在過去十年中，高帶寬應用的涌入推動了從面向連接的通信到以IP為中心的高帶寬數(shù)據(jù)流量的范式轉變。這種轉變凸顯了對比特率、協(xié)議和格式不敏感的透明網(wǎng)絡的需求。隨著這些現(xiàn)代網(wǎng)絡在規(guī)模和復雜性方面的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了新技術來促進最基本的網(wǎng)絡功能：路由、交換和多路復用。本文回顧了光交換的最新技術，以及光網(wǎng)絡中高速交換的趨勢和需求。還介紹和討論了愛荷華州立大學高速系統(tǒng)工程計劃在全光交換機方面的一些最新發(fā)展。

介紹

約翰·多恩（John Donne）在1623年說過：“沒有人是一座孤島，它本身就是一個完整的......”在緊急場合的奉獻中，冥想十七。人類在孤立時不會茁壯成長;因此，他的講道強調(diào)了溝通的巨大重要性。毫不奇怪，光通信可以追溯到古代，從火和煙霧信號到信號燈、旗幟和信號燈。

現(xiàn)代光通信隨著可以調(diào)制的強大相干光源（激光1）和合適的傳輸介質(zhì)（光纖2).以模擬帶寬表示，1nm 波段在 1300nm 處轉換為 178GHz 的帶寬，在 1500nm 處轉換為 133GHz 的帶寬。因此，光纖的總可用帶寬約為30THz。假設普遍存在的開-關鍵控格式的理論帶寬效率為1bps/Hz，如果忽略光纖非理想性，則可以預期30Tbps的數(shù)字帶寬。

鑒于光纖的巨大潛力，它們主要取代銅作為首選的傳輸介質(zhì)也就不足為奇了，在此過程中大大增加了單鏈路帶寬。如圖1所示，過去十年見證了網(wǎng)絡范式的轉變，從面向連接的通信轉變?yōu)橐訧P為中心的高帶寬分組交換數(shù)據(jù)流量。所有這些流量都是由高帶寬應用程序的涌入驅(qū)動的3這導致了對光長距離通信中提高數(shù)據(jù)速率的永不滿足的需求。4此類高帶寬應用程序的可用性在很大程度上依賴于以快速可靠的方式傳輸數(shù)據(jù)的能力，而不會顯著增加運營和擁有成本。因此，研究人員被迫創(chuàng)建能夠以高度可擴展的方式支持這些應用所需的各種比特率、協(xié)議和格式的高速網(wǎng)絡。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡在規(guī)模和復雜性方面的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了新技術，以促進最基本的網(wǎng)絡功能，并有效地利用光纖的潛力進行路由、交換和多路復用。

圖1.預測全球 IP 流量的增長。數(shù)據(jù)源是思科報告，“思科視覺網(wǎng)絡指數(shù)：2013-2018年預測和方法。3

透明度

可以根據(jù)物理層的參數(shù)（例如帶寬、信噪比）定義網(wǎng)絡透明度。它也可以是光域中剩余信號的測量，而不是光域和電子域之間的信號。透明度也可能意味著系統(tǒng)支持的信號類型，包括調(diào)制格式和比特率。考慮到所有這些因素，透明的全光網(wǎng)絡（AON）通常被定義為信號在整個網(wǎng)絡中保留在光域中的網(wǎng)絡。透明網(wǎng)絡因其靈活性和更高的數(shù)據(jù)速率而具有吸引力。相反，如果網(wǎng)絡要求其組成節(jié)點知道底層數(shù)據(jù)包格式和比特率，則網(wǎng)絡被認為是不透明的。

缺乏透明度是當前網(wǎng)絡中一個緊迫的問題，因為需要在電域中處理數(shù)據(jù)流會導致大量的光電帶寬不匹配。5目前單波長的帶寬為10Gbps（OC-192 / STM-64），在不久的將來可能會超過100Gbps（OC-3072 / STM-1024）。隨著光學數(shù)據(jù)速率的螺旋式上升，電子產(chǎn)品將很難跟上它的步伐，特別是因為設備尺寸正在迅速接近量子極限。6此外，高速電子設備需要非常昂貴的基礎設施升級。任何網(wǎng)絡升級都需要更換所有舊設備（“叉車升級”），這涉及對現(xiàn)有基礎設施的大規(guī)模檢修。但是，AON避免了這個問題，因為數(shù)據(jù)速率僅受終端站功能的限制。因此，連接升級不需要更改核心，使城域運營商能夠擴展其網(wǎng)絡以滿足客戶需求并更輕松地增強其服務。

