透明网络中的全光交换：挑战和新实现

在过去十年中，高带宽应用的涌入推动了从面向连接的通信到以IP为中心的高带宽数据流量的范式转变。这种转变凸显了对比特率、协议和格式不敏感的透明网络的需求。随着这些现代网络在规模和复杂性方面的不断发展，出现了新技术来促进最基本的网络功能：路由、交换和多路复用。本文回顾了光交换的最新技术，以及光网络中高速交换的趋势和需求。还介绍和讨论了爱荷华州立大学高速系统工程计划在全光交换机方面的一些最新发展。

介绍

约翰·多恩（John Donne）在1623年说过：“没有人是一座孤岛，它本身就是一个完整的......”在紧急场合的奉献中，冥想十七。人类在孤立时不会茁壮成长;因此，他的讲道强调了沟通的巨大重要性。毫不奇怪，光通信可以追溯到古代，从火和烟雾信号到信号灯、旗帜和信号灯。

现代光通信随着可以调制的强大相干光源（激光1）和合适的传输介质（光纤2).以模拟带宽表示，1nm 波段在 1300nm 处转换为 178GHz 的带宽，在 1500nm 处转换为 133GHz 的带宽。因此，光纤的总可用带宽约为30THz。假设普遍存在的开-关键控格式的理论带宽效率为1bps/Hz，如果忽略光纤非理想性，则可以预期30Tbps的数字带宽。

鉴于光纤的巨大潜力，它们主要取代铜作为首选的传输介质也就不足为奇了，在此过程中大大增加了单链路带宽。如图1所示，过去十年见证了网络范式的转变，从面向连接的通信转变为以IP为中心的高带宽分组交换数据流量。所有这些流量都是由高带宽应用程序的涌入驱动的3这导致了对光长距离通信中提高数据速率的永不满足的需求。4此类高带宽应用程序的可用性在很大程度上依赖于以快速可靠的方式传输数据的能力，而不会显着增加运营和拥有成本。因此，研究人员被迫创建能够以高度可扩展的方式支持这些应用所需的各种比特率、协议和格式的高速网络。随着现代网络在规模和复杂性方面的不断发展，出现了新技术，以促进最基本的网络功能，并有效地利用光纤的潜力进行路由、交换和多路复用。

图1.预测全球 IP 流量的增长。数据源是思科报告，“思科视觉网络指数：2013-2018年预测和方法。3

透明度

可以根据物理层的参数（例如带宽、信噪比）定义网络透明度。它也可以是光域中剩余信号的测量，而不是光域和电子域之间的信号。透明度也可能意味着系统支持的信号类型，包括调制格式和比特率。考虑到所有这些因素，透明的全光网络（AON）通常被定义为信号在整个网络中保留在光域中的网络。透明网络因其灵活性和更高的数据速率而具有吸引力。相反，如果网络要求其组成节点知道底层数据包格式和比特率，则网络被认为是不透明的。

缺乏透明度是当前网络中一个紧迫的问题，因为需要在电域中处理数据流会导致大量的光电带宽不匹配。5目前单波长的带宽为10Gbps（OC-192 / STM-64），在不久的将来可能会超过100Gbps（OC-3072 / STM-1024）。随着光学数据速率的螺旋式上升，电子产品将很难跟上它的步伐，特别是因为设备尺寸正在迅速接近量子极限。6此外，高速电子设备需要非常昂贵的基础设施升级。任何网络升级都需要更换所有旧设备（“叉车升级”），这涉及对现有基础设施的大规模检修。但是，AON避免了这个问题，因为数据速率仅受终端站功能的限制。因此，连接升级不需要更改核心，使城域运营商能够扩展其网络以满足客户需求并更轻松地增强其服务。

设备实现技术的进步使得设计AON成为可能，其中到达波长的光信号可以切换到相同波长的输出链路，而无需转换为电子域。这些AON上的信号可以具有不同的比特率和格式，因为它们永远不会在核心网络内终止。这种比特率、格式和协议透明度在下一代光网络中至关重要。

开关技术

光开关可大致分为不透明或透明，具体取决于其实现技术。

不透明开关，也称为光交叉连接 （OCX），将输入的光信号转换为电气形式。然后使用开关结构以电子方式执行实际开关，并将产生的信号在输出端转换回光学形式。转换为电域具有多种优势，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）转换的存在带来了与上述非透明开关相关的困难。

透明开关，也称为光子交叉连接 （PCX），不执行任何 OEO 转换。这允许它们独立于数据类型、格式或速率运行，尽管只能在称为通带的波长范围内运行。可行的PCX技术应在开关速度、消光比、可扩展性、插入损耗（IL）、偏振相关损耗（PDL）、串扰和功耗方面表现出优越性。

微电子机械系统（MEMS）是实现光学开关的强大手段，因为MEMS系统将光学、机械和电气元件独特地集成到单个晶圆上。MEMS开关使用微镜将光束重定向到所需的输出端口。7-10MEMS使用的驱动机构各不相同：静电与静磁，闭锁与非闭锁。它们可以进一步分类为2D或3D MEMS。2D 开关更易于控制，公差更严格，但由于光损耗，不会放大。3D开关允许在两个轴上移动，从而缓解了可扩展性问题，但因此具有更严格的公差。由于光束发散（~3dB）、较慢的开关时间（ms）、高致动电压/电流要求以及非闭锁配置的更高功率耗散（~80mW），MEMS开关往往会受到较高IL的影响。2D MEMS开关的示例如图2所示。

