光网络中的光交换技术

２００２年第１期　（总第１０９期１　光通信研究　ＳＴＵＤＹ　ＯＮ　ＯＰ　Ｆ［ＣＡＬ　ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴ１０ＮＳ　ｔＳｕｍ　ＮＯ１０９１　．文章编号：１００５　８７８８（２００２）０１—００２１～０５　光网络中的光交换技术　吕雅利．林金桐　（北京　Ｅ电戈学光通信中一０．北京　１００８７６）　摘要：在对光交换技术深入研究的基础上．对光网络中的关键器件．声光可调滤波器厦光缓　存器作了详细介绍．最后对光交换的发展前景作了展望．　关键词：光交换；仝光同络；声光可调媳波器；光缓存器　中图分类号：ＴＮ９２９．１１　文献标识码：Ａ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ａｌｌ—ｏｐｔｉｃａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　Ｌａ　Ｙａ—ｌｉ．ＬＩＮ　Ｊｉｎ－ｔｏｎｇ　（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｅｎｔｅｒ・Ｂｅｉ　３ｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｔ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅ［ｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｆｉｏｎｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　ｌ００８７６．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｆｉｒｓｔ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｄｅｅｐｌｙ，ｔｈｅｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ＣＯＵＳｔＯ—ｏｐｔｉｃ　ｔｕｎａｂｌｅ　ｆｉｌｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｂｕｆｆｅｒ　ｉｎ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｋｅｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｉｎ　ａｌｌ——　ｏｐｔｉｃａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｆｉｎａｌｌｙ　ｅｎｖｉｓｉｏｎｓ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｎｉｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ａｔ１　ｏｐｔｉｃａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ａｃｏｕｓｔｏ—ｏｐｔｉｃ　ｔｕｎａｂｌｅ　ｆｉｌ—　ｔｅｒｓ（ＡＯＴＦ）；ｏｐｔｉｃａＩ　ｂｕｆｆｅｒ　随着人类社会信息化时代的到来．对通信的需　求呈现加速增长的趋势．光纤有着巨大的频带资源　去了光电变换．系统的费用、复杂性和开关错误率得　以降低．此外．光交换还具有极大的传输带宽和比电　开关更短的重配置时间．　和优异的传输性能，是实现高速率、大容量传输的最　理想的物理媒质．随着掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）的　广泛应用和波分复用（ＷＤＭ）技术的成熟，一根光　１光开关结构　实现光交换最关键的部分是光开关．通常的开　纤中已经能够传输几百Ｇｂｉｔ／ｓ到上Ｔｂｉｔ／ｓ的数字　信息．传输系统容量的快速增长带来的是对交换系　统发展的压力和动力．通信网中交换系统的规模越　来越大．