超高速：光交换/光路由铸就全光网络

  原创作者：烽火通信科技股份有限公司副总裁 李广成

    随着社会的进步，可以极大丰富和改善人们通信效果和质量的宽带视频、多媒体业务、基于IP的实时/准实时业务等新兴数据业务的社会需求不断增长。由于新兴业务占用的带宽资源较多，高速宽带综合业务网络已成为本世纪通信网络的发展趋势。光纤具有巨大的带宽。在1.55μm波长附近200nm范围内，传输损耗较低。由公式f = c/λ，其中f为频率、λ为波长、c = 3×108m/s 为光速，可得知200nm的对应带宽约为25THz（1THz=1012Hz）。在1.3μm波长附近，也有约25THz可利用的带宽。这样，一根光纤可提供的理论传输带宽约为50THz.但是，目前串行电信号传输速率上限为40Gbps，即使用此速率在光纤上传输，也仅利用了光纤容量的千分之一。在众多的网络技术实现方案中，基于电子技术的网络方案由于受限于器件工作上限速率40G，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理，网络中还会出现带宽“瓶颈”。只有基于光纤的全光网络方案能提供高速、大容量的传输及处理能力，打破信息传输的“瓶颈”，可以在很长的时间内适应高速宽带业务的带宽需求。全光网络（全光通信网络）是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，而不需要经过光/电、电/光变换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内，波长成为全光网络的最基本积木单元。由于全光网络中的信号传输全部在光域内进行，因此，全光网络具有对信号的透明性，它通过波长选择器件实现路由选择。全光网络以其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性，成为下一代高速（超高速）宽带网络的首选。

    全光网络具有如下优点： 
    1） 提供巨大的带宽。
    2） 与无线或铜线比，处理速度高且误码率低。
    3） 采用光路交换的全光网络具有协议透明性，即对信号形式无限制。允许采用不同的速率和协议，有利于网络应用的灵活性。 
    4） 全光网中采用了较多无源光器件，省去了庞大的光/电/光转换工作量及设备，提高网络整体的交换速度，降低了成本并有利于提高可靠性。

    在理想的全光网中，信号的交换、选路、传输和恢复等所有功能都以光的形式进行。目前的全光网络并非是整个网络的全部光学化，而是指光信息流在传输和交换过程中以光的形式存在，用电路方法实现控制部分。从当前光电子元器件的现状和发展趋势来看，力图实现整个网络的全光化是不现实也是不必要的。全光网络主要由核心网、城域网和接入网三层组成，三者的基本结构相类似，由DWDM系统、光放大器、OADM（光分插复用器）和OXC（光交叉连接设备）等设备组成。全光网络有星形网、总线网和树形网3种基本类型。全光网络的相关技术主要包括光交换/光路由（全光交换）、光交叉连接、全光中继和光分插复用等。

    光交换/光路由属于全光网络中关键光节点技术，主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路，它所完成的最关键工作就是波长变换。由于实质上是对光的波长进行处理，所以更确切地说，光交换/光路由应该称之为波长交换/波长路由。全光网络的几大优点如带宽优势、透明传送、降低接口成本等都是通过该技术体现的。从功能上划分，光交换/光路由、OXC、OADM是顺序包容的。即OADM是OXC的特例，而OXC是光交换/光路由的特例。由于OXC和光交换/光路由还在发展之中，目前对光交换/光路由的命名比较混乱。有的公司把现有的OADM、OXC都称为光交换系列（Optical Switching），有的又称之为光路由器（Optical Router）。所以目前的光交换/光路由大多以OXC甚至OADM暂时充当。