图2.2D MEMS开关示例。

声光（AO）开关使用在晶体或平面波导内传播的超声波，将光从一条路径偏转到另一条路径，11-13如图 3 所示。机械振动会在材料中引入规则的压缩和拉伸区域。在大多数材料中，这种压缩和张力会导致折射率的变化。折射率变化的周期性图案随后形成衍射光栅，导致入射光被衍射。控制超声波的振幅和频率可以控制衍射光的数量和波长。AO开关可处理高功率电平，提供合理的IL（~3dB）和开关时间（~40μs），但隔离度（~-20dB）和功率效率差，以及固有的波长依赖性。

图3.通过超声波产生衍射光栅。

电光（EO）开关利用施加电压时材料物理特性的变化。这些开关已使用液晶、可切换波导布拉格光栅、半导体光放大器 （SOA） 和 LiNbO 实现3.14-18 图 4 显示了使用 LiNbO 的 EO 开关3影响材料折射率随场强线性变化的变化。根据型号的不同，此 EO 开关的开关时间为 1ns - 1ms;隔离度为-10至-40dB;IL 范围从 < 1 到 10dB。然而，这些开关中的大多数都具有很强的波长依赖性;那些不需要更高驱动电压的。

基于半导体光放大器（SOA）的开关也受到动态范围有限的影响，可能会产生交叉调制和互调。

图4.EO开关采用LiNbO3晶体。

图5.数字TO波导开关。

热光 （TO） 开关基于波导热光效应或材料的热行为。19-22干涉TO开关加热其中一个干涉仪支腿中的材料，以产生相对于另一个支腿的相移。这个过程会导致两个光束在重新组合时产生干涉效应。数字TO开关利用硅片上两个二氧化硅波导的相互作用，如图5所示。加热材料会改变波导的折射率，产生相位差，从而改变输出端口的选择性。数字TO开关虽然具有出色的PDL，但由于加热过程（~70mW）而消耗更多的功率，并且开关时间（ms）较慢。

磁光（MO）开关基于偏振光在外加磁场方向穿过磁光材料时的法拉第旋转。23改变电磁波的极化是控制其组成正交分量的相对相位的间接方法。实现这一目标的一种方法是利用磁光材料中的法拉第效应，即通过法拉第旋转角θ旋转偏振状态F.磁光开关使用干涉仪将这种相位调制转换为幅度调制;这些开关具有具有高功率处理能力的明显优势。虽然之前已经完成了一些工作来研究这些类型的开关24，缺乏足够高质量的MO材料阻碍了这项工作。铋取代铁柘榴石和正铁素体的研究进展25-31产生了具有高MO品质因数的材料，为较少的应用领域提供了低IL，超宽带宽和更多的旋转。

新的实施和结果

作者之前提出了一种马赫-曾德尔干涉仪（MZI），这是一种基于光纤的MO开关，使用铋取代的铁石榴石（BIG）作为法拉第旋转器（FR）。32虽然显示出有前途的性能和与当代光网络组件的兼容性，但由于干涉仪路径中不可避免的不匹配，新的开关设计遭受了消光比的降低。

为了解决基于光纤的MZI交换机的缺点，最近提出了一个集成版本，并且正在积极开发中。33作为研究的一个平行分支，提出了一种Sagnac干涉仪配置，34-37在光纤环路中放置一个 BIG FR，如图 6 所示。线性极化输入波（E1+） 由混合耦合器分成两个振幅相等且异相 90° 的反向传播波 （E3-， E4-).这些波被发射到Sagnac环路中，随后遇到FR。然后FR通过法拉第旋转角θ旋转它们的偏振F这与施加到FR的磁场强度成正比，然后返回耦合器（E3+， E4+).由于法拉第旋转的非互易性质，两个反向传播波经历相等和相反的旋转（即θF和 -θF).这个动作体现在（方程1）和（方程2）使用琼斯演算，其中Ex和 Ey分别是入射波的 x 和 y 分量;T是透射系数;φ是由于Sagnac环路的长度而经历的相变。

图6.Sagnac 交换机的实施概述。

假设端口 2 没有输入波，干涉仪端口的输出可以表示为 （方程 3）。未应用字段时 （θF= 0°），输入波以 90° 相移返回端口 1。应用足够大小的场 （θF= 90°） 将输入波重定向到端口 2。

 

（公式1）

（公式2）

（公式3）

 

假设端口 2 没有输入波，干涉仪端口的输出可以表示为 （方程 3）。未应用字段时 （θF= 0°），输入波以 90° 相移返回端口 1。应用足够大小的场 （θF= 90°） 将输入波重定向到端口 2。

如图7所示，在场强为3.58kA/m时，开关时间为700ns。这明显优于MZI开关（2μs，12.7kA/m）。但是，它仍然可以改进，因为原则上，可实现的开关速度取决于域壁的速度，该速度已被测量为10km / s。38

图7.Sagnac 交换机的实施概述。

提高开关性能的可能方法将采用不同的线圈几何形状和驱动器配置。作者最近对这两个概念进行了探索，并显示出非常有希望的结果，34-36上升时间降低到77ns，下降时间减少到129ns。

结束语

报告了现代光通信系统的趋势和问题。执行基本功能（路由、交换和多路复用）的透明网络组件是实现更可靠、可扩展和连接更丰富的光网络的关键。还介绍和讨论了用于全光光路应用的小规模、高速开关的一些最新发展。显示了爱荷华州立大学新实施的交换机的实验结果。

审核编辑：郭婷