新型大容量光交換的關鍵技術和應用

為了實現(xiàn)更大容量的光交換，需要突破矩陣光開關的規(guī)?；捌款i”。微機電光開關（MEMS）、循環(huán)陣列波導光柵（CAWG）、波長選擇開關（WSS）等具有多端口規(guī)?；卣鳎軌驅崿F(xiàn)良好的模塊化擴展，具有使交換容量倍增的潛力。MEMS、CAWG、WSS在大型數(shù)據(jù)中心、大容量光交叉連接、靈活柵格光分插復用等系統(tǒng)的應用中具有獨特優(yōu)勢和良好前景。

光交換；微機電光開關；循環(huán)陣列波導光柵；波長選擇開關

To achieve high-capacity optical switching， the optical switch matrix needs to be investigated. The micro-electromechanical system （MEMS） switch， cyclic array waveguide grating （CAWG）， and wavelength selective switch （WSS） have the advantages of multiport dimensions and expansibility to a larger modular scale. They have potential applications in data center network， optical cross-connect， and flexible gridless optical add-drop multiplexer.

optical switching； micro-electromechanical system switch； cyclic array waveguide grating； wavelength selective switch

大容量光交換的需求來自于網(wǎng)絡流量的迅猛增長，尤其是互聯(lián)網(wǎng)流量的指數(shù)式增長。自從1993年提出“信息高速公路”以來，引發(fā)了全球建設“信息高速公路”的浪潮，發(fā)展到今天，數(shù)據(jù)業(yè)務已經(jīng)完全取代話音業(yè)務，成為網(wǎng)絡的主導業(yè)務，網(wǎng)絡視頻、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等進一步加速了這一進程，至此，互聯(lián)網(wǎng)流量以40%復合年均增長率增長。

隨著2012年又提出了“大數(shù)據(jù)時代”的來臨，數(shù)據(jù)的價值更加豐富，數(shù)據(jù)的種類更加多樣，進一步加劇了數(shù)據(jù)流量的“爆漲”[1]。

網(wǎng)絡節(jié)點的處理能力一直是“信息高速公路”的“瓶頸”，此問題已愈加突出，迫切需要研究和發(fā)展新型大容量的節(jié)點處理技術。學術界主要從兩個方面進行了探索。其一，以分組交換為核心的集群式大容量路由器技術，不斷地提高路由器的吞吐量，十余年來從吉比特每秒發(fā)展到太比特每秒量級，即將邁入帕比特每秒量級[2-3]。其二，以電路交換為核心的大容量電交叉和光交叉系統(tǒng)，亦從吉比特每秒量級發(fā)展到太比特每秒量級量級，但從公布的數(shù)據(jù)來看，其最大容量仍落后于路由器。本文將對此兩方面做簡單回顧，然后，重點探討后者的關鍵技術、大容量擴展方法與典型應用示例。

1 交換容量增長之路

為了應對互聯(lián)網(wǎng)流量的指數(shù)式增長，業(yè)界一直沒有停止追求大容量節(jié)點交換的努力，細分為3條技術路徑：路由器（IP）、光傳送網(wǎng)（OTN）、光交叉連接（OXC），形成了你追我趕之勢，如同“龜免賽跑”，強有力地推動了“信息高速公路”的發(fā)展進程，時至今日，仍未停歇。

（1）路由器

路由器是一種基于IP分組的存儲轉發(fā)技術，是互聯(lián)網(wǎng)的基石，自20世紀90年代中后期發(fā)展以來，可謂進步神速。

2004年，思科公司推出了電信級路由系統(tǒng)（CRS-1），因其創(chuàng)紀錄的超大吞吐量而被收入《吉尼斯世界記錄大全》。它基于集群方式，采用三級自路由Benes架構，最多可以支持