    通常OXC有3种实现方式：光纤交叉连接、波长交叉连接和波长变换交叉连接。其中，光纤交叉连接以一根光纤上所有波长的总容量为基础进行交叉连接， 容量大但不灵活；波长交叉连接可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用相同波长的任何光纤上。比如，波长λ1、λ2、λ3和λ4从输入端1号纤输入，波长交叉连接可以将这4个波长选路到输出端口的1、2、3和4号纤上去。现在也有人将这种波长交叉连接称为无源光路由器（Passive Router），它的波长可以通过空间分割实现重用。波长的选路路由由内部交叉矩阵决定，一个NXN的交叉矩阵可以同时建立N2条路由。它的其他几个别名是拉丁路由器（Latin routers）、波导光栅路由器WGRs（ waveguide grating routers ）和波长路由器WRs（ wavelength routers）；波长变换交叉连接可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用不同波长的任何光纤上，具有最高的灵活性。它和波长交叉连接的区别是可以进行波长转换。

    光交换/光路由的技术原理

    传统的光交换在交换过程中存在光变电、电变光，而且它们的交换容量都要受到电子器件工作速度的限制，使得整个光通信系统的带宽受到限制。直接光交换可省去光/电、电/光的交换过程，充分利用光通信的宽带特性。因此，光交换被认为是未来宽带通信网最具潜力的新一代交换技术。对光交换的探索始于70年代，80年代中期发展比较迅速。

    和电交换技术类似，光交换技术按交换方式可分为电路交换和包交换。电路交换又含有空分（SD）、时分（TD）、波分/频分（WD/FD）等方式；包交换则有ATM光交换等方式。其原理、结构特点和研究进展状况如下。

    1.空分光交换

    空分光交换是由开关矩阵实现的，开关矩阵节点可由机械、电或光进行控制，按要求建立物理通道，使输入端任一信道与输出端任一信道相连，完成信息的交换。各种机械、电或光控制的相关器件均可构成空分光交换。构成光矩阵的开关有铌酸锂定向耦合器、微机电系统MEMS等。

    2.时分光交换

    时分光交换系统采用光器件或光电器件作为时隙交换器，通过光读写门对光存储器的受控有序读写操作完成交换动作。因为时分光交换系统能与光传输系统很好配合构成全光网，所以时分光交换技术研究开发进展很快，其交换速率几乎每年提高一倍，目前已研制出几种时分光交换系统。80年代中期成功地实现了256Mbps（4路64Mbps）彩色图像编码信号的光时分交换系统。它采用1×4铌酸锂定向耦合器矩阵开关作选通器，双稳态激光二极管作存储器（开关速度1Gbps），组成单级交换模块。90年代初又推出了512Mbps试验系统。实现光时分交换系统的关键是开发高速光逻辑器件，即光的读写器件和存储器件。

    3.波分/频分光交换

    波分交换即信号通过不同的波长，选择不同的网络通路来实现，由波长开关进行交换。波分光交换网络由波长复用器/去复用器、波长选择空间开关和波长互换器（波长开关）组成。

    目前已研制成波分复用数在10左右的波分光交换实验系统。最近开发出一种太比级光波分交换系统，它采用的波分复用数为128，最大终端数达2048，复用级相当于1.2Tbps的交换吞吐量。

    4.ATM光交换

    ATM光交换遵循电领域ATM交换的基本原理，采用波分复用、电或光缓冲技术，由信元波长进行选路。依照信元的波长，信元被选路到输出端口的光缓冲存储器中，然后将选路到同一输出端口的信元存储于输入公用的光缓冲存储器内，完成交换的目的。
  光交换/光路由的关键器件技术

    光交换器件是光交换/光路由的基础。光交换器件根据其功能分为2类：相关无源器件和有源光逻辑器件。

    相关无源器件在输入和输出之间建立某种映射关系，与输入信号无关，仅与控制信号有关系。常见的无源器件有各种耦合器、光调制器等。

    有源光逻辑器件通过待处理信号本身的信息控制器件的状态，在输入端完成某种逻辑功能。光逻辑器件主要是电光效应器件，常见的有双稳态激光器、半导体激光器自光电效应器件SEED等。光交换中广泛应用的各种光开关、光存储器都是由上述两类器件制作的。

