一种新的光交换技术——光标记交换技术

　　摘要：介绍了光标记交换这种光子交换新技术，叙述了光标记交换技术的优点，总结了目前提出的几种光标记交换方法，指出了各种方法的优缺点。

　　关键词：光包 光标记 光标记交换（OLS）

1 引言

　　目前，在光纤交叉连接（OXC）和光分插复用设备（OADM）上的交换是基于波长的光交换，O在节点上完成一个波长到另一个波长的交叉连接，而OADM在主从网之间分出并插入一个波长完成主从网之间上下话路。业务上的交换交给下面的核心路由器完成。现行核心路由器采用的交换方式是基于电的交换技术，路由器将高速信号接收下来，分解成低速电信号，用多个CPU处理，用空间换时间，结果增加了设备的成本。DWDM的波长构成了核心路由器之间的链路，波长链路上具有统计时分复用的IP包序列都必须经过核心路由器。核心路由器为了维持线速包转发，需进行大量的解复用。大量的DWDM、OTDM的高速光信号变成低速的光信号，再将光变成电，实现包转发。这种方式有电子瓶颈，交换速率受核心路由器背板速率和数量的制约，且结构复杂。从整个网络结构上看，关键的症结在于高速的传输速率与低速的交换速率不能匹配，并且它们分别领带两面三刀支各自独立的技术。为了解决电子瓶颈限制问题，实现全光交换，近几年在光交换中引入了光标记交换新技术，并且提出了不少新思路。

　　由于光标记交换是一项高新技术，是近几年国外光交换技术研究的热点，从而促使新技术和新器件不断产生。光标记交换的光键技术主要集中在光标记的产生、提取和识别等方面，在研究中我们提出高强度光标记交换和电光调制光标交换两种新的光标记交换方法。

2 光标记交换（OLS）

　　所谓光标记，是指利用各种方法在光包上打上标记，也就是把光包的包头地址信号用各种方法打在光包上，这样在交换节点上根据光标记来实现全光交换。基于这种原理来实现的光交换称为光标记交换，这就是OLS(optical label switch)。

　　光标记的产生和提取是光标记交换的核心技术。光标记信号一般是低速率信号，一般在M bit/s量级上，而光包的传输速率都在G bit/s量级上，如何把低速的标记信号加在高速的光包信号上，可以根据不同的机制采用不同的方法。一般来讲，光调制有3种方式：调幅、调频和调相，目前光标记的产生大多数也从调幅、调频和调相3个方面入手。光标记的提取本质上就是把光标记从复用信号中分离出来。基于调幅产生的光标记多用半导体光放大器（SOA）、普通光纤和半导体激光放大器的非线性效应的交叉相位调制、交叉增益调制和四波混频（FWM）等原理来提出光标记；基于调频产生的光标记一般采用载波解复用方法；基于调相产生的光标记方法可以利用光的干涉原理来提取光标记信号。

3 光标记交换的技术优势

　　将光标记交换技术引入OXC和OADM后，OXC和OADM不再以波长为单位进行交叉连接和分插复用，而是以光包为单位进行交叉连接和分插复用，在OXC和OADM上实现以光包为单位的路由转发功能。光网络的面貌因此将大为改观。

　　首先，由于光的标记交换不必将光信号变成电信号，并能够改善信号的质量，在实现透明的3R的同时直接下来进行线速光包转发，使得路由器的负荷大大降低，大量的交换绕过了路由器电子瓶颈，从而有效地克服了光交换中的电子瓶颈；其次，由于光包不再与波长捆绑，光包可灵活出入上下各节点，网络在线数据量减少（这一点节点越多越为明显），全光网络资源的利用潜力增加；最后，由于在波分复用上加入了光包的统计时分复用，一个波长链路可通过时分复用连接更多的节点，从线路角度来看，在全光网线路的任意一点都可不加限制地加限制地加入节点，这一点可使接入网技术更为简单、灵活，同时也使全光网络的出路问题得到更好的解决。因此可以说，光标记交换技术的引入可以解决或改善路由器电子瓶颈问题、光网络资源合理利用问题以及光网络的接入和出路问题。

4 实现光标记交换的几种方法

　　下面总结目前提出的几种实现光标记交换的方法，其中高强度光标记交换法和电光调制光标记交换法是我们在研究中独立提出的两种新方法。

4.1 宽脉冲标记方法

　　光包由低速率的包头/光标记段和高速率的有效负载/信息段构成，标记置于有效负载的前面，两者之间由保护带分隔。保护带的设置一方面是为了给光包对齐留有余量，另一方面是兼容电子电路。光标记的速率是兼容电子电路的，可直接采用电子学方法来处理。这种光标记的产生、提取和识别均较简单，光包的有效负载和包头分别由不同的激光器产生，然后通过光耦合器将这两束光耦合在一起就形成了光包，光标记就产生了。至于光标记的提取和识别只需附加只需附加一个包头探测器即可，其余全部交给电子电路处理。