1 152個40 Gb/s的線卡插槽，是當時業(yè)界唯一可以擴展到92 Tb/s的電信級路由系統(tǒng)。時隔6年之后，2010年，思科又宣布推出CRS-1的升級產(chǎn)品——新型運營商級路由系統(tǒng)（CRS-3），流量處理能力是其前身CRS-1的3倍多，最高可達322 Tb/s。

此時，中國的路由器研發(fā)生產(chǎn)能力也有了重大突破。2009年，中國設備供應商宣布推出采用自主芯片的超大容量集群路由器ZXR10 T8000，可提供1 024個100G接口，最高交換容量可達200 Tb/s。2012年，中國設備供應商推出的高性能核心交換機具備無阻塞三級CLOS交換架構，業(yè)務板卡與交換網(wǎng)板正交設計，實現(xiàn)多級多平面交換，單槽位支持2T帶寬（可平滑演進至4T），整機容量提升至64 Tb/s交換容量。

（2）光傳送網(wǎng)

光傳送網(wǎng)對各種高速傳輸?shù)臅r分復用信號進行封裝、交叉、分插、疏導和傳輸，是“信息高速公路”的基礎性承載平臺[4]。

2007年，中國設備供應商宣布推出OTN產(chǎn)品，高端系統(tǒng)集成了可重構光分插復用（ROADM）、太比特統(tǒng)一交換、自動交換光網(wǎng)絡/通用多協(xié)議標記交換（ASON/GMPLS）智能控制、100 Mb/s～100 Gb/s全顆粒調度、10～400 Gb/s高速傳送等功能，單子架12.8 Tb/s交叉的超大容量調度，未來可擴展至20 Tb/s+交叉。但是，總體上OTN容量都不及路由器的容量322 Tb/s，相差一個量級。

（3）光交叉連接

光交叉連接直接在光層提供波長顆粒的透明交換，其發(fā)展歷程可謂起伏曲折，在發(fā)明了三維微機電光開關（MEMS）之時發(fā)展到頂峰，最后演變成今天的多維度ROADM。

早在1999年11月，原朗訊公司以貝爾實驗室技術——微機械光開關（MEMS）為基礎，推出了256×256全光交叉連接——WaveStar Lambda Router，是當時世界上第一個可商用化的全光交叉連接系統(tǒng)，作為當時光通信會展的一顆明星而轟動一時[5]。

更轟動的事情是，2000年，原北電網(wǎng)絡公司收購了美國Xros公司，利用兩個相對放置的各有1 152個微鏡的陣列，推出了1 152×1 152的大型三維MEMS矩陣，以此為基礎，推出了OPTera Connect PX系統(tǒng)，以世界第一可商用系統(tǒng)展示了對光信號的全光交叉控制[6]。

回顧當初，WaveStar和OPTera Connect PX在試用階段都頗受好評，但是，由于市場變化太快，隨著互聯(lián)網(wǎng)泡沫的破裂，整個通信行業(yè)都步入了低谷，設備廠商不得不停止了大規(guī)模OXC生產(chǎn)，把力量集中在電交叉核心的大容量交叉設備（如OTN）。直到2008年起，光通信市場明顯復蘇，產(chǎn)生了一種新型的小型化多功能光開關器件——波長選擇開關（WSS），由此所構建的多維度ROADM完全取代了OXC。目前，單個WSS可支持96波長、23個交換端口，相當于2 208×2 208規(guī)模OXC[7]。

以上分析表明，由于技術進步和市場驅使，第一條路徑（路由器）明顯順暢和快捷，處理容量上居于領先地位。光通信領域的二條路徑——OTN和ROADM，都處于相對落后位置，發(fā)展之路波動曲折，迫切需要奮力追趕。

需要說明的是，現(xiàn)在OTN和ROADM合并為一條路徑——廣義OTN，它能夠更好地將多粒度的靈活性和大容量的規(guī)模化兩者相結合，在曲折之路上找到正確的發(fā)展方向，剩下的就是努力進步了。