运行速率越来越高，未来的大型交换系统将　需要处理总量达几百Ｔｂｉｔ／ｓ的信息．但是目前的电　子交换和信息处理网络的发展已接近了极限，其中　用　关系统需要完成的功能有：　（１）时域上基于缓冲器和同步的复用和解复　（２）基于波长变换的波长复用和解复用；　（３）空分开关．　基于电的ＡＴＭ开关结构已经被广泛研究，它　ＲＣ的固有参数、钟歪、漂移、串话、响应速度慢等缺　点了交换速率的提高．为了解决电子瓶颈　问题，研究人员开始在交换系统中引入光子技术，实　现光交换．在光交换中信息以光的形式存在，由于省　们的吞吐量受限于电子电路的速率．在高速数据传　输电路中速率主要来源于电磁感应和电子电路　收穑日期：２００１—０２－２１　作者简赍；吕雅利【１９７０一）．女，河南袼阳＾．博Ｉ　研究生．主婴从事光纤通信干¨０３、ＤＭ厦ＷＤＭ的研究　２１　维普资讯 http://www.cqvip.com

光通信研究　中Ｒ　ｃ时间常数导致的波形变化．另外，逻辑门操　作晶体管的速度越快，需要的能量就越高，因此降低　能量消耗和减少热量产生成为高速电子电路中需要　解决的问题．１　Ｔｂｉｔ／ｓ被认为是纯电子技术所能达　到的极限，而在光域中由于光信号在系统传输速率　高于ｌ　Ｔｂｉｔ／ｓ时可以实现无变形的传输．所以可以　解决在电域中遇到的上述问题．而且，光纤的低损耗　特性使得传输系统中的高带宽得以充分利用．光于　技术是解决纯电子电路吞吐量问题的关键，研　究人员在光域中研究了三类光开关．它们是：空分开　关、时分开关和波分开关．　１．１空分开关　空间光开关是光交换中最基本的功能开关它　可以直接构成空分光交换单元，也可以与其它功能　开关一起构成时分光交换单元和波分光交换单元．　根据光信号在光开关中通过媒质的不同，空间光开　关可以分为光纤或波导型光开关和自由空间型光开　关两类．前者有机械光开关、ＬｉＮｂＯ　的方向耦台器　和半导体光开关等多种类型．由于锂酸铌优良的光　电及波导属性，并且它的处理技术相对成熟．使它成　为集成光的主要材料．每一个信号从输＾端到输出　端由互联的几个锂酸铌交叉连接点提供不同的路　径．树形结构是最具吸引力的空分开关网　．这些　光开关最基本的形式都是２×２．即人端和出端各有　两条光纤，可以完成两种连接状态：平行连接和交叉　连接．这样的光开关有三种实现方案．如图１所示．　ｘ２无开　骨ｔ枣　旨主罂　　．—　——０√＞＿　目１　２×２空间光开关的安现方案　（１）１个２×２光开关如图１（ａ）．如基于Ｉ　ｉＮ　ｂＯ。的方向耦台器和机械光开关．　（２）４个１×２光开关用光纤如图１（ｂ）互连起　来．１×２光开关可用Ｙ分支型ｌｎＰ数字光开关．　ｔ３）４个１×２光耦台器。４个门型光开关如图　ｌ（ｃ）构成．门型光开关可用半导体光放大器或其它　２２　２００２年第１期总第１０９蝎　类型的门型光开关．　（１）、（２）中的２×２和ｌ×２光开关属于波导型　光开关，都是由外部控制波导的折射率，选择输出波　导．折射率控制由电流注人／外加电场或通过加热来　进行．这类光开关在交换信号时，除了其本身的插损　外．将把所有的信号功率交换到输出线去．而（３）中　光开关将把一半的光能浪费掉．从而引人附加损耗．　且交换的路数越多，损耗越大．用光放大器作门型光　开关可以解决这个问题．但是空间光开关多级互连　成大型交换单元时，光放大器引人的放大的自发辐　射和通带变窄等问题难以解决．另外．（３）中光开关　具有广播发送能力．这在提供点到多点和广播业务　时非常有用．　但是由于机械光开关的体积大、控制复杂，波导　型光开关又有损耗大、串扰大等缺点．采用这些光开　关构成的光交换单元都很难达到很大的容量（２５６ｘ　２ｓ６以上）．自由空间型光开关是指光信号以光束的　形式在输＾、输出端之间交换．光束在自由空问传输　的特点决定了这类光开关具有低损耗、低串扰的优　点．在构成大型交换模块时具有优势　最近正在成为　研究热点的一项新技术～光微电机系统技术（Ｏｐｔｉ　ｃａｌ　ＭＥＭＳ．Ｏｌｐｔｉｃａｌ　Ｍｉｃｒｏｃｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｍｉｃａｌ　Ｓｙｓ　ｔｅｍ）一使空间光开关技术得到很大发展．