全光交換透明傳輸網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)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 說到：“沒有人能自全， 沒有人是孤島...”。人類在相互隔 絕時(shí)很難強(qiáng)盛，這句話凸顯了溝通的重要性。早在遠(yuǎn)古時(shí)代 就有了光通信，從狼煙到信號(hào)燈、標(biāo)記以及旗語。
現(xiàn)代光通信的涌現(xiàn)得益于相干光源(激光)的調(diào)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(dāng)于178GHz，1500nm時(shí)為133GHz。所以，光纜的可用帶 寬總計(jì)接近30THz。對(duì)于應(yīng)用廣泛的鍵控調(diào)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(dá)到30Tbps的數(shù)字帶寬。
由于光纜潛力巨大，以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)代替銅纜作為首選的 傳輸介質(zhì)，大幅提高傳輸過程的單鏈路帶寬。如圖1所示， 過去十年見證了網(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(shù)據(jù)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)變。所有這些流量都受到寬帶應(yīng)用的

圖1  全球IP流量增長預(yù)測。
數(shù)據(jù)來源于Cisco報(bào)告(Cisco  Visual  Networking  Index:Forecast and Methodology 2013–2018)推動(dòng)，這些應(yīng)用造成光纜長距離通信領(lǐng)域數(shù)據(jù)率永無止境的
增長。此類寬帶應(yīng)用的有效性在不明顯增加運(yùn)營成本的前提 下快速、可靠地傳輸數(shù)據(jù)。這也迫使研究人員不斷創(chuàng)建新的 技術(shù)，調(diào)整碼率、協(xié)議及格式，以支持高速網(wǎng)絡(luò)的性能擴(kuò) 展。隨著現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)在規(guī)模和復(fù)雜度上的擴(kuò)充，涌現(xiàn)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(fù)用。

1 透明傳輸
網(wǎng)絡(luò)透明性可根據(jù)物理層參數(shù)(例如帶寬、信噪比)進(jìn)行 定義；也可以是對(duì)光信號(hào)的測量，而不是在光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行。 透明性也指系統(tǒng)支持的信號(hào)類型，包括調(diào)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(hào)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(shù)據(jù)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(jié)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(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)緊迫問題，因?yàn)樵陔娮?br />

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

圖3  由超聲波產(chǎn)生衍射光柵
能超過100Gbps (OC-3072/STM-1024)。隨著數(shù)據(jù)速率不斷攀 升，電信號(hào)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(hào)傳輸要求昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施 升級(jí)改造。任何網(wǎng)絡(luò)升級(jí)都要求更換所有的淘汰設(shè)備(“叉 車式升級(jí)” )， 并涉及到大規(guī)模檢修已有的基礎(chǔ)設(shè)施。 然 而，AON的數(shù)據(jù)率僅受限于端站能力，從而避免了這一問 題。所以，鏈路升級(jí)不要求更改核心設(shè)備，運(yùn)營商能夠更加 容易地升級(jí)網(wǎng)絡(luò)，滿足客戶要求、提升服務(wù)。
設(shè)備實(shí)施技術(shù)的進(jìn)步使得AON成為可能，其中某種輸 入波長的光信號(hào)可傳輸?shù)捷敵鲦溌窌r(shí)，波長相同，無需轉(zhuǎn)換 到電子域。這些AON網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的碼率可以不同，因?yàn)樵诤?心網(wǎng)上沒有端點(diǎn)。這種碼率、格式以及協(xié)議的透明性對(duì)下一 代光網(wǎng)絡(luò)極其重要。

2  交換技術(shù)
根據(jù)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。不透明交換也稱為光交叉連接(OCX)，將輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子形式。然后利用交換結(jié)構(gòu)以電子形式實(shí)現(xiàn)交換， 將產(chǎn)生的信號(hào)在輸出端口再轉(zhuǎn)換回光形式。將信號(hào)轉(zhuǎn)換到電 子域具有多種優(yōu)勢(shì)，包括再生、自由波長轉(zhuǎn)換以及更好的性 能和故障管理。然而，光-電-光(OEO)轉(zhuǎn)換為上述非透明交 換帶來了困難。透明交換也稱為光子交叉連接(PCX)，不進(jìn)行任何OEO轉(zhuǎn)換。這就允許其功能與數(shù)據(jù)類型、格式或速率無關(guān)，盡管 僅限于一定波長范圍內(nèi)，即所謂的通帶。切實(shí)可行的PCX技術(shù)應(yīng)在交換速度、消光比、擴(kuò)展性、插入損耗(IL)、偏振相關(guān)損耗(PDL)以及功耗等方面表現(xiàn)出優(yōu)越性。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是實(shí)現(xiàn)光交換的強(qiáng)大途徑，因?yàn)?MEMS系統(tǒng)在單晶片上獨(dú)特地集成了光、機(jī)械以及電子元 件。MEMS開關(guān)使用的微鏡能夠?qū)⒐馐匦露ㄏ虻綄?duì)應(yīng)端 口。MEMS使用的執(zhí)行結(jié)構(gòu)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開關(guān)更 容易控制、容限較嚴(yán)格，但由于光損原因不容易擴(kuò)展。3D開關(guān)允許在兩個(gè)軸上移動(dòng)，提高了擴(kuò)展性，所以容限嚴(yán)格得 多。由于射束發(fā)散性(約3dB)，MEMS開關(guān)容易產(chǎn)生較高的 IL，開關(guān)時(shí)間較慢(ms)、要求較高激勵(lì)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開關(guān) 的一個(gè)例子。
聲 光 (AO)開 關(guān) 使 用 在 晶 體 或 平 面 波 導(dǎo) 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(jī)械 振動(dòng)使材料內(nèi)部產(chǎn)生規(guī)則的受壓區(qū)或張力帶。在大多數(shù)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。通過控制超聲 波幅值和頻率，即可控制被衍射光的總量和波長。AO開關(guān) 處理較高的功率水平、具有合理的IL(約3dB)和開關(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相關(guān)性。
電-光(EO)開關(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)。這些開關(guān)使用了液晶、交換波導(dǎo)布拉格 (Bragg)光柵、半導(dǎo)體光放大器(SOA)和LiNbO3。圖4所示的 EO開關(guān)利用LiNbO3使材料的折射率隨場強(qiáng)發(fā)生線性變化。 根據(jù)變化形式的不同，此類EO開關(guān)的開關(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(shù)開關(guān)具有很強(qiáng)的波長相關(guān)性，有些不要求較高的驅(qū)動(dòng)電 壓。
基于半導(dǎo)體光放大器(SOA)的開關(guān)也存在有限的動(dòng)態(tài)范圍，潛在地產(chǎn)生交調(diào)和互調(diào)。熱-光(TO)開關(guān)基于波導(dǎo)的熱- 光效應(yīng)或材料的熱效應(yīng) 。干涉式TO開關(guān)對(duì)干涉儀一條橋臂 的材料進(jìn)行加熱，相對(duì)于另一橋臂產(chǎn)生相移。該過程造成兩 個(gè)光束在重新組合時(shí)產(chǎn)生干涉效應(yīng)。數(shù)字式TO開關(guān)利用 硅片兩個(gè)波導(dǎo)的相互影響， 如 圖 5 所 示 。 對(duì) 材 料 加 熱 造 成波導(dǎo)折射率