2 大容量光交換的基石

可用于光交換的器件多種多樣，工藝上有機械型、微機械型、波導型等，原理上有空間光學型、衍射光學型、導波光學型，物理效應上有電光型、磁光型、熱光型、成像型等[8]。因此，與電交換技術相比，光交換展示出技術的多樣性，帶來了學術研究的繁榮，但也增添了市場定型的困境。既然節(jié)點容量是網(wǎng)絡“瓶頸”，多端口的光交換器件——矩陣光開關就是大容量光交換之基石。在此，本文選取3種代表性多端口光交換器件予以介紹。

2.1 微機電光開關

MEMS是矩陣光開關的一座高峰。如前所述，1999和2000年，人們將硅基微電機系統(tǒng)工藝技術用于矩陣光開關，它由一系列可轉動的微反射鏡組成，通過靜電力或其他控制力使微反射鏡發(fā)生機械轉動，改變每一路輸入光束的傳播方向，從面實現(xiàn)矩陣光開關功能。

二維MEMS微反射鏡呈平面方陣排列，因高斯光束光程的限制，微反射鏡的平面方陣數(shù)量受到限制，端口數(shù)也受到限制（如32×32），擴展性也受到限制（反射鏡是端口數(shù)的平方）。

于是，人們轉而發(fā)明了三維光路。三維MEMS光開關包含兩個由二維微反射鏡組成的方陣，每個微反射鏡都具有兩個自由度，能沿著兩個維度的軸多角度地精確旋轉，微反射鏡和光纖不需要束縛在一個平面位置內(nèi)，因此只需要在N個輸入光纖和N個輸出光纖之間使用2N個微反射鏡，就能實現(xiàn)N×N矩陣化光開關功能[9]。在保證低的插入損耗（縮短了光程）的前提下，可以達到幾千個端口，目前已知所報道的端口數(shù)量達到1 152×1 152甚至更高。

2.2 循環(huán)陣列波導光柵

與空分光開關（如MEMS）不同，循環(huán)陣列波導光柵（CAWG）是基于波長的交換器件。1988年荷蘭Delf 大學M. K. Smit教授將相位波導光柵（AWG）用于波分復用和解復用。1991年貝爾實驗室C. Dragone將AWG的概念從1×N推廣到N×N，稱之為AWGR路由器或循環(huán)陣列波導光柵（CAWG），目前有32×32 CAWG商用產(chǎn)品，以自由譜寬度為周期，每端口可以支持32個波長（或32倍數(shù)），端口數(shù)可進一步增加（如80×80）[10]。

但是，CAWG基于角色散原理，需要與可調諧波長變換器（TWC）配合，才能實現(xiàn)基于頻域的空分光交換功能。CAWG是無源光器件，不消耗能量，其交換態(tài)是由波長變換器所決定的。

2.3 波長選擇開關

與單純的空分光開關（如MEMS）或頻域光開關（如CAWG）不同，波長選擇開關（WSS）能夠同時支持基于空間端口的任意波長的動態(tài)配置，即具有波長選擇的空間交換能力。可以說，WSS的發(fā)明是光交換技術的一次偉大創(chuàng)舉，為光聯(lián)網(wǎng)帶來了更多的靈活性。

WSS的實現(xiàn)技術主要有3種。2005年，CoAdna公司在美國光纖通信會議上推出基于液晶（LC）的WSS；2008年，F(xiàn)inisar公司推出基于硅基液晶（LCOS）的WSS，支持可編程的通道組合；2010年，JDSU公司推出基于MEMS的小型化波長選擇開關。此3公司分別采用不同的技術方案推出波長選擇開關，成為波長選擇開關的3個代表性技術[7， 11]。

（1）基于MEMS技術的WSS

WSS的工作原理與光學成像原理相當。結構上由兩個成像子系統(tǒng)組成：其一，位置和角度之間的轉換子系統(tǒng)，它將輸入和輸出的光束位置陣列轉換為成像于共聚點的傾斜角光束。其二，空間色散分波子系統(tǒng)，它通過分光器件（如衍射光柵）實現(xiàn)波長的分離。