它能在单　片半导体材料上集成大量光开关元件，同时使光信　号在自由空间传播．据报道，２０００年朗讯公司已推　出ＭＥＭＳ２ｊ　６×２５６光开关．　１　２时分开关　多数报道中的时分开关与电域中的开关相似，　它们用１　Ｘ　和Ｎ×１开关矩阵集成　×Ｎ光开　关作为读和写单元．要完成时分光交换．必须有时隙　交换器（Ｔｉｍｅ　Ｓｌｏｔ　ｌｎｔｅｒｃｈａｎｇｅｒ）完成将输人信号一　帧中任一时隙交换到另一时隙输出的功能，而完成　时隙交换必须有光缓存器，通常用光纤时延线或光　学双稳态器件作为光存储器．双稳态激光器用作光　缓存器时只能按位缓存，且还需要解决高速化和扩　容等问题．光纤延时线是一种比较适用于时分光交　换的光缓存器，它以光信号在其中传输一个时隙时　间经历的长度为单位，光信号需要延时几个时隙一就　维普资讯 http://www.cqvip.com

吕椎利等　光网帑中的光交接技术　让它经过几个单位长度的光纤延时线．目前的时隙　交换器都是由空间光开关和一组光纤延时线构成，　本文最后专门对光缓存器作详细介绍．　１．３波分开关　式加载到ＰＴ上，这种声控门只有在光频是声频的　整数倍时才有效，这一特性使得输人光谱可以分成　的波长信道．声光频率转换因子约为ｌ０　；ｌ，　也就是大的波长变换由微量的ＲＦ驱动实现．　ＲＦ　波分开关由于具有很大的潜在吞吐量而吸引了　人们的注意力，ｗＤＭ亦作为一种有前途的技术被　人们关注，并且已经取得了巨大的进展．它们要么基　于广播选择配置，要么基于有源波长路由配置，如果　输＾尤蝗　——Ｌ—Ｈ　　Ｌ——　Ｌ—　图２　ＡＯＴＦ的结构　不结合其它技术它们也会受到一些．注意这里　波分光交换与波长路由（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｒｏｕｔｉｎｇ）不　（２）与其它滤波器相比较：ＡＯＴＦ是唯一的一　同．后者利用波长的不同来实现选路，即实现空分交　换，其中不包含波长交换功能．与时分光交换类似．　渡分光交换所需的波长交换器（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｉｎｔｅｒ　ｃｈａｎｇｅｒ）也只能先用波分解复用器件将渡分信道空　问分割开，对每一波长信道分别进行渡长转换，然后　再把它们复用起来输出，近来人们更关心的是不仅　种能够同时为许多渡长信道选择路由的滤波器，并　且可以随意选择滤波信道．当多种声频同时添加到　ＡＯＴＦ晶体时．所有相关光频可以同时地被选　择，不需要选择波长的顺序．其它滤波器要达到　这种平行处理能力需要级联，增加了复杂性和子网　损耗，ＡＯＴＦ避免了这些弊病．　将ＷＤＭ作为一种纯传输技术而且要将其应用到　全光网的透明传输中去．这些技术有波长路由开关、　开关源、可调光源及可调探测器．　未来的光开关会首选时间短的重配置．这是由　（３）ＡＯＴＦ商业化的局限性：ＡＯＴＦ体积太，能　量消耗太，输人光线的偏振态需要固定．这使得插损　严重依赖于偏振态，集成的Ａ￣ＴＦ可以解决上述问　题．采用单模信道波导可以使每信道能量损耗从几　ｗ降至几ｍｗ．将偏振分离器和偏振合成器集成在　同一个衬底上使输人偏振态和输出偏振态经由同一　声波转换，保证了偏振态的性．ＡＯＴＦ具　于用户通信量需求和服务类型随时间快速改变．时　间短的重配置可充分利用由此带来的累计带宽．因　此，波长选择、波长路由ＷＤＭ开关成为任何重配　置、任何规模的光网络的关键器件．目前在测试床主　要开发两种不同的技术，一种是基于声光可调滤波　器（ＡＯＴＦ，Ａｃｏｕｓｔｏ　Ｏｐｔｉｃ　Ｔｕｎａｂｌｅ　Ｆｉｌｔｅｒｓ）．它可以　有选择和开关波长信道的优点，同时也有信道　间串扰影响大的缺点．　总之，在ＡＯＴＦ设备中，用人工或远程（经由　ＲＳ一２３２接口）ＲＦ控制来配置网络中的波长，也就是　选择、开关波长信道；另一种是基于混合开　关．它是用多层电介质薄膜干涉滤波器．可采用离散　的２×２交叉光开关作为复用器和解复用器．在全光　网中ＡＯＴＦ是波长选择、波长路由的关键技术．下　面将着重介绍．　（１）操作原理：ＡｏＴＦ由三个功能单元组成．如　图２所示．