設備實現(xiàn)技術的進步使得設計AON成為可能，其中到達波長的光信號可以切換到相同波長的輸出鏈路，而無需轉換為電子域。這些AON上的信號可以具有不同的比特率和格式，因為它們永遠不會在核心網(wǎng)絡內(nèi)終止。這種比特率、格式和協(xié)議透明度在下一代光網(wǎng)絡中至關重要。

開關技術

光開關可大致分為不透明或透明，具體取決于其實現(xiàn)技術。

不透明開關，也稱為光交叉連接 （OCX），將輸入的光信號轉換為電氣形式。然后使用開關結構以電子方式執(zhí)行實際開關，并將產(chǎn)生的信號在輸出端轉換回光學形式。轉換為電域具有多種優(yōu)勢，包括再生、自由波長轉換以及更好的性能和故障管理。然而，光-電-光（OEO）轉換的存在帶來了與上述非透明開關相關的困難。

透明開關，也稱為光子交叉連接 （PCX），不執(zhí)行任何 OEO 轉換。這允許它們獨立于數(shù)據(jù)類型、格式或速率運行，盡管只能在稱為通帶的波長范圍內(nèi)運行。可行的PCX技術應在開關速度、消光比、可擴展性、插入損耗（IL）、偏振相關損耗（PDL）、串擾和功耗方面表現(xiàn)出優(yōu)越性。

微電子機械系統(tǒng)（MEMS）是實現(xiàn)光學開關的強大手段，因為MEMS系統(tǒng)將光學、機械和電氣元件獨特地集成到單個晶圓上。MEMS開關使用微鏡將光束重定向到所需的輸出端口。7-10MEMS使用的驅(qū)動機構各不相同：靜電與靜磁，閉鎖與非閉鎖。它們可以進一步分類為2D或3D MEMS。2D 開關更易于控制，公差更嚴格，但由于光損耗，不會放大。3D開關允許在兩個軸上移動，從而緩解了可擴展性問題，但因此具有更嚴格的公差。由于光束發(fā)散（~3dB）、較慢的開關時間（ms）、高致動電壓/電流要求以及非閉鎖配置的更高功率耗散（~80mW），MEMS開關往往會受到較高IL的影響。2D MEMS開關的示例如圖2所示。

圖2.2D MEMS開關示例。

聲光（AO）開關使用在晶體或平面波導內(nèi)傳播的超聲波，將光從一條路徑偏轉到另一條路徑，11-13如圖 3 所示。機械振動會在材料中引入規(guī)則的壓縮和拉伸區(qū)域。在大多數(shù)材料中，這種壓縮和張力會導致折射率的變化。折射率變化的周期性圖案隨后形成衍射光柵，導致入射光被衍射。控制超聲波的振幅和頻率可以控制衍射光的數(shù)量和波長。AO開關可處理高功率電平，提供合理的IL（~3dB）和開關時間（~40μs），但隔離度（~-20dB）和功率效率差，以及固有的波長依賴性。

圖3.通過超聲波產(chǎn)生衍射光柵。

電光（EO）開關利用施加電壓時材料物理特性的變化。這些開關已使用液晶、可切換波導布拉格光柵、半導體光放大器 （SOA） 和 LiNbO 實現(xiàn)3.14-18 圖 4 顯示了使用 LiNbO 的 EO 開關3影響材料折射率隨場強線性變化的變化。根據(jù)型號的不同，此 EO 開關的開關時間為 1ns - 1ms;隔離度為-10至-40dB;IL 范圍從 < 1 到 10dB。然而，這些開關中的大多數(shù)都具有很強的波長依賴性;那些不需要更高驅(qū)動電壓的。

基于半導體光放大器（SOA）的開關也受到動態(tài)范圍有限的影響，可能會產(chǎn)生交叉調(diào)制和互調(diào)。

圖4.EO開關采用LiNbO3晶體。

圖5.數(shù)字TO波導開關。

熱光 （TO） 開關基于波導熱光效應或材料的熱行為。19-22干涉TO開關加熱其中一個干涉儀支腿中的材料，以產(chǎn)生相對于另一個支腿的相移。這個過程會導致兩個光束在重新組合時產(chǎn)生干涉效應。數(shù)字TO開關利用硅片上兩個二氧化硅波導的相互作用，如圖5所示。加熱材料會改變波導的折射率，產(chǎn)生相位差，從而改變輸出端口的選擇性。數(shù)字TO開關雖然具有出色的PDL，但由于加熱過程（~70mW）而消耗更多的功率，并且開關時間（ms）較慢。

