超高速：光交换/光路由铸就全光网络

来源：作者：出处：巧巧读书 2006-09-30 进入讨论组

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。

光交换/光路由的发展现状

90年代以来，世界各大电信厂商竞相研究和试制用于光传送网络节点的OXC，其中部分设备已经过现场实验，并取得很大成功。OXC作为全光网络中的交换节点，研制开发OXC设备已成为通信领域的热点之一，美国、日本以及欧洲的少数著名公司已经完成了OXC传输设备的一些现场实验，在系统与网络间的兼容性、OXC设备的级联特性、系统的保护倒换能力、网络管理等方面取得了不少成功的经验。法国阿尔卡特研究中心在1000公里的无色散位移光纤上用WDM传送方式对无代价的OXC级联进行了实验，速率为2.5Gbps，实验中采用3个4×4的8信道OXC设备；去年，美国世界通信公司建成了第一条OXC运行网络，该网络是美国3家公司联合进行的现场试验，此OXC网络为多模系统，可接收72个收/发往返信号，提供100ms的交换，插入损耗小于2.5dB.下表为国外电信公司和设备厂商近年来进行的一些实验结果。

MONET：Multiwave length Optical Networking，多波长光网络；

METON：Metropolitan Optical Network，城域光网络；

WOTAN：Wavelength－agile Optical Transport and Access Network，波长可调光传输和接入网；

OPN： Optical Path Network，光通路网；

OPEN：Optical Pan European Network，泛欧洲光网络；

PHOTON：Pan European Photonic Transport Overlay Network，泛欧洲光传输层网；

FN： Frontier Network，国境网；

构成OXC结构的方式很多，但其中的关键在于开发先进的光器件，其中包括光交换器件和光波长转换器件。可实现光交换的器件有很多种，在光开关方面有机械光开关、聚合物光开关和半导体光开关等；在光波长转换方面有用AWG无源器件、波长可选择激光器的光－电－光转换器件以及利用四波混频效应的半导体激光放大器（SOA）实现光－光转换的全光波长转换器件等。

OXC最典型的结构有：基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器的OXC结构；基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构；基于分送、耦合开关的OXC结构以及基于AWG复用器的多级波长交换的OXC结构和完全基于波长交换的OXC结构等。贝尔实验室开发出的基于微电子机械系统（MEMS）的OXC实质上是一个两维易镜片阵，当需要将入射波长进行转换时，可以通过改变镜片的角度，将光波反射到相应的光纤中，这种OXC可以很容易地组成大型光交叉矩阵，同时具有极佳的光学特性。如果组成一个256×256的OXC，其体积只有25×50×50（nm3），光路转换时间小于5ms，串扰小于－50dB，当用于WDM系统中时，插入损耗为6dB.该OXC是利用微电子机械系统技术制作的。微电子机械系统技术可以在极小的晶片上排列大规模机械矩阵，其响应速率和可靠性大大提高。从目前的情况来看，它极有可能成为今后OXC的发展方向。

功能强大的网络管理系统也是光传送网络的重要组成部分，实用化的OADM和OXC设备需要具有能够控制波长组合以及处理故障的管理单元，以便在组网时实现光传送网的可靠性和灵活性。国际电信联盟ITU－T已给出光传送网的分层管理结构的定义，光传送网的网元管理系统一般按光通道层（OCH）、光复用段层（OMS）、光传送层（OTS）三层设计，要求具备ECC通信信道和对设备具有配置管理、故障管理、安全管理和对设备性能进行监测的功能。

目前OXC技术存在的主要问题有三点：

    一是系统的完全透明性无法保证，这主要受制于全光波长转换技术尚未完全成熟；
    二是由于受光器件的制约，特别是大规模的光交叉矩阵开关的制约，系统的规模和灵活性不够理想。理论上讲，OXC、OADM也可以象DXC和SDH ADM一样，实现不同速率等级上的任意交叉和上下，最起码可实现类似于SDH中的AU－4高阶全交叉；
    三是在网络管理方面，按照ITU－T光传送网的分层结构，光传送网的网元管理系统一般按光通道层（OCH）、光复用段层（OMS）、光传送层（OTS）三层设计，具备ECC通信和四大管理功能，但具体细节还不够详细，很多内容有待进一步研究和规范。关于管理开销通道，已提出了多种方案来实现光传送网管理信息的传递，比较流行的作法有三种：一是带外方式（共路方式），即采用光监控信道（OSC）；二是带内方式（随路方式》，如Pilot Tone；三是带内、带外结合，在不同层采用不同的方式，如在OCH层采用带内方式，而在OMS层和OTS层采用带外方式。目前，ITU－T正在研究数字包封技术（Digital wrapper），并有可能形成标准，应引起重视。

今后的高速宽带网络一定是全光网络加IP业务网的格局。国内外的电信设备供应商TEP和IP设备供应商IEP都在加紧研制开发系列化的光交换／光路由产品。Monterey Networks公司的Monterey 20000 波长路由器可从初始的256x256波长端口扩展到160太比以上无阻塞波长端口，光波长承载2.5Gbps和10Gbps信号。Monterey 20000 波长路由器由一个中心交换子系统和多个分配输入／输出子系统组成。Cisco公司的ONS 15900波长路由器基本结构和Monterey 20000的结构相类似。中心交换子系统支持640Gbps的交换速率。每个NEBS机架中支持256个2.5G或64个10G速率的波长。上述产品都运用了波长路由协议（WaRP），端到端的恢复时间均为50毫秒。两种设备均支持1300nm和1550nm双窗口。国内一些学校和公司也正在从事OXC和OADM的研发工作。如清华大学、北京邮电大学、上海交通大学和烽火通信科技股份有限公司。烽火通信科技股份有限公司开发的OADM和OXC产品将用于中国高速示范网CAINONET.

光交换/光路由的典型应用

光交换／光路由由于能保持信号的光域特性，突破了电子网络的速率瓶颈。可以快速为客户提供端到端的高速宽带路由及虚拟光纤网络。可以为网络提供商节约25％的费用，和电子交换系统相比，可以提高速率十几倍。

WDM作为一种非常有效的扩容手段，随着技术的成熟已越来越显示出强大的生命力，市场需求急剧增加，但目前商用的WDM系统最大的缺点是缺乏足够的灵活性和可靠性，不能对业务进行有效的保护。由此，光联网技术应运而生，这种以WDM为基础，由OXC、OADM构成的光传送网，可以在光域上实现高速信息的传输、交换和故障恢复，具有结构简单、可靠性高、透明性好等突出优点。特别是能够提供自愈环保护、具有软件配置波长上下能力和一定的波长交叉能力、网管较完善的OADM设备，目前就可在现有网络中应用。以我国目前已建和在建的WDM/SDH工程为例，若要对业务进行保护， WDM必须组成环网结构，在每个节点采用二套WDM端机构成背靠背方式，使业务的保护在SDH层完成。如果用具有自愈功能、配置灵活的OADM设备组网，将会很容易做到。

此外，光交换／光路由还可以用于IP网络、光层的恢复、传送网关、带宽管理、网络恢复和光通道管理。

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