　　这种光标记交换法的优点是光标记的产生、提取和识别均较容易，缺点是光标记占用信道资源较多。

4.2 高强度脉冲标记交换方法

　　高强度光标记法中的光包由高速率低强度的有效负载（最高可达40 Gbit/s）和同样速率但高强度的包头/光标记构成，两者来自相同的时钟并占有不同的时间段。光标记和负载可以由同一激光器产生，这可通过控制激光器的旁路偏流做到。另外，光标记和有效负载也可先分别由两个不同的激光器产生，然后再将两路光信号通过光耦合器合在一起。

　　非线性光学介质在强场作用下具有Kerr效应或增益非线性效应，利用非线性效应可以实现非线性门控作用，通过非线性门控作用就可以把高低强度不同的光脉冲很好地分离开来。目前使用过的非线性介质有单模光纤和SOA两种，可以用来提出光标记的结构至少有单模光纤的非线性光学环路镜、SOA的非线性光学环路镜以及SOA的FWM 3种。非线性光纤环路镜（NOLM）结构简单，用有SOA的NOLM提取光标记只要在非线性光纤环路镜基础上加一SOA即可，这种结构简单，器件的稳定性高，同时信号检出容易，效率较高。直接利用SOA中FWM效应的也可以提取光标记。处理高达数吉比特甚至数十吉比特速率的光标记信号，电子方法不可取，已接近或达到它的处理极限，因此迫切需要一种在光域进行识别和处理的方法，即全光的光标记识别技术。SOA作为逻辑处理器作可以实现光标记的识别，但有一定的难度。

　　这种光标记交换的优点是光标记的产生和提取较容易，且不占用信道资源，缺点是光标记的识别较困难。

4.3 微波副载波光标记交换方法

　　微波副载波光标记是在电副载波上调制低带宽光标记实现的。具体来说，电副载波调制在包有效负载占有的基带上，光标记和有效负载占有相同时间段，并且同时传输。负载包的数据与光标记保持同步操作，两者的数据源由相同的时钟控制。光标记与载波混合后，再与基带负载相结合，然后用它调制一个激光器。在保证基带信号误码率要求的情况下，控制光标记的光功率，保证基带信号的调制深度。光标记和负载占有相同的时间段。负载和光标记在频率上相差足够远时被分离，是为了防止互相调制引起失真。至于光标记的提取，可以把输入到节点的光信号用1:9的双锥光纤分束器分成两束，10%的一束光经光/电转换后，通过微波解复用器后就可提取低速率的光标记信号。

　　这种光标记交换的优点是光标记的产生、提取和识别较容易，且不占用信道资源，缺点是光标记的调制对有效负载有影响。

4.4 电光调制光标记交换法

　　电光调制光标记法是利用电光晶体的电光效应实现光标记的产生，利用光的干涉原理来实现光标记的提取。光标记是这样产生的：用低速率的包头信号调制高速率的光包信号，使光包相应的光脉冲相位改变180°，显然这束光与另一束光是相干的，通过光耦合器使这两束光进行干涉，干涉的结果是，凡不带光标记的光脉冲，它们的相位相差180°，它们相干相消；凡带光标记的光脉冲，它们的相位相差360°或0°，它们相干相长，光标记脉冲被提取出来了。

　　这种光标记交换的优点是光标记的产生、提取和识别较容易，且不占用信道资源，缺点是光标记的同步要求比较高。

5 结束语

　　从光标记交换实现技术方面来看，光标记交换综合了高速光开关、超高速电路、大规模集成电路等多项尖端技术手段。光标记交换技术与宽带网络技术、光计算机技术、WDM技术、OTDM技术、光集成与光电集成技术、超大规模集成电路技术等紧密相关并以此为推动力量。

　　光标记交换是光包交换OPS（optical packet switch）的实现形式，国外在OLS的关键技术方面的专利不断涌现，其中主要集中在光标记脉冲的产生技术、光标记复用、解复用技术以及光时钟提取技术等方面，但要实现OLS的实用化还有许多未知的因素有待人们去进一步探索。尽管目前OLS技术还不成熟，构成OLS系统的许多关键器件还处于实验室研究阶段，但该技术正成为世界范围内的研究热点，OLS从器件、系统、网络诸方面正以惊人的速度向前发展，并逐步向实用化迈进。

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