光互联网的关键器件

南京邮电学院 祁志甫　张利娜

　　摘 要：光互联网是指IP over WDM网，是未来网络的发展方向。本文着重介绍了光互联网中的关键器件及其发展现状，包括光放大器、光转发器、光分插复用器、光交叉连接器、光开关、交换路由器。

　　关键词：光互联网、光放大器、WDM

引言

　　为了满足用户日益增长的带宽需求和预期的Internet大发展而产生的大容量需求，必须采用新技术开发新型Internet网络结构，所以光互联网应运而生。所谓光互联网指的是网络链路层的连接为直接连到高性能路由器的光纤波分复用(WDM)"专用"波长的互联网。它的上层是数据网络，底层是采用WDM技术的物理传送网络。利用WDM技术来控制波长接入、交换、选路和保护，从而用高性能路由器代替传统的ATM交换机和SDH复用器，总的网络成本可望降低一到两个量级，成为十分诱人的IP传送技术。

　　采用IP over DWDM技术，可减少网络各层之间的中间冗余部分，减少SDH，ATM，IP等各层之间的功能重叠，减少设备操作、维护和管理费用。同时，由于省去了中间的ATM层和SDH层，其传输效率很高。使用光互联网不但拓扑结构具有更大的灵活性，而且随着光交换和全光路由技术的成熟，具有最终迈入全光网的巨大潜力。

　　虽然采用IP over DWDM光互联网技术有许多优点，而且是网络的一个必然发展方向，但是在目前的技术条件下，IP over DWDM系统及其网络技术本身还不是十分成熟，大规模采用IP over DWDM光互联网技术还需考虑很多问题。 下面着重介绍光互联网中的关键器件及其发展现状。

光放大器

　　在光放大器出现以前，相隔一定距离就需要设置一个中继器，通过光电光的过程对信号进行再生。实际上补偿光纤损耗的最有效方法是用光放大器直接对光信号进行放大，而无需转换成电信号。

　　光放大器(OA)技术目前主要有三类：掺稀土类光放大器(EDFA，PDFA，TDFA，EDWA等)、半导体光放大器(SOA等)、非线性效应光放大器( FRA等)。光放大器技术极大地推动了光纤通信的发展，在系统应用中，具有里程碑意义。它解决了衰减对光传输网络(OTN)传输速率与距离的限制，并使超高速、超大容量、超长距离的波分、密集波分、全光传输、光孤子传输等成为现实。主要应用为发射机后的功率放大(BA)、接收机前的预放大(PA)和线路中的中继放大(LA)，用来补偿线路传输衰减，节点分配衰减，色散补偿，并降低非线性效应等。在系统成本中，光放大器的成本达到系统总成本的l／3，是系统成本预算的主要控制内容。

　　EDFA是目前及未来一段时间放大器的主要选择，在骨干网和城域网腰入网中发挥着关键性作用。但EDFA级联噪声大以及带宽受限，它与DRA（分布式FRA）混合使用，在长距离、大容量传输中是当前的一种优秀方案。喇曼光纤放大器FRA具有宽带、低噪声、抑制非线性、提高传输距、能进行色散补偿等功能，必将成为下一代光放大器的主流。城域网/接入网中光放大器目前具有竞争力的技术为Mini EDFA、EDWA和SOA技术，这种低价放大器正在标准化。随城域网建设的兴起，光放大器在低价领域必有一番作为。

光转发器

　　转发器的作用是对从路由器或其它设备来的光信号进行转换，将非匹配波长上的光信号转换到符合[Tu规定的标准波长上，然后插入到光精合器中，以满足系统的波长兼容性。当网络的某一点信号质量劣化时它又承担信号再生任务。目前在光网络中使用的是光电转发器，在下一代的光网络中全光转发器将取代光电转发器。全光波长转发器是波分复用和波分多址(WDMA)光纤通信系统中的一个关键部件，它在光开关、光交换、波长路由、波长再用等技术中有着广泛的应用。它的主要特点是取代现有的先光电后电光转换的结构，高效、可靠、简便地把带有信号的光从一个波长转换到另一波长，从而使波分复用和波分多址网络系统的容量大大提高，避免了波长竞争、使通信网络管理更为灵活、合理。