磁光（MO）開關基于偏振光在外加磁場方向穿過磁光材料時的法拉第旋轉。23改變電磁波的極化是控制其組成正交分量的相對相位的間接方法。實現(xiàn)這一目標的一種方法是利用磁光材料中的法拉第效應，即通過法拉第旋轉角θ旋轉偏振狀態(tài)F.磁光開關使用干涉儀將這種相位調(diào)制轉換為幅度調(diào)制;這些開關具有具有高功率處理能力的明顯優(yōu)勢。雖然之前已經(jīng)完成了一些工作來研究這些類型的開關24，缺乏足夠高質(zhì)量的MO材料阻礙了這項工作。鉍取代鐵柘榴石和正鐵素體的研究進展25-31產(chǎn)生了具有高MO品質(zhì)因數(shù)的材料，為較少的應用領域提供了低IL，超寬帶寬和更多的旋轉。

新的實施和結果

作者之前提出了一種馬赫-曾德爾干涉儀（MZI），這是一種基于光纖的MO開關，使用鉍取代的鐵石榴石（BIG）作為法拉第旋轉器（FR）。32雖然顯示出有前途的性能和與當代光網(wǎng)絡組件的兼容性，但由于干涉儀路徑中不可避免的不匹配，新的開關設計遭受了消光比的降低。

為了解決基于光纖的MZI交換機的缺點，最近提出了一個集成版本，并且正在積極開發(fā)中。33作為研究的一個平行分支，提出了一種Sagnac干涉儀配置，34-37在光纖環(huán)路中放置一個 BIG FR，如圖 6 所示。線性極化輸入波（E1+） 由混合耦合器分成兩個振幅相等且異相 90° 的反向傳播波 （E3-， E4-).這些波被發(fā)射到Sagnac環(huán)路中，隨后遇到FR。然后FR通過法拉第旋轉角θ旋轉它們的偏振F這與施加到FR的磁場強度成正比，然后返回耦合器（E3+， E4+).由于法拉第旋轉的非互易性質(zhì)，兩個反向傳播波經(jīng)歷相等和相反的旋轉（即θF和 -θF).這個動作體現(xiàn)在（方程1）和（方程2）使用瓊斯演算，其中Ex和 Ey分別是入射波的 x 和 y 分量;T是透射系數(shù);φ是由于Sagnac環(huán)路的長度而經(jīng)歷的相變。

圖6.Sagnac 交換機的實施概述。

假設端口 2 沒有輸入波，干涉儀端口的輸出可以表示為 （方程 3）。未應用字段時 （θF= 0°），輸入波以 90° 相移返回端口 1。應用足夠大小的場 （θF= 90°） 將輸入波重定向到端口 2。

假設端口 2 沒有輸入波，干涉儀端口的輸出可以表示為 （方程 3）。未應用字段時 （θF= 0°），輸入波以 90° 相移返回端口 1。應用足夠大小的場 （θF= 90°） 將輸入波重定向到端口 2。

如圖7所示，在場強為3.58kA/m時，開關時間為700ns。這明顯優(yōu)于MZI開關（2μs，12.7kA/m）。但是，它仍然可以改進，因為原則上，可實現(xiàn)的開關速度取決于域壁的速度，該速度已被測量為10km / s。38

圖7.Sagnac 交換機的實施概述。

提高開關性能的可能方法將采用不同的線圈幾何形狀和驅(qū)動器配置。作者最近對這兩個概念進行了探索，并顯示出非常有希望的結果，34-36上升時間降低到77ns，下降時間減少到129ns。

結束語

報告了現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的趨勢和問題。執(zhí)行基本功能（路由、交換和多路復用）的透明網(wǎng)絡組件是實現(xiàn)更可靠、可擴展和連接更豐富的光網(wǎng)絡的關鍵。還介紹和討論了用于全光光路應用的小規(guī)模、高速開關的一些最新發(fā)展。顯示了愛荷華州立大學新實施的交換機的實驗結果。

審核編輯：郭婷