圖4  使用LiNbO3晶體的EO開關(guān)    

圖5  數(shù)字式TO波動(dòng)開關(guān)

圖6  Sagnac開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法概覽  

圖7  Sagnac開關(guān)實(shí)現(xiàn)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 加熱過程，數(shù)字式TO開關(guān)功耗較高(約70mW)，開關(guān)時(shí)間較 慢(ms)。
磁-光(MO)開關(guān)基于偏振光的法拉第效應(yīng)，光以施加磁 場方向通過磁光材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生法拉第效應(yīng)。電磁波偏振 的變化是間接控制其正交分量相對(duì)相位的方法。實(shí)現(xiàn)方法之 一是利用磁光材料中的法拉第效應(yīng)，即將偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)θ F (法 拉第轉(zhuǎn)角)。磁-光開關(guān)利用干涉儀將這種相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為調(diào) 幅；這些開關(guān)的明顯優(yōu)點(diǎn)是可以處理較高功率。盡管之前已 經(jīng)做了一些工作來研究這些類型的開關(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(shù)、較低IL、 超寬頻帶，并且施加較小磁場即可產(chǎn)生更大旋轉(zhuǎn)的材料。

3 新技術(shù)、新成果
作者之前已經(jīng)提出了馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)，基于 光纖的MO開關(guān)，使用鉍取代鐵榴石(BIG)作為法拉第旋轉(zhuǎn) 器(FR)。盡管新開關(guān)設(shè)計(jì)顯示出優(yōu)良的性能并且兼容當(dāng)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開關(guān)的缺點(diǎn)，最近提出了集成 版本，并正在緊張開發(fā)中。在調(diào)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性偏振輸入波(E1+)分為兩個(gè)幅值相等、相差90°的對(duì)向傳播波(E3-、E4-)。將這兩個(gè)波注入Sagnac環(huán)路，隨后到達(dá)FR。然后FR將其偏振態(tài)旋 轉(zhuǎn)法拉第轉(zhuǎn)角θ F，該轉(zhuǎn)角與應(yīng)用至FR的磁場強(qiáng)度成比例， 然后再回到耦合器(E 3+、E 4+)。 由于法拉第旋轉(zhuǎn)的不可逆 性，兩個(gè)對(duì)向傳播波經(jīng)過大小相等、方向相反的旋轉(zhuǎn)(即， θ F 和-θ F)。利用瓊斯計(jì)算法將其體現(xiàn)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(shù)；φ 為 Sagnac環(huán)路長度引起的相位變化。
假設(shè)端口2沒有輸入波，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(θ F  = 90°)，將輸 入波重定向到端口2。

假設(shè)端口2沒有輸入波，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(θ F  = 90°)，將輸入 波重定向到端口2。如圖7所示，磁場密度為3.58kA/m時(shí)，開關(guān)時(shí)間達(dá)到700ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于MZI開關(guān)(12.7kA/m時(shí)為2μs)。然而，仍然 可以改進(jìn)，因?yàn)樵砩峡蛇_(dá)到的開關(guān)速度取決于磁疇壁的速 度，而后者已經(jīng)測得可達(dá)到10km/s數(shù)量級(jí)。
改進(jìn)開關(guān)性能的可能方法包括采用不同的線圈結(jié)構(gòu)和 驅(qū)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 非常可喜的成果，證明上升時(shí)間可縮短至77ns，下降時(shí)間縮 短至129ns。

5  結(jié)束語
文 章 總 結(jié) 了 現(xiàn) 代 光 通 信 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 趨 勢(shì) 和 存 在 的 問 題。執(zhí)行基本功能(路由、交換及多路復(fù)用)的透明網(wǎng)絡(luò)元件 是實(shí)現(xiàn)更可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)、互聯(lián)性強(qiáng)光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。文章還 介紹了用于全光通路的小規(guī)模、高速交換技術(shù)的最新進(jìn)展。 展示了美國愛荷華州立大學(xué)(Iowa State University)最新設(shè)計(jì)的 交換技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果。