　　近年来已发展了多种全光波长转换技术，主要有：(1)采用交叉增益调制(XGM－SOA)转换器；(2)采用交叉相位调制(XPM－SOA)转换器；(3)利用半导体光放大器中四波混频效应(FWM-SOA)光波长转换器；(4)利用周期性波导中准相位匹配的四波混频波长转换器。

　　另外，以半分体激光器为基础的全光波长转换器有：(1)利用分布布拉格反射激光器中光吸收增益饱和机制(XGM-DBR)的波长转换器；(2)利用分布布拉格反射LD或Y型LD中光吸收双稳态波长转换器；(3)利用边(侧面)注人的光双稳型波长转换器。 除此以外，还有光纤中四波混频(FwM)效应的波长转换器和采用晶体中声光效应的波长转换器。

光分插复用器OADM

　　0ADM是一种在光域进行波长业务分插复用设备，能提供多路光通道接口，可适用于DWDM的开放式系统或集成式系统。波长分插应用使得某些波长可以经过光波长转发单元(0TU)(开放式系统)或不经过0TU(集成式系统)，直接在中间局站分出和插入，而不需要SDH终端设备，其功能类似于SDH中的ADM设备。它以光波信号为操作对象，利用光波复用技术在光域上实现波长通道的上下，使某些波长在中间局站的终端设备上终结，也就是说某些波长在中间局站分出和插入业务。0ADM设备可从DwpM光纤信道中有选择性地分出和插入某些光通道(分插复用的支路信号以波长为单位，称为光通道)，而不影响其他光通道的透明传输。

　　已研制出的光分插复用器有波分复用器和解复用器的组合型；马赫-曾德尔结构中的光纤光栅型；将光波导、马赫-曾德尔结构及干涉滤光片集成在一起的平面集成型，它们都以固定波长工作。工作波长可调的光分插复用器正在开发之中，并且已取得突破性进展。还有一种新型光分插复用器是由波导光栅阵列组成的，能够实现低成本集成，可很好地应用于城域局际和城域接入。

　　除基于光波导的光分插复用器外也可以基于空间光学原理进行设计，这种结构使用较大体积的光学器件而且以空间作为连接载体。空间互连增加了对信号进行操作控制的距离，这一点也是它的一大优点。

光交叉连接器OXC

　　光交叉连接器OXC是用于光纤网络节点的装置，通过对光信号进行交叉连接，能灵活有效地管理光纤传输网络，是实现可靠的网络保护/恢复以及自动配线和监控地重要技术。光交叉连接器的核心是光交叉连接矩阵，它要求无阻塞、低串扰、低延迟、无偏振依赖性、宽带宽和高可靠性，并要求具有单向、双向和广播形式的功能。光交叉连接器有光路交叉和光分组交叉两大类。

　　光路交叉又可分为光空分交叉、光时分交叉和光波长交叉。其中，光空分交叉技术最为成熟，它通过光开关实现各个光通道信号的交叉。光波长交叉是将信息在不同的波长间进行交叉，它与空分交叉相结合可大大提高交叉矩阵的容量和灵活性。光时分交叉与电时分交叉雷同，也是按时间段交叉光信号，不过要求物理速率很高，在技术上有一定的难度。光分组交叉采用光ATM交叉技术，其原理与电ATM相似，优点是能适应各种速率，信息处理能力强，但离实用化还较远。目前的许多光分插复用器和光交叉连接器都是无源器件，而且要求在节点上插入／分接特定波长之前必须预先配置好。另一方面，N×N光开关已开始商用，它可以动态重组光分插复用器和交叉连接器。朗讯公司已推出实用商品化的全光交换产品--MEMS-5200系列产品，并通过Bellcare的有关可靠性试验，该产品采用三维结构，同时集成了微处理器，以提供对光交换实时监控。