    光开关是各种光通信系统实现高功能、高可靠性、提高维护和使用效率必不可少的光器件。光开关大致可分为采用LiNbO3、聚合物、半导体材料的光开关和具有可移动机理的机械光开关。目前研究的重点主要集中在采用GaAs和InP材料的半导体光开关和聚合物光开关及综合利用了微光子、微电子、半导体微细加工技术、微机械技术的微机电光开关。

    今后光开关研究的方向是改善其性能，并将光开关集成以便增大光开关阵列的规模。光纤型微机电光开关损耗低，适于作保护恢复用。而半导体SOA光开关和聚合物光开关适于构成大型光开关阵列，很有发展前途。

    光存储器可以实现光信号的存储，进行光域时隙交换。常用的光存储器有双稳态激光二极管光存储器和光纤延迟线。

    双稳态激光二极管光存储器的原理是利用双稳态激光二极管对输入光信号的响应和保持特性存储光信号。

    光纤延迟线光存储器的原理是利用光信号在光纤中的传输延时特性达到存储光信号的目的。由于它是无源器件，比双稳态存储器稳定。在时分、频分和ATM光交换系统中应用广泛。缺陷是由于长度固定导致灵活性差。

    光交换/光路由的发展现状

    90年代以来，世界各大电信厂商竞相研究和试制用于光传送网络节点的OXC，其中部分设备已经过现场实验，并取得很大成功。OXC作为全光网络中的交换节点，研制开发OXC设备已成为通信领域的热点之一，美国、日本以及欧洲的少数著名公司已经完成了OXC传输设备的一些现场实验，在系统与网络间的兼容性、OXC设备的级联特性、系统的保护倒换能力、网络管理等方面取得了不少成功的经验。法国阿尔卡特研究中心在1000公里的无色散位移光纤上用WDM传送方式对无代价的OXC级联进行了实验，速率为2.5Gbps，实验中采用3个4×4的8信道OXC设备；去年，美国世界通信公司建成了第一条OXC运行网络，该网络是美国3家公司联合进行的现场试验，此OXC网络为多模系统，可接收72个收/发往返信号，提供100ms的交换，插入损耗小于2.5dB.下表为国外电信公司和设备厂商近年来进行的一些实验结果。

    MONET：Multiwave length Optical Networking，多波长光网络；

    METON：Metropolitan Optical Network，城域光网络；

    WOTAN：Wavelength－agile Optical Transport and Access Network，波长可调光传输和接入网；

    OPN： Optical Path Network，光通路网；

    OPEN：Optical Pan European Network，泛欧洲光网络；

    PHOTON：Pan European Photonic Transport Overlay Network，泛欧洲光传输层网；

    FN： Frontier Network，国境网；

    构成OXC结构的方式很多，但其中的关键在于开发先进的光器件，其中包括光交换器件和光波长转换器件。可实现光交换的器件有很多种，在光开关方面有机械光开关、聚合物光开关和半导体光开关等；在光波长转换方面有用AWG无源器件、波长可选择激光器的光－电－光转换器件以及利用四波混频效应的半导体激光放大器（SOA）实现光－光转换的全光波长转换器件等。

    OXC最典型的结构有：基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器的OXC结构；基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构；基于分送、耦合开关的OXC结构以及基于AWG复用器的多级波长交换的OXC结构和完全基于波长交换的OXC结构等。贝尔实验室开发出的基于微电子机械系统（MEMS）的OXC实质上是一个两维易镜片阵，当需要将入射波长进行转换时，可以通过改变镜片的角度，将光波反射到相应的光纤中，这种OXC可以很容易地组成大型光交叉矩阵，同时具有极佳的光学特性。如果组成一个256×256的OXC，其体积只有25×50×50（nm3），光路转换时间小于5ms，串扰小于－50dB，当用于WDM系统中时，插入损耗为6dB.该OXC是利用微电子机械系统技术制作的。微电子机械系统技术可以在极小的晶片上排列大规模机械矩阵，其响应速率和可靠性大大提高。从目前的情况来看，它极有可能成为今后OXC的发展方向。

