圖解全光網絡的核心技術：光交換技術

    現(xiàn)代通信網中，密集波分復用（DWDM）光傳送網絡充分利用光纖的巨大帶寬資源來滿足各種通信業(yè)務爆炸式增長的需要。然而，高質量的數據業(yè)務的傳輸與交換仍然采用如IP over ATM 、IP over SDH等多層網絡結構方案，不僅開銷巨大，而且必須在中轉節(jié)點經過光電轉換，無法充分利用底層DWDM帶寬資源和強大的波長路由能力。為了克服光網絡中的電子瓶頸，具有高度生存性的全光網絡成為寬帶通信網未來發(fā)展目標。而光交換技術作為全光網絡系統(tǒng)中的一個重要支撐技術，它的全光通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，可以這樣說光交換技術的發(fā)展在某種程度上也決定了全光通信的發(fā)展。

    一、光交換的定義與特點　　

    光交換技術是指不經過任何光／電轉換，在光域直接將輸入光信號交換到不同的輸出端。光交換系統(tǒng)主要由輸入接口、光交換矩陣、輸出接口和控制單元四部分組成，如圖1所示。

圖1

    由于目前光邏輯器件的功能還較簡單，不能完成控制部分復雜的邏輯處理功能，因此國際上現(xiàn)有的光交換控制單元還要由電信號來完成，即所謂的電控光交換。在控制單元的輸入端進行光電轉換，而在輸出端需完成電光轉換。隨著光器件技術的發(fā)展，光交換技術的最終發(fā)展趨勢將是光控光交換。

    隨著通信網絡逐漸向全光平臺發(fā)展，網絡的優(yōu)化、路由、保護和自愈功能在光通信領域中越來越重要。采用光交換技術可以克服電子交換的容量瓶頸問題，實現(xiàn)網絡的高速率和協(xié)議透明性，提高網絡的重構靈活性和生存性，大量節(jié)省建網和網絡升級成本。

    目前，光交換技術可分成光的電路交換（OCS）和光分組交換（OPS）兩種主要類型。光的電路交換類似于現(xiàn)存的電路交換技術，采用OXC、OADM等光器件設置光通路，中間節(jié)點不需要使用光緩存，目前對OCS的研究已經較為成熟。根據交換對象的不同OCS又可以分為：

    （1） 光時分交換技術，時分復用是通信網中普遍采用的一種復用方式，時分光交換就是在時間軸上將復用的光信號的時間位置t1轉換成另一個時間位置t2

    （2） 光波分交換技術，是指光信號在網絡節(jié)點中不經過光/電轉換，直接將所攜帶的信息從一個波長轉移到另一個波長上。

    （3） 光空分交換技術，即根據需要在兩個或多個點之間建立物理通道，這個通道可以是光波導也可以是自由空間的波束，信息交換通過改變傳輸路徑來完成

    （4） 光碼分交換技術，光碼分復用（OCDMA）是一種擴頻通信技術，不同戶的信號用互成正交的不同碼序列填充，接受時只要用與發(fā)送方相同的法序列進行相關接受，即可恢復原用戶信息。光碼分交換的原理就是將某個正交碼上的光信號交換到另一個正交碼上，實現(xiàn)不同碼子之間的交換。

    未來的光網絡要求支持多粒度的業(yè)務，其中小粒度的業(yè)務是運營商的主要業(yè)務，業(yè)務的多樣性使得用戶對帶寬有不同的需求，OCS在光子層面的最小交換單元是整條波長通道上數Gb/s的流量，很難按照用戶的需求靈活地進行帶寬的動態(tài)分配和資源的統(tǒng)計復用，所以光分組交換應運而生。光分組交換系統(tǒng)根據對控制包頭處理及交換粒度的不同，又可分為：

    （1） 光分組交換（OPS）技術，它以光分組作為最小的交換顆粒，數據包的格式為固定長度的光分組頭、凈荷和保護時間三部分。在交換系統(tǒng)的輸入接口完成光分組讀取和同步功能，同時用光纖分束器將一小部分光功率分出送入控制單元，用于完成如光分組頭識別、恢復和凈荷定位等功能。光交換矩陣為經過同步的光分組選擇路由，并解決輸出端口競爭。最后輸出接口通過輸出同步和再生模塊，降低光分組的相位抖動，同時完成光分組頭的重寫和光分組再生。