光开关

　　使用微机械镜（tiny mechanical mirrors）或声表面波滤波器技术可以实现光开关功能，但这些器件的开关速度目前仍比较低。利用MEMS技术制作的新型光开关，体积小、重量轻、能耗低，可以与大规模集成电路制作工艺兼容，易于大批量生产、集成化、方便扩展、有利于降低成本。成为近几年光通信发展的亮点。

　　此外，MEMS光开关与信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振作用、传输方向等均无关，同时在进行光处理过程中不需要进行光／电或电／光转换。特别是大规模光开关阵列，几乎非MEMS技术而不能实现。而OXC必需使用大规模光开关阵列。因此大规模MEMS列几乎成为目前发展全光通信唯一可行的技术路线。另外MEMS光开关及其阵列在现有光通信中的应用范围也很广。长途传输网中的光开关／均衡器，发射功率限幅器；城域网中的监控保护开关、信道均衡器、增益均衡器；无源网中的调制器等都需要光开关及其阵列。

　　从各公司目前发布的信息看，微机械光开关的实现方案多种多样，总体结构从2D-MEMS向3D-MEMS发展，其中驱动结构主要采用静电数字驱动、静电模拟驱动或电磁驱动，驱动方式包括倾斜、扭转、平移微镜等，微镜制作采用表面微机械技术或体硅腐蚀技术。总的来说，2D-MEMS光开关技术相对成熟，3D-MEMS光开关由于空间利用率较高、通道均衡性好、锅台封装简单而受到广泛关注；表面微机械加工的扭动/倾斜镜光开关在扩展性方面具有较大优势，但它在重复定位精度方面存在相当大的问题，要产品化必须有较大突破，而体硅工艺加工的光开关工艺简单、成本低，但工艺控制精度较差。

交换路由器（路由交换机）

　　早期的路由器由于采用软件实现路由识别、计算和包转发，因而其速度远低于网络交换机的速度，普遍认为它不能适应今天的高速率网络。1997年下半年以来，一些公司开始陆续推出采用专用集成电路进行路由识别、计算和转发的新型路由器。商品化的吉比特路由交换机的交换速率一般为10～60兆包／ｓ，包转发速率为10～60Mbit／s，其时延和时延抖动为微秒数量级，在网络中即便通过多级线速路由交换机，其积累时延仍在可接受范围之内。此类产品的杰出代表是 Cisco公司的12000系列吉比特交换路由器。目前，新型路由器系列传送每个包所消耗的时间已降至0．4～3ms以下，出／入所有设备的时延在50～75ms范围内，所以路由器传送时延已不再成为问题。

　　目前交换速度达几太比特的路由交换机已问世，一般采用并行或大规模并行计算技术。例如，Avici公司的TSR交换路由器由20块交换路由卡组成，每块卡采用专用硬件构成，总体交换速率为1．4 Tbit／s。Pluris INC公司的TNS路由交换机采用大规模并行技术，共有16×1024个处理机节点，每个处理机节点支持155Mbit／s的端口；采用通用器件构成，总交换速率为 5Tbit／s，支持1000个2．5 Gbit／s的STM-16端口。Neo公司的Stream Processor 2400，采用 1000个RISC（精简指令集计算机）处理机大规模并行构成，其交换速率为512Gbit／s，包的传送速度可达400兆包／s。

结论

　　光互联网中的关键器件的研究或发明对未来网络的发展极其重要，一种新器件的使用可使整个系统的性能大大提高，有时会推翻整个旧系统。目前，国内外很多公司都投入了大量的人力物力开发新器件。构建未来光互联网系统除了本文探讨的几个关键器件外，还有新型光纤、WDM滤波器、高性能集成探测器、可调谐激光阵列和各种集成阵列波导器件等关键器件技术。我们坚信，随着各类关键器件的不断更新和改善，光互联网的时代一定会很快到来。

摘自　通信市场