    功能强大的网络管理系统也是光传送网络的重要组成部分，实用化的OADM和OXC设备需要具有能够控制波长组合以及处理故障的管理单元，以便在组网时实现光传送网的可靠性和灵活性。国际电信联盟ITU－T已给出光传送网的分层管理结构的定义，光传送网的网元管理系统一般按光通道层（OCH）、光复用段层（OMS）、光传送层（OTS）三层设计，要求具备ECC通信信道和对设备具有配置管理、故障管理、安全管理和对设备性能进行监测的功能。

    目前OXC技术存在的主要问题有三点：

    一是系统的完全透明性无法保证，这主要受制于全光波长转换技术尚未完全成熟；
    二是由于受光器件的制约，特别是大规模的光交叉矩阵开关的制约，系统的规模和灵活性不够理想。理论上讲，OXC、OADM也可以象DXC和SDH ADM一样，实现不同速率等级上的任意交叉和上下，最起码可实现类似于SDH中的AU－4高阶全交叉；
    三是在网络管理方面，按照ITU－T光传送网的分层结构，光传送网的网元管理系统一般按光通道层（OCH）、光复用段层（OMS）、光传送层（OTS）三层设计，具备ECC通信和四大管理功能，但具体细节还不够详细，很多内容有待进一步研究和规范。关于管理开销通道，已提出了多种方案来实现光传送网管理信息的传递，比较流行的作法有三种：一是带外方式（共路方式），即采用光监控信道（OSC）；二是带内方式（随路方式》，如Pilot Tone；三是带内、带外结合，在不同层采用不同的方式，如在OCH层采用带内方式，而在OMS层和OTS层采用带外方式。目前，ITU－T正在研究数字包封技术（Digital wrapper），并有可能形成标准，应引起重视。

    今后的高速宽带网络一定是全光网络加IP业务网的格局。国内外的电信设备供应商TEP和IP设备供应商IEP都在加紧研制开发系列化的光交换／光路由产品。Monterey Networks公司的Monterey 20000 波长路由器可从初始的256x256波长端口扩展到160太比以上无阻塞波长端口，光波长承载2.5Gbps和10Gbps信号。Monterey 20000 波长路由器由一个中心交换子系统和多个分配输入／输出子系统组成。Cisco公司的ONS 15900波长路由器基本结构和Monterey 20000的结构相类似。中心交换子系统支持640Gbps的交换速率。每个NEBS机架中支持256个2.5G或64个10G速率的波长。上述产品都运用了波长路由协议（WaRP），端到端的恢复时间均为50毫秒。两种设备均支持1300nm和1550nm双窗口。国内一些学校和公司也正在从事OXC和OADM的研发工作。如清华大学、北京邮电大学、上海交通大学和烽火通信科技股份有限公司。烽火通信科技股份有限公司开发的OADM和OXC产品将用于中国高速示范网CAINONET.

    光交换/光路由的典型应用

    光交换／光路由由于能保持信号的光域特性，突破了电子网络的速率瓶颈。可以快速为客户提供端到端的高速宽带路由及虚拟光纤网络。可以为网络提供商节约25％的费用，和电子交换系统相比，可以提高速率十几倍。

    WDM作为一种非常有效的扩容手段，随着技术的成熟已越来越显示出强大的生命力，市场需求急剧增加，但目前商用的WDM系统最大的缺点是缺乏足够的灵活性和可靠性，不能对业务进行有效的保护。由此，光联网技术应运而生，这种以WDM为基础，由OXC、OADM构成的光传送网，可以在光域上实现高速信息的传输、交换和故障恢复，具有结构简单、可靠性高、透明性好等突出优点。特别是能够提供自愈环保护、具有软件配置波长上下能力和一定的波长交叉能力、网管较完善的OADM设备，目前就可在现有网络中应用。以我国目前已建和在建的WDM/SDH工程为例，若要对业务进行保护， WDM必须组成环网结构，在每个节点采用二套WDM端机构成背靠背方式，使业务的保护在SDH层完成。如果用具有自愈功能、配置灵活的OADM设备组网，将会很容易做到。

