未来大容量数据网络的关键设备—光交换机

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光交换的传统应用
    通信网络中的光交换机的一个基本功能就是在光纤断裂或转发器发生故障时能自动进行恢复。现代的大多数光纤网络都有两条以上的光纤路由连到关键的节点。通过光交换机，光信号能方便地避开出故障的光纤或转发器，重新选择到达目的地的有效路由。但是信号以何种速率重新选择路由对避免信息丢失是十分重要的，在高速电信系统中交换速率尤其重要。
    光交换机的另一个传统应用是网络监控。在远端光纤测试点上，可使用一个1×N交换机将多条光纤连接到一个光时域反射计（OTDR），对光纤链路进行监控。使用交换机和OTDR可准确定位每一条光纤链路上的故障。在实际的传送网络中，交换机还允许用户取出信号或插入一个网络分析仪来进行实时监控而不会干扰网络数据传输。
    光交换机通常也可用于光纤器件的现场测试。举例来说，一个多通道交换机是在线测试光纤器件的有力工具。通过监视每一个对应一特定测试参数的交换机通道，可以不间断地测试多个部件。
    最近，光交换机还开始被应用于光纤传感器网络中。

    以数据为中心的通信的显著增长和密集波分复用（DWDM）技术的迅速发展需要有更可靠和灵活的网络管理手段。举例来说，在城域网和接入网就要求DWDM网络拓扑具备分插和交换功能。随着通信网络逐渐向全光平台发展，网络的优化、路由、保护和自愈功能在光领域中就变得越来越重要了。

    光交换机能够保证网络的可靠性和提供灵活的信号路由平台。尽管现有的通信系统都采用电路交换，但未来的全光网络却需要由纯光交换机来完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。

光电和光机械交换机
    尽管当前有许多种商用光交换机，但它们的光电和光机械模型都彼此十分相似。光电交换机内包含带有光电晶体材料（诸如锂铌）的波导。交换机通常在输入输出端各有两个波导，波导之间有两条波导通路，这就构成了Mach-Zehnder干涉结构。这种结构可以实现1×2和2×2的交换配置。两条通路之间的相位差由施加在通路上的电压来控制。当通路上的驱动电压改变两通路之间的相位差时，利用干涉效应就可将信号送到目的输出端。
    最近，采用钡钛材料的波导交换机已经开发成功，这种交换机使用了一种分子束取相附生的技术。与锂铌交换机相比，这种新的交换机使用了非常少的驱动电能。
    光电交换机的主要优点就是交换速度较快，可达到纳秒级。然而，这类交换机的介入损耗、依极化损耗和串音都比较严重，它们对电漂移较敏感，通常需要较高的工作电压。这样，较高的生产成本就限制了光电交换机在商业上的广泛应用。
光机械交换机依赖于成熟的光技术，是目前最常见的交换机。它的操作原理十分简单，在交换机中，通过移动光纤终端或棱镜来将光线引导或反射到输出光纤，这样就实现了输入光信号的机械交换。光机械交换机只能实现毫秒级的交换速度，但由于它的成本较低，设计简单和光性能较好而得到了广泛的应用。
    下表给出了光机械交换机的典型技术规范。这种设备在开关交换机中通常表现较低的介入损耗，较低的串话和较好的消光率。光机械交换机由于配置上较简单，所以对环境参数（如温度和湿度）的要求不是十分严格。它们的功耗和控制电压较低，并通常与TTL兼容。
    光机械交换机最适宜应用于1×2和2×2的配置中。可以很方便地构建小规模的矩阵无阻塞M×N光交换机，通过使用多级的配置也可以实现大规模（例如64×64）的局部阻塞交换机。但由于复杂度和移动相关机械部件的数量的影响而很难实现大规模完全无阻塞的矩阵交换机。