    （2） 光突發(fā)交換（OBS）技術，它的特點是數據分組和控制分組獨立傳送，在時間上和信道上都是分離的，它采用單向資源預留機制，以光突發(fā)作為最小的交換單元。OBS克服了OPS的缺點，對光開關和光緩存的要求降低，并能夠很好的支持突發(fā)性的分組業(yè)務，同時與OCS相比，它又大大提高了資源分配的靈活性和資源的利用率。被認為很有可能在未來互聯(lián)網中扮演關鍵角色

    （3） 光標記分組交換（OMPLS）技術，也稱為GMPLS或多協(xié)議波長交換（MPλS）.它是MPLS技術與光網絡技術的結合。MPLS是多層交換技術的最新進展，將MPLS控制平面貼到光的波長路由交換設備的頂部就具有MPLS能力的光節(jié)點。由MPLS控制平面運行標簽分發(fā)機制，向下游各節(jié)點發(fā)送標簽，標簽對應相應的波長，由各節(jié)點的控制平面進行光開關的倒換控制，建立光通道。2001年5月NTT開發(fā)出了世界首臺全光交換MPLS路由器，結合WDM技術和MPLS技術，實現(xiàn)全光狀態(tài)下的IP數據包的轉發(fā)。

    三、組成光交換系統(tǒng)的核心器件　　

    （1）光開關器件　　

光開關是構成OXC、OADM的主要器件，目前制作光開關的技術主要有：陣列波導光柵(AWG)、半導體光放(SOA)開關、LiNbO3聲光開關(AOTS)和電光開關、微電子機械光開關（MEMS）、液晶光開關、噴墨氣泡技術光開關、全息光開關等。

    （2）光緩存器件　　

    光緩存時光分組交換的關鍵技術，目前還沒有全光的隨機存儲器，只能通過無源的光纖延時線(FDL)或有源的光纖環(huán)路來模擬光緩存功能。常見的光緩存結構有：可編程的并聯(lián)FDL陣列、串聯(lián)FDL陣列和有源光纖環(huán)路

圖2

    （3）光邏輯器件

該類器件由光信號控制它的狀態(tài)，用來完成各類布爾邏輯運算。目前光邏輯器件的功能還較簡單，比較成熟的技術有對稱型自電光效應（S-SEED）器件、基于多量子阱DFB的光學雙穩(wěn)器件和基于非線性光學的與門等。

    （4）波長變換器

全光波長轉換器是波分復用光網絡及全光交換網絡中的關鍵部件。 波長轉換器有多種結構和機制，目前研究較為成熟的是以半導體光放大器(SOA)為基礎的波長轉換器 ,包括交叉增益飽和調制型 (XGM SOA)、交叉相位調制型 (XPM SOA)以及四波混頻型波長轉換器 (FWM SOA)等。

    四、光交換技術的未來發(fā)展展望　　

    市場和用戶是決定光網絡去向何方的重要因素。目前光的電路交換技術已發(fā)展的較為成熟，進入實用化階段。光分組交換作為更加高速、高效、高度靈活的交換技術，其能夠支持各種業(yè)務數據格式——計算機通信數據、話音、圖表、視頻數據和高保真音頻數據的交換。自十九世紀七十年代以來，分組交換網經歷了從X.25網、幀中繼網、信元中繼網、ISDN到ATM網的不斷演進，以至今天的OPS網成為被廣泛關注和研究的熱點。超大帶寬的OPS技術易于實現(xiàn)10Gb/s速率以上的操作，且對數據格式與速率完全透明，更能適應當今快速變化的網絡環(huán)境，能為運營商和用戶帶來更大的收益。在更加實用化的光緩存器件和光邏輯器件產生以前，對二者要求不是很高的OBS以及OMPLS技術作為OPS的過渡性解決方案，將會成為市場的主流。

    光網絡已經由過去的點到點WDM鏈路發(fā)展到今天面向連接的OADM/OXC和自動交換光網絡(ASON)，再演進到下一代DWDM基礎上寬帶電路交換與分組交換融合的智能光網絡。我們認為，光交換技術發(fā)展將會在其中起到決定性的作用。