根据实施技术的不同，光交换可广义分为不透明和透 明传输两种。不透明交换也称为光交叉连接(OCX)，将输入光信号转换为电子形式。然后利用交换结构以电子形式实现交换， 将产生的信号在输出端口再转换回光形式。将信号转换到电 子域具有多种优势，包括再生、自由波长转换以及更好的性 能和故障管理。然而，光-电-光(OEO)转换为上述非透明交 换带来了困难。透明交换也称为光子交叉连接(PCX)，不进行任何OEO转换。这就允许其功能与数据类型、格式或速率无关，尽管 仅限于一定波长范围内，即所谓的通带。切实可行的PCX技术应在交换速度、消光比、扩展性、插入损耗(IL)、偏振相关损耗(PDL)以及功耗等方面表现出优越性。
微机电系统(MEMS)是实现光交换的强大途径，因为 MEMS系统在单晶片上独特地集成了光、机械以及电子元 件。MEMS开关使用的微镜能够将光束重新定向到对应端 口。MEMS使用的执行结构有所不同：静电与静磁式、闭锁 式与非闭锁式。还可进一步分为2D或3D MEMS。2D开关更 容易控制、容限较严格，但由于光损原因不容易扩展。3D开关允许在两个轴上移动，提高了扩展性，所以容限严格得 多。由于射束发散性(约3dB)，MEMS开关容易产生较高的 IL，开关时间较慢(ms)、要求较高激励电压/电流，以及非 闭锁配置的功耗较高(约80mW)。图2所示为2D MEMS开关 的一个例子。
声 光 (AO)开 关 使 用 在 晶 体 或 平 面 波 导 中 传 输 的 超 声波，将光从一个通路反射到另一个通路，如图3所示。机械 振动使材料内部产生规则的受压区或张力带。在大多数材料 中，这种压缩或张力造成折射率变化。折射率的周期性变 化形成一个衍射光栅，使入射光产生衍射。通过控制超声 波幅值和频率，即可控制被衍射光的总量和波长。AO开关 处理较高的功率水平、具有合理的IL(约3dB)和开关时间(约
40μs)，但隔离(约-20dB)和功率效率较差，以及存在固有的波长相关性。
电-光(EO)开关利用了材料在所加电压变化时物理特性 发生变化的优点。这些开关使用了液晶、交换波导布拉格 (Bragg)光栅、半导体光放大器(SOA)和LiNbO3。图4所示的 EO开关利用LiNbO3使材料的折射率随场强发生线性变化。 根据变化形式的不同，此类EO开关的开关时间为1ns - 1ms， 隔离为-10 - -40dB，IL范围从不到1dB至10dB。然而，其中大 多数开关具有很强的波长相关性，有些不要求较高的驱动电 压。
基于半导体光放大器(SOA)的开关也存在有限的动态范围，潜在地产生交调和互调。热-光(TO)开关基于波导的热- 光效应或材料的热效应 。干涉式TO开关对干涉仪一条桥臂 的材料进行加热，相对于另一桥臂产生相移。该过程造成两 个光束在重新组合时产生干涉效应。数字式TO开关利用 硅片两个波导的相互影响， 如 图 5 所 示 。 对 材 料 加 热 造 成波导折射率