光交换机技术动向

作者：黄智伟、李富英

    光纤通信技术的发展为解决传输容量的问题提供了极佳的方案，从理论上讲，光纤在1.3μm和1.5μm两个波长窗口能够提供几十THz的可用带宽，随着通信网络逐渐向全光平台发展，网络的优化、路由、保护和自愈功能在光通信领域中越来越重霎。光交换机能够保证网络的可靠性和提供灵活的信号路由平台，尽管现有的通信系统都采用电路交换，但发展中的全光网络却需要由纯光交换机来完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。目前已有多种商用光电和光机械交换机，基于热学、液晶、声学、微机电技术的光交换机也在研究开发中。
　　光电交换机内包含带有光电晶体材料(如锂铌)的波导。交换机通常在输入输出端各有两个波导，波导之间有两个波导通路，构成MachZennder干涉结构。这种结构可实现1×2和2×2的交换配置。最近采用钡钛材料的波导交换机已开发成功，这种交换机使用了一种分子束取相附生的技术，与锂铌交换机相比，新的交换机使用的驱动电能少。光电交换机的主要优点就是交换速度较快，可达到纳秒级。缺点是：介入损耗、依极化损耗和串音都比较严重，对电漂移较为敏感，需要较高工作电压，这些限制了光电交换机的商业应用。
　　光机械交换机是目前常见的交换机，基于成熟的光机械技术。在交换机中，通过移动光纤终端或棱镜来来将线引导或反射到输出光纤，实现输入光信号的机械交换。光机械交换机交换速度为毫秒级，但它成本较低，设计简单和光性能较好，而得到广泛应用。光机械交换机最适合应用于1×2和2×2的配置中，可以很方便地构建小规模的矩阵无阻塞M×N光交换机。通过使用多级的配置也可以实现大规模(如64×64)的局部阻塞交换机。
　　热光交换机采用可调节热量的聚合体波导。交换由分布于聚合体堆中的薄膜加热元素控制。当电流通过加热器时，它改变波导分支区域内的热量分布，从而改变折射率，将光从主波导引导自目的分支波导。热光交换机体积非常小，能实现微秒级的交换速度。缺点是介入损耗较高、一串育较严重、消光率较低。耗电量较大，并要求散热良好。
　　过去，液晶被认为是一种很难成为光交换机的材料，其主要原因是其温度特性和开关速度的局限性。在液晶材料和交换结构上取得的进展大大提高了液晶光交换机的温度和频率特性。液晶光交换机内包含有液晶片、极化光束分离器(PBS)成光束调相器。液晶片的作用是旋转入射光的极化角。当电极上没有电压时，经过液晶片的光线极化角为90°，当有电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持它的极化状态不变。PBS或光束调相器起路由器的作用，将信号引导到目的端口。对极化敏感或不敏感的矩阵交换机都能利用这种技术。当使用向列的液晶时，交换机的交换速度大约为100毫秒，当使用铁电的液晶时，交换速度为10微秒。使用液晶技术可以构造多通路交换机，缺点是损耗、热漂移量较大，串音较严重，驱动电路复杂。
　　基于声光技术的光交换机，通过在光介质(如TeO2晶体)中加入横向声波，可以将光线从一根光纤准确地引导到另一根光纤。声光交换机可以实现微秒级的交换速度，可方便地构成端口较少的交换机。但它不适合用于矩阵交换机。因为这需要复杂的系统来改变频率控制交换机。声光交换机衰耗随波长变化，驱动电路复杂。
　　目前已开发出多种MEM交换机，它们采用了不同类型的特殊微光器件，这些器件由小型化的机械系统激活。MEM交换机的优点在于体积小，集成度高，可大规模生产，但这需要生产工艺技术的进一步提高。
　　据预测，光子网络将是下一代光互联网的基础，需要不受限地承载数字信息，这些将促进交光换技术的不断发展。在评价一种新的光交换技术时，必须考虑以下几个关键指标：
1、系统具有5个9以上的长期可靠性;
2、低损耗;
3、低串音，典型的隔离度要求为40或50dB;
4、保持对温度的稳定性，不需精确温控电路;
5、快速切换，切换速率必须控制在毫秒级以下;
6、宽工作窗口，光开关需要工作在从1300nm到1650nm的整个带宽上;
7、低的技术成本。


来源：通信世界网