基于MEMS技術的WSS是建立在MEMS光開關的基礎之上的，分開后的各種波長的光束經(jīng)透鏡聚焦后入射到透鏡焦平面上的MEMS微反射鏡上，每一個微反射鏡對應一個波長，轉動微反射鏡即可控制N束信號和M個波長之間的任意交換。

（2）基于液晶技術的WSS

液晶具有雙折射特性，與外加電場成正比，光軸隨外加電場改變。來自于輸入光纖的光束，其偏振態(tài)為混合偏振態(tài)，經(jīng)過起偏器分離成兩束相互垂直的線偏振光，讓其中一束線偏振光通過半波片，使其偏振態(tài)旋轉π/2，與另一束線偏振光的偏振態(tài)相同，再經(jīng)過準直后入射到反射式光柵上。分波后的多光束通過聚焦透鏡和反射鏡聚焦到液晶上，液晶盒與每一波長的光斑位置一一對應，利用液晶控制其偏振態(tài)是否改變π/2，再配合偏振分束棱鏡（如渥拉斯頓棱鏡），使這兩種情況下的偏振光線在傳播方向上有一定的位移或者角度，從而實現(xiàn)兩個出射通道的選擇，即實現(xiàn)1×2 WSS。增加液晶盒和棱鏡的組合（N組堆疊），可以實現(xiàn)1×2N多端口WSS。

（3）基于硅基液晶技術的WSS

雖然都用到了液晶技術，但LCOS的原理與上述LC完全不同。LCOS是LC和半導體相結合的顯示技術，它在硅片上制作許多極度密集的液晶單元（不同于分立的液晶盒），從每個液晶單元反射的光，其相位可通過所施加的電壓進行控制（原理上相當于相位陣列波束調向），從而控制反射光的反射方向，使反射光輸出到指定的通道，一次性實現(xiàn)1×N多端口WSS。

由于不同波長的光束在LCOS芯片上的不同區(qū)域發(fā)生反射并被單獨控制，因此，可以將任意波長和任意光譜組合切換到任意輸出端口中，它具有通道均衡功能和可變帶寬的光譜選擇能力。

3 大容量擴展方法

矩陣光開關的端口數(shù)雖然很大，但仍然是有限的，不能滿足節(jié)點處理容量增長的要求，可以將若干矩陣光開關進行組合，即進行擴展，等效地實現(xiàn)更大容量的光交換結構。

交換結構的擴展必然要遵循一定的規(guī)則和約束條件，其中，最根本的約束條件是無阻塞性，最根本的規(guī)則是多級網(wǎng)絡互連理論，如典型的三級Clos網(wǎng)絡和多級Benes網(wǎng)絡等。需要注意的是光交換與電交換的差異所在。

首先，光開關的種類更多，如空分和頻分等；其次，光開關的損耗不均勻性；第三，光開關是相對透明的；第四，光開關的切換時間有快有慢，常有拖尾或抖動現(xiàn)象存在；最后，光組播的處理方式是無源的，但有附加損耗等。上述差異也帶來了擴展方法的一些變化。

3.1 MEMS光開關的擴展

MEMS光開關是典型的矩陣光開關，其單播擴展方法與電交換結構的多級網(wǎng)絡擴展方法（如3級Clos）完全相同，無阻塞條件也完全相同。

然而，組播擴展上出現(xiàn)了差異。由于組播需要用到分光器件，而分光的扇出比常難以靈活控制，分光也會帶來額外耗損。如果將交換結構抽象成數(shù)學上的排列，顯然，單播只是組播的一個子集，組播的擴展更加復雜。3級網(wǎng)絡的組播擴展成本高，4級網(wǎng)絡的組播擴展成本降低，其中，第2級和第4級具有組播能力（組播光開關），而第1級和第3級不需要支持組播（如MEMS），簡稱為“4（2m）”級組播網(wǎng)絡，如圖1所示。

