關鍵詞：光交換；微機電光開關；循環陣列波導光柵；波長選擇開關

 

　　大容量光交換的需求來自于網絡流量的迅猛增長，尤其是互聯網流量的指數式增長。自從1993 年提出"信息高速公路"以來，引發了全球建設"信息高速公路"的浪潮，發展到今天，數據業務已經完全取代話音業務，成為網絡的主導業務，網絡視頻、云計算、物聯網等進一步加速了這一進程，至此，互聯網流量以40%復合年均增長率增長。

 

　　隨著2012 年又提出了"大數據時代"的來臨，數據的價值更加豐富，數據的種類更加多樣，進一步加劇了數據流量的"爆漲"[1]。

 

　　網絡節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，迫切需要研究和發展新型大容量的節點處理技術。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，亦從吉比特每秒量級發展到太比特每秒量級量級，但從公布的數據來看，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

 

　　為了應對互聯網流量的指數式增長，業界一直沒有停止追求大容量節點交換的努力，細分為3 條技術路徑：路由器（IP）、光傳送網（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 分組的存儲轉發技術，是互聯網的基石，自20世紀90 年代中后期發展以來，可謂進步神速。

 

　　2004 年，思科公司推出了電信級路由系統（CRS-1），因其創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，是當時業界唯一可以擴展到92 Tb/s 的電信級路由系統。時隔6 年之后，2010年，思科又宣布推出CRS-1 的升級產品-- 新型運營商級路由系統（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，中國的路由器研發生產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，業務板卡與交換網板正交設計，實現多級多平面交換，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

 

　　光傳送網對各種高速傳輸的時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 產品，高端系統集成了可重構光分插復用（ROADM）、太比特統一交換、自動交換光網絡/通用多協議標記交換（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，其發展歷程可謂起伏曲折，在發明了三維微機電光開關（MEMS）之時發展到頂峰，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 LambdaRouter，是當時世界上第一個可商用化的全光交叉連接系統，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，以世界第一可商用系統展示了對光信號的全光交叉控制[6]。

 

　　回顧當初，WaveStar 和OPTeraConnect PX 在試用階段都頗受好評，但是，由于市場變化太快，隨著互聯網泡沫的破裂，整個通信行業都步入了低谷，設備廠商不得不停止了大規模OXC 生產，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，發展之路波動曲折，迫切需要奮力追趕。

 

　　需要說明的是，現在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模化兩者相結合，在曲折之路上找到正確的發展方向，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。既然節點容量是網絡"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生機械轉動，改變每一路輸入光束的傳播方向，從面實現矩陣光開關功能。

 

　　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量受到限制，端口數也受到限制（如32×32），擴展性也受到限制（反射鏡是端口數的平方）。

 

　　于是，人們轉而發明了三維光路。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，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量達到1 152×1 152 甚至更高。

 

　　2.2 循環陣列波導光柵

 

　　與空分光開關（如MEMS）不同，循環陣列波導光柵（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 路由器或循環陣列波導光柵（CAWG），目前有32×32 CAWG 商用產品，以自由譜寬度為周期，每端口可以支持32 個波長（或32 倍數），端口數可進一步增加（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配置，即具有波長選擇的空間交換能力。可以說，WSS 的發明是光交換技術的一次偉大創舉，為光聯網帶來了更多的靈活性。

 

　　WSS 的實現技術主要有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，Finisar 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組成：其一，位置和角度之間的轉換子系統，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，它通過分光器件（如衍射光柵）實現波長的分離。

 

　　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，其偏振態為混合偏振態，經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，使其偏振態旋轉π/2，與另一束線偏振光的偏振態相同，再經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，從而實現兩個出射通道的選擇，即實現1×2 WSS。增加液晶盒和棱鏡的組合（N 組堆疊），可以實現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1×N 多端口WSS。

 

　　由于不同波長的光束在LCOS 芯片上的不同區域發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雖然很大，但仍然是有限的，不能滿足節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，最根本的規則是多級網絡互連理論，如典型的三級Clos 網絡和多級Benes 網絡等。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 級網絡的組播擴展成本高，4級網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）"級組播網絡，如圖1 所示。

 

 

圖1 4 級組播網絡（其中只有第2 級和第4 級有組播能力）

 

　　可以證明廣義無阻塞和可重構無阻塞"4（2m）"級組播網絡的復雜度都是O（N 3/2），比2 級組播的3 級Clos 網絡低，后者為O（N 2）。因此"4（2m）"級網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 交換網絡理論出發，建立CAWG交換結構和傳統Clos 網絡之間的等價關系，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CAWG 交換網絡的模塊化構造[14]。

 

 

圖2 陣列波導光柵的多級網絡擴展

 

　　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展之中，目前并無成熟大規模商用。令人欣喜的是，大容量光交換在一些應用場合中展現出了獨特的優勢。

 

　　4.1 MEMS 的應用

 

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

 

　　數據中心網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、傳輸信道獨占等優點，在數據中心網絡將具有重要的利用價值[15]。

 

 

圖3 混合光交叉和電交換的數據中心樹型網絡

 

　　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原型機（PPXC），它結合了突發模式的快速調諧和80 80 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。基于CAWG 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。基于CAWG 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]。

 

 

圖4 基于循環陣列波導光柵與可調諧光激器快速光交換的大型結構

 

 

圖5 基于循環陣列波導光柵與可調諧光激器模塊的光分組與電路融合光交換結構

 

　　4.3 靈活波長柵格的應用

 

　　業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 的整數倍，研究表明，與現有固定波長隔系統相比，靈活波長柵格系統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展，Finisar 公司采用了硅基液晶LCOS 技術，推出可實現通道中心頻率和通道帶寬動態控制的Flexgrid 技術--WaveShaper，支持可編程的通道譜形，起始調節量為10 GHz，步進量為1 GHz，可以滿足運營商對于下一代網絡中帶寬靈活的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，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展之路。

 

　　參考文獻（略）

 

　　來源：中興通訊技術 作者：胡衛生、孫衛強、肖石林（上海交通大學區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室，上海200240）