设备的核心是一个波长选择偏振转换器　（ＰＴ，Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ），在ＰＴ两侧的一对　说，发射至ＡＯＴＦ的ＲＦ信号产生表面声波来控制　开关波长　Ａ￣ＴＦ的优点是设备紧凑、费用低、开关　速度陕，但也有一些问题有待于进一步解决．通常是　系统评价测试ＡＯＴＦ交叉连接模块的开关和串扰　特性、通频带宽及相位噪声向强度噪声的转换现象．　Ａ￣ＴＦ的研究工作主要是解决降低串扰和损耗问　题．　偏振路由（ＰＲ，Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｒｏｕｔｉｎｇ）将输人光线分　类．根据偏振态重新组台输出光线，这样一来，每一　个信道要么被送到滤波波长端口（Ｆ），要么被送到　非滤波波长端口（ｕ），控制命令以受激电声波的形　光分组交换网络拓扑结构如图３所示．网络拓　２３　２光分组交换网拓扑结构　维普资讯 http://www.cqvip.com

光通信研究　扑结构通常分为三类：（１）环形；（２）星形；（３）网格　形．环形和星形拓扑结构都可以用全光阿实现．所以　可以用很高的带宽传输格式的数据．网格拓扑　结构目前限于光／电混合网络．在节点之间用光传　输，在节点处用电交换，为提高网络速率．许多光交　换的研究正在进行中，光缓存器是解决光交换问题　的关键．　ｏ　环形周　（ｂ１里嚣眄　ｌ硐格形司　图３光分组交换网络拓扑结构　由于环形拓扑结构可以用比星形拓扑结构更短　的光纤路径完成节点间的全连接，环形拓扑结构适　合较大的网络，例如：城域网（ＭＡＮ）或广域网　（ＷＡＮ）．它的一个缺点是节点数受网络功率预算的　．另一个缺点是一个节点断开会导致全网瘫痪．　在星形拓扑结构中，中间用无源耦合器将各个　节点的信号汇合并传给所有节点．由于采用的是无　源耦合器一而且一个节点断开不会影响其它节点的　砖输，所以比较可靠，它的另一个优点是可以直接添　加或去掉节点，不会影响整个网络的运行．　网格拓扑结构中，节点有规律地分布并连接成　网格状，例如Ｍａｎｈａｔｔａｎ　ｓｔｒｅｅｔ网或ＳｈｕｆｆｌｅＮｃｔ．这　种拓扑结构也被称为多跳网，主要用于Ｉ　ＡＮ或　ＷＡＮ中的无连接服务．这种结构连接点体积小、结　构简单、控制、小缓存器或无缓存器，适用于超　高速运行系统、常用热土豆法来解决信元连接问题．　网格拓扑结构的另一个优点是它的波长可以再利　用，所以能够具有巨大的节点数．由于网格拓扑结构　的任意两个节点之间都不止一条路径，故可靠性强．　它的缺点是相对复杂的网络结构使节点处的光／电　转换及电处理过程变得复杂．　另外，在波导网络中．不论我们开发何种技术都　需要无偏振依赖性，由于目前用的光纤多数不保偏，　多数情况下，问题的复杂性主要来源于此．　２：４　２００２　第ｌ州总笫１０９　３光缓存器　光开关系统中关键部分是用于信号处理、时间　开关和排队应用的存储器．根据传输特性选择缓存　器的尺寸、厚度和位置去处理输＾的分组流和可能　的输出分组流．原理上，可以考虑两种光技术：～种　是用光学双稳态存储；另一种是用延迟态．例如光纤　来缓存．　各种技术用来研究光永久存储器，例如光控微　谐振器、自光电设备、电控ＶＳＴＥＰ设备．可是．除了　考虑波长兼容问题．在分组交换系统中所有这些技　术都有一个共同的缺点：虽然它们的交换时间可以　很短，但它们主要适合于平行信息的处理而不是巨　大的存储信息量．就象分组交换中要求的那样．　在分组交换系统内，另一种ＲＡＭ方法是采用　缓存移位寄存器存储和延迟临时的信元和分组　由　于光线沿光纤传输时会　ｆ起固有的延迟，其筐仅仅　依赖于路径长度和波长，依据ＦＩＦＯ原理准确控制　光纤时延线的长度被认为是最简单、最可靠的光缓　存器．　虽然基于光纤的缓存器看起来微不足遭．但是　有必要指出它们有几个非常重要的优点．象快速可　得、适合于延迟数据及微量的电能消耗、事实上．通　过有效开发光纤的光谱域就能简单地提高这种缓存　器的性能．例如在ＤＷＤＭ中．忽略色散时许多不同　的波长的信元／分组就能同时存储在同一个缓存器　中　、　图４是光缓存器的类型．光缓存器可分为两类：　传输型缓存器和环型缓存器、　簪㈨传精型埋存辑　一崔　）环型埕存嚣　围４　光缓存器类型　维普资讯 http://www.cqvip.com