可以證明廣義無阻塞和可重構無阻塞“4（2m）”級組播網(wǎng)絡的復雜度都是O（N 3/2），比2級組播的3級Clos網(wǎng)絡低，后者為O（N 2）。因此“4（2m）”級網(wǎng)絡通常具有更好的可擴展性[12]。

3.2 CAWG擴展方法

CAWG交換結構的擴展也是從Clos交換網(wǎng)絡理論出發(fā)，建立CAWG交換結構和傳統(tǒng)Clos網(wǎng)絡之間的等價關系，在引入波長變換器的情況下，3級的CAWG交換結構如圖2所示[13]。但是，CAWG的端口受限于平面波導回路，有必要進行模塊化的分解，實現(xiàn)CAWG交換網(wǎng)絡的模塊化構造[14]。

3.3 WSS擴展方法

WSS同時具有空分和波分的交換功能，其擴展方法可以直接采用級聯(lián)串接的方式，本文從略。

4 大容量光交換的應用

大容量光交換技術仍在發(fā)展之中，目前并無成熟大規(guī)模商用。令人欣喜的是，大容量光交換在一些應用場合中展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。

4.1 MEMS的應用

數(shù)據(jù)中心是云計算時代的代表性技術，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量越來越多、規(guī)模越來越大，服務器數(shù)量會達到上萬臺之巨，全球數(shù)據(jù)中心普遍面臨著高能耗的問題。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡普遍采用胖樹或類似的拓撲結構。研究表明，在交換機胖樹拓撲中，同時增加基于MEMS的動態(tài)光交換，將電的分組交換和光的電路交換混合使用，可顯著減少交換機的數(shù)量、布線、成本和電力的消耗。同時可以滿足交換機之間的高帶寬。

圖3是其中的一種結構。由于光交換具有傳輸時延小、傳輸信道獨占等優(yōu)點，在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡將具有重要的利用價值[15]。

4.2 CAWG的應用

2012年3月，OFC會議上演示了一種光子交叉連接系統(tǒng)原型機（PPXC），它結合了突發(fā)模式的快速調諧和8080 CAWG矩陣，該矩陣將兩側電交換機連接在一起，形成一個Clos矩陣，可以證明，這是一個多級、無阻塞交換矩陣，最大可擴展至帕比特每秒量級?；贑AWG與可調諧激光器快速光交換的大型結構如圖4所示[16]。2012年9月，光子交換（PS）會議上報道了一種分組和電路集成的光交換，它采用一個CAWG和若干快速可調諧激光器線卡，可以在分組交換和電路交換之間無縫演化?；贑AWG與可調諧光激器模塊的光分組與電路融合光交換結構如圖5所示[17]。

4.3 靈活波長柵格的應用

業(yè)界正在研究波分復用的靈活波長柵格，在ITU-T G.694.1中定義為12.5 GHz的整數(shù)倍，研究表明，與現(xiàn)有固定波長隔系統(tǒng)相比，靈活波長柵格系統(tǒng)的容量或總帶寬利用效率可以提高20%～50%左右。

為了應對從固定波長間隔到靈活波長柵格的發(fā)展，F(xiàn)inisar公司采用了硅基液晶LCOS技術，推出可實現(xiàn)通道中心頻率和通道帶寬動態(tài)控制的Flexgrid技術——WaveShaper，支持可編程的通道譜形，起始調節(jié)量為10 GHz，步進量為1 GHz，可以滿足運營商對于下一代網(wǎng)絡中帶寬靈活的ROADM的需求。

5 結束語

本文主要介紹了3種多端口光交換器件，分析了其工作原理、基本結構、擴展方法、典型應用等。同時，光交換仍面臨技術路線的選擇與需求上的挑戰(zhàn)，也許大容量光交換的問題需要同時利用光和電的技術，才能找到一條正確的發(fā)展之路。

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