    此外，光交换／光路由还可以用于IP网络、光层的恢复、传送网关、带宽管理、网络恢复和光通道管理。
   光交换/光路由的发展前景

    世界各国都在着手研究开发全光网络产品。力求解决现行通信网中由于电子处理速度而形成的瓶颈问题。以光交换技术为基础的全光网络将是新世纪的骨干网络。

    我国的通信网规模已跃居世界前列，已形成相当的光纤骨干网格局，随着通信业务量的飞速增长和形式日趋多样化，如何在现有通信网的基础上进一步扩大通信容量和实现业务的交叉互连将成为迫切的实际问题，作为未来通信发展方向的WDM光传送网，可为这一迫切问题提供很好的解决方案。

    据有关资料统计，通信产业投入1亿元会在10年内使国民生产总值增加13.8亿。社会效益比自身的经济效益大得多。通信网中一般交换设备的投入远大于传输产品，因此，光交换产品的市场潜力很值得挖掘。

    OXC和OADM是全光网络中至观关重要的产品。它们既具备光互连的功能，又是全光网络中的交换节点。波长转换器也是全光网络中的关键器件。借助它可以广域地互连不同的光子网。这3种产品不但是未来全光网络的关键组成部分，也是当前DWDM光传送网的关键设备，市场前景十分广阔。

    方案篇

    阿尔卡特

    为满足未来市场需求而设计的新光层将如何适应现有网络体系结构，目前电信领域使用的生存性、重新配置、恢复力和性能监视等概念，也将用于光层。阿尔卡特的产品策略旨在实现从多点到多点体系结构向光网络的转变，为此正在开发完全重新配置的光通信系统，以提供有效的光联网功能。这些系统包括适合线性环路和网应用的光分插复用器（ADM）以及用于互连现有点对点链路和光网状网络的光交叉连接设备。

    光ADM可提供线性和环型保护、线性支路保护以及1＋1设备保护。它支持2.5和10Gbps度的光多信道会聚，并支持单信道支路端口。能够交换2.5和10Gbps信号的内部矩阵具有全连通、无拥塞的特性。系统可用二纤或四纤环网，在光复用段（OMS）级和光信道（OCH）级提供光保护。

    光交叉连接设备与光骨干网中其他光网元共同使用，可以支持SDH/SONET、IP和ATM业务。它交换2.5和10Gbps的光信号，并能够完成波长转换。具备这种能力将可能减少网元数量，能够以更高效的方式建立高速通道。光保护和恢复是这种产品的主要特性，使它能够交换数十亿话音信道。

    在海底网络方面，光路由技术能够为海底环路的保护提供成本/空间优势，在节点不会发生业务丢失。保护功能完全可以在背对背海底终端之间的支路级的光领域中实现。这种新光通道交换设备是大型骨干传输网络中最有希望的光路功能。

    虽然光网络将提供光层波长管理，但不必为全光网络（即在各节点保持透明度）。一些光ADM和光交叉连接可以使用进行电光转换的“不透明”网元，但保留逻辑级的波长信息。

    了解真正透明的光网络的潜能、优势和缺点是很重要的。为了解决这些问题，阿尔卡特研究了一种全光交叉连接体系结构，能够交叉连接WDM信道并提供全光波转换，这种光交叉连接完全基于先进的阿尔卡特研究实验室的光电子器件，样机已经在丹麦、挪威、比利时和法国的实际网络中使用。试验结果令人满意，证明了全透明光器件的可行性。此外，验证设备采用的技术使交换模块可快速重新配置（纳秒数量级）。如果说毫秒交换时代足以适应电路和保护交换的需要（例如光ADM和光交叉连接），那么高速交换则能够满足光路由器的要求。

    朗讯

    朗讯公司的WaveStar Lambda路由器是一个有能力处理OC－192以上容量的大容量全光路由器，这是一种真正的光纤交叉连接系统，