新的光交换机技术
    现在有了基于热学、液晶、声学和微机电（MEM: Micro-Electro-Mechanical）技术的光交换机。
热光交换机采用了可调节热量的聚合体波导。交换由分布于聚合体堆中的薄膜加热元素控制。当电流通过加热器时，它改变了波导分支区域内的热量分布，从而改变了折射率，这样就可将光耦合从主波导引导至目的分支波导。这种光交换机的体积非常小，能实现微秒级的交换速度。它的缺点在于介入损耗较高，串音较严重，消光率较低，耗电量较大，并且要求有良好的散热器。
    液晶光交换机内包含有液晶片，极化光束分离器（PBS）或光束调相器。液晶片的作用是旋转入射光的极化角。当电极上没有电压时，经过液晶片的光线的极化角为90°，当有电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持它的极化状态不变。PBS或光束调相器起路由器的作用，将信号引导到目的端口。对极化敏感或不敏感的矩阵交换机都能利用这种技术。
    当使用向列的液晶时，交换机的交换速度大约为100毫秒，当使用铁电的液晶时，交换速度为10微秒。使用液晶技术可以构造多通路交换机，但它的缺点是损耗较大，热漂移量较大，串音较严重，驱动电路也比较昂贵。
    第三种光交换机是基于声光技术的。在这种交换机中，通过在光介质（例如TeO2晶体）中加入横向声波，可以将光线从一根光纤准确地引导到另一根光纤。
    声光交换机可以实现微秒级的交换速度。利用这种技术可以方便地构建端口数较少的交换机。但是它并不适于矩阵交换机，这是因为需要复杂的系统通过改变频率来控制交换机。此外，这种交换机的衰耗随波长变化较大，驱动电路也比较昂贵。
    另一种令人感兴趣的交换机采用了MEM技术，能在空闲的空间内调节光束。目前已经开发出了多种MEM交换机，它们采用了不同类型的特殊微光器件，这些器件由小型化的机械系统激活。
    MEM交换机的优点在于体积小，集成度高，并可像集成电路那样大规模生产。但要想使MEM成为一种可行的有利可图的替代技术还需要在生产过程上作进一步的努力。

光子网络中的光交换机
    除了传统的应用外，光交换机还将在新兴的多通路、可重新配置的光子网络中发挥越来越重要的作用。要想使全光网成为现实就需要实现诸如DWDM，光分插复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）这样的技术。
    到目前为止，DWDM已经成为在长距离和城域网通信应用中主要使用的全光网技术。在一个用户不断增长的网络环境中引入OADM和OXC网元将有助于灵活地使用和分配波长。这些新的网元可以帮助运营商在光子层重新配置网络流量已获得最佳的数据传输，并能在链路发生故障时迅速恢复。全光网最终会丢弃缓慢而昂贵的光电转换器，从而使未来的网络以更迅速更经济的方式运行。
    OADM和OXC都需要更大的光交换容量。图1表示这些网元如何应用于未来的全光网络中。
通过使用光交换机，OADM可以在网络的某个节点从WDM信号中选出并卸下一个波长，然后再在原波长上加入一个新的信号继续向下一个节点传输。这种功能极大地加强了全光网络中的负载管理能力。
    在一个简单的OADM设计中，2×2光交换机和DWDM复用/解复用过滤器可以装进一个模块以实现波长的选择性分插功能。图2给出了一个OADM的模块化设计。在这种OADM中加入可变衰减器、光子探测器等部件，还能发展出一些新的光功能。
    在DWDM网络中，OXC能在M×N的光纤输入输出之间提供动态的交换连接（图3）。这样，光交叉连接交换机就能在矩阵配置中提供无阻塞的一到多连接。OXC能提高网络的生存能力，降低网管成本，在光子层重新配置信号路由，这样就不再需要复杂而昂贵的数字交换机了。OXC操作于光域，这样就可凭借其波长、比特率和协议透明性等特点容纳未来的T比特数据流。

光交换机的未来
    除了上面讨论的多种多样的光交换机外，由于在OADM和OXC应用中提出了更高的速率、性能和可靠性要求，新的和改进的交换机技术还在不断涌现。基于光纤的非线性特征的全光交换设备就是新出现的技术。使用非线性定向耦合器作为光交换机就是其中一例。耦合器由靠得很近的两根纤芯组成。当两根纤芯的相位失配时，纤芯会分开，从而产生了开关效应。由于交换是在光纤内完成的，这种交换机具有较高的交换速度，较低的损耗，并在矩阵配置中可实现多级级联，因此很有希望在未来的光网络中采用。
    由于光网络容量持续扩展，而电交换机不适应超过吉比特速率的要求，开发高速高性能的交换机就成为必然的趋势。当出现更有效的信号管理方式时，全光网络最终会变成事实。在未来的大容量光网络中，光交换机必将起到关键的作用。