吕雅利等・光阚培中舯光交按拉术　传输型缓存器：时延单位等于给定操作速率的　分组周期．实际上．１　ｍ光纤大约可以将光线延迟　５　ｎｓ，在近红外区，一个１０（；ｂｉｔ，　ｓ的标准ＡＴＭ信　元大约可存储在８　ｍ长的时隙中．值得一提的是，　速率越高，性能越好，即：比特率越高．信元　分组周　期越短，同时光纤长度越短．　环型缓存器：另一个基于光纤的缓存器的方法　是采用有源光纤环．与传输型缓存器相同，环长与给　和拆卸协调．因为电路保持的时问相对较长，用　ＰＰＩ　完成比特级的同步就足够了．在分组交换中，　传输～个分组的时间非常短，不足以保证网络中专　用回路的建立和连接．而且，每个分组都携带自己的　地址信息在网络中用来实现实时的路由分组．ＰＰＩ　不足以提供分组同步，需要更快的技术来完成同步．　４光交换的发展前景　虽然光时分交换和坡分交换都有美好的应用前　定比特率的信元／分组的周期有关．输人信元／分组　根据波长依次在环中循环，环中不同波长（忙或闹）　由电处理器控制．提取信元／分组的同时环中的滤波　器被凋至适当频率攘除此信元　分组以释放波长，使　另一个信元／分组能够再一次利用此波长进行缓存．　虽然控制比传输型缓存器更复杂，但是环型缓存器　景，但是由于目前高速光开关（＜１　ｎｓ）的技术指标　和工艺水乎还难以达到实用化程度，特别是有效的、　大容量的光缓存器的缺乏，使高速、频繁的时分光交　换近期内还难以实现．全光波长转换器的研究虽然　有了一些进展，但也还远没有达到实用化阶段．因　此，近期光交换的发展、应用重点仍是空分光交换，　必要时使用光一电一光型波长转换器实现渡分光交　换．　降低了所需光硬件的数目．它的主要来自于放　大器引入的自激发射放大ｔＡＳＥ，Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）噪声，已经有几十个循环的　演示实验　一．光缓存器的主要缺点是体积大．以及由　于缓存器只能在固定的分组周期操作所带来的缺乏　灵活性．　ＷＤＭ技术正在广泛应用于光纤通信系统中，　使单波长传输系统升级为ＷＤＭ多波长传输系统．　将逐渐成熟的空分光交换技术引入光纤通信系统　后，可以以波长为单位，在不同的光纤问交换光信　号，从而在可以预见的将来，将点到点光纤通信系统　升级为光网络，使通信网的基础产生质的飞跃．　多年来传统的光纤链路采用点到点传输．这些　链路是永久的，链路问不需要动态配置或时问同步，　传统的锁相环（ＰＰＩ　）可实现比特级同步．同步依赖　于交换模式，是采用电路交换还是分组交换．在电路　交换中用传输在信号路径上的命令实现电路的连接　参考文献：　１］Ａｎｄｒｚｅｊ　ｊａｊｓｚｅｚｙｋ，Ｍｏｕｆｔａｈ　Ｈ　Ｔ．Ｔｒｅｅ　ｔｙｐｅ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｎｅｔｗｏｒｋ＋１９９５　９（１）：１０—１６．　Ｏｕｄａｒ　Ｊ　Ｉ　，Ｋｕｓｚｅｌｅｗｉｃｚ　Ｒ．Ｐｌａｎｅｌ　Ｊ　Ｉ　．Ｏｐｔｉｃａｌ　ｂｉｓｔａｂｌｅ　ａｒｒａｙｓ：ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｆｏｒ　ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ，　ＯＳＡ　ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｎ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ＩＪ］．１９９１，８：２３９～２４３．　Ｃａｌｖａｚａｒａ　Ｍ，Ｇａｍｂｉｎｉ　Ｐ，Ｐｕｌｅｏ　Ｐ，ｃｔ　ａ１．ＯｐｔｉｃａＩ—ｆｉｂｅｒ—ｌｏｏｐ　ｍｅｍｏｒｙ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｐａｃｋｅｔ　ｂｕｆｆｅｒｉｎｇ　ｉｎ　ＡＴＭ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ａ］．Ｐｒｏｃ．ＯＦＣ’９３［ｃ］．Ｓａｎ　Ｊｏｓｅ，ＣＡ，ＵＳＡ：ｉ９９３：１９—　２０．