光交换/光路由铸就全光网络

www.net130.com     日期:2006-9-11    浏览次数:
作者:李广成    出处:烽火通信科技股份有限公司副总裁

原创作者:烽火通信科技股份有限公司副总裁 李广成

随着社会的进步,可以极大丰富和改善人们通信效果和质量的宽带视频、多媒体业务、基于IP的实时/准实时业务等新兴数据业务的社会需求不断增长。由于新兴业务占用的带宽资源较多,高速宽带综合业务网络已成为本世纪通信网络的发展趋势。光纤具有巨大的带宽。在1.55μm波长附近200nm范围内,传输损耗较低。由公式f = c/λ,其中f为频率、λ为波长、c = 3×108m/s 为光速,可得知200nm的对应带宽约为25THz(1THz=1012Hz)。在1.3μm波长附近,也有约25THz可利用的带宽。这样,一根光纤可提供的理论传输带宽约为50THz。但是,目前串行电信号传输速率上限为40Gbps,即使用此速率在光纤上传输,也仅利用了光纤容量的千分之一。在众多的网络技术实现方案中,基于电子技术的网络方案由于受限于器件工作上限速率40G,难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理,网络中还会出现带宽“瓶颈”。只有基于光纤的全光网络方案能提供高速、大容量的传输及处理能力,打破信息传输的“瓶颈”,可以在很长的时间内适应高速宽带业务的带宽需求。全光网络(全光通信网络)是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在,而不需要经过光/电、电/光变换。也就是说,信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内,波长成为全光网络的最基本积木单元。由于全光网络中的信号传输全部在光域内进行,因此,全光网络具有对信号的透明性,它通过波长选择器件实现路由选择。全光网络以其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性,成为下一代高速(超高速)宽带网络的首选。

全光网络具有如下优点: 1) 提供巨大的带宽。2) 与无线或铜线比,处理速度高且误码率低。3) 采用光路交换的全光网络具有协议透明性,即对信号形式无限制。允许采用不同的速率和协议,有利于网络应用的灵活性。 4) 全光网中采用了较多无源光器件,省去了庞大的光/电/光转换工作量及设备,提高网络整体的交换速度,降低了成本并有利于提高可靠性。

在理想的全光网中,信号的交换、选路、传输和恢复等所有功能都以光的形式进行。目前的全光网络并非是整个网络的全部光学化,而是指光信息流在传输和交换过程中以光的形式存在,用电路方法实现控制部分。从当前光电子元器件的现状和发展趋势来看,力图实现整个网络的全光化是不现实也是不必要的。全光网络主要由核心网、城域网和接入网三层组成,三者的基本结构相类似,由DWDM系统、光放大器、OADM(光分插复用器)和OXC(光交叉连接设备)等设备组成。全光网络有星形网、总线网和树形网3种基本类型。全光网络的相关技术主要包括光交换/光路由(全光交换)、光交叉连接、全光中继和光分插复用等。

光交换/光路由属于全光网络中关键光节点技术,主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路,它所完成的最关键工作就是波长变换。由于实质上是对光的波长进行处理,所以更确切地说,光交换/光路由应该称之为波长交换/波长路由。全光网络的几大优点如带宽优势、透明传送、降低接口成本等都是通过该技术体现的。从功能上划分,光交换/光路由、OXC、OADM是顺序包容的。即OADM是OXC的特例,而OXC是光交换/光路由的特例。由于OXC和光交换/光路由还在发展之中,目前对光交换/光路由的命名比较混乱。有的公司把现有的OADM、OXC都称为光交换系列(Optical Switching),有的又称之为光路由器(Optical Router)。所以目前的光交换/光路由大多以OXC甚至OADM暂时充当。

通常OXC有3种实现方式:光纤交叉连接、波长交叉连接和波长变换交叉连接。其中,光纤交叉连接以一根光纤上所有波长的总容量为基础进行交叉连接, 容量大但不灵活;波长交叉连接可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用相同波长的任何光纤上。比如,波长λ1、λ2、λ3和λ4从输入端1号纤输入,波长交叉连接可以将这4个波长选路到输出端口的1、2、3和4号纤上去。现在也有人将这种波长交叉连接称为无源光路由器(Passive Router),它的波长可以通过空间分割实现重用。波长的选路路由由内部交叉矩阵决定,一个NXN的交叉矩阵可以同时建立N2条路由。它的其他几个别名是拉丁路由器(Latin routers)、波导光栅路由器WGRs( waveguide grating routers )和波长路由器WRs( wavelength routers);波长变换交叉连接可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用不同波长的任何光纤上,具有最高的灵活性。它和波长交叉连接的区别是可以进行波长转换。

光交换/光路由的技术原理

传统的光交换在交换过程中存在光变电、电变光,而且它们的交换容量都要受到电子器件工作速度的限制,使得整个光通信系统的带宽受到限制。直接光交换可省去光/电、电/光的交换过程,充分利用光通信的宽带特性。因此,光交换被认为是未来宽带通信网最具潜力的新一代交换技术。对光交换的探索始于70年代,80年代中期发展比较迅速。

和电交换技术类似,光交换技术按交换方式可分为电路交换和包交换。电路交换又含有空分(SD)、时分(TD)、波分/频分(WD/FD)等方式;包交换则有ATM光交换等方式。其原理、结构特点和研究进展状况如下。

1.空分光交换

空分光交换是由开关矩阵实现的,开关矩阵节点可由机械、电或光进行控制,按要求建立物理通道,使输入端任一信道与输出端任一信道相连,完成信息的交换。各种机械、电或光控制的相关器件均可构成空分光交换。构成光矩阵的开关有铌酸锂定向耦合器、微机电系统MEMS等。

2.时分光交换

时分光交换系统采用光器件或光电器件作为时隙交换器,通过光读写门对光存储器的受控有序读写操作完成交换动作。因为时分光交换系统能与光传输系统很好配合构成全光网,所以时分光交换技术研究开发进展很快,其交换速率几乎每年提高一倍,目前已研制出几种时分光交换系统。80年代中期成功地实现了256Mbps(4路64Mbps)彩色图像编码信号的光时分交换系统。它采用1×4铌酸锂定向耦合器矩阵开关作选通器,双稳态激光二极管作存储器(开关速度1Gbps),组成单级交换模块。90年代初又推出了512Mbps试验系统。实现光时分交换系统的关键是开发高速光逻辑器件,即光的读写器件和存储器件。

3.波分/频分光交换

波分交换即信号通过不同的波长,选择不同的网络通路来实现,由波长开关进行交换。波分光交换网络由波长复用器/去复用器、波长选择空间开关和波长互换器(波长开关)组成。

目前已研制成波分复用数在10左右的波分光交换实验系统。最近开发出一种太比级光波分交换系统,它采用的波分复用数为128,最大终端数达2048,复用级相当于1.2Tbps的交换吞吐量。

4.ATM光交换

ATM光交换遵循电领域ATM交换的基本原理,采用波分复用、电或光缓冲技术,由信元波长进行选路。依照信元的波长,信元被选路到输出端口的光缓冲存储器中,然后将选路到同一输出端口的信元存储于输入公用的光缓冲存储器内,完成交换的目的。

光交换/光路由的关键器件技术

光交换器件是光交换/光路由的基础。光交换器件根据其功能分为2类:相关无源器件和有源光逻辑器件。

相关无源器件在输入和输出之间建立某种映射关系,与输入信号无关,仅与控制信号有关系。常见的无源器件有各种耦合器、光调制器等。

有源光逻辑器件通过待处理信号本身的信息控制器件的状态,在输入端完成某种逻辑功能。光逻辑器件主要是电光效应器件,常见的有双稳态激光器、半导体激光器自光电效应器件SEED等。光交换中广泛应用的各种光开关、光存储器都是由上述两类器件制作的。

光开关是各种光通信系统实现高功能、高可靠性、提高维护和使用效率必不可少的光器件。光开关大致可分为采用LiNbO3、聚合物、半导体材料的光开关和具有可移动机理的机械光开关。目前研究的重点主要集中在采用GaAs和InP材料的半导体光开关和聚合物光开关及综合利用了微光子、微电子、半导体微细加工技术、微机械技术的微机电光开关。

今后光开关研究的方向是改善其性能,并将光开关集成以便增大光开关阵列的规模。光纤型微机电光开关损耗低,适于作保护恢复用。而半导体SOA光开关和聚合物光开关适于构成大型光开关阵列,很有发展前途。

光存储器可以实现光信号的存储,进行光域时隙交换。常用的光存储器有双稳态激光二极管光存储器和光纤延迟线。

双稳态激光二极管光存储器的原理是利用双稳态激光二极管对输入光信号的响应和保持特性存储光信号。

光纤延迟线光存储器的原理是利用光信号在光纤中的传输延时特性达到存储光信号的目的。由于它是无源器件,比双稳态存储器稳定。在时分、频分和ATM光交换系统中应用广泛。缺陷是由于长度固定导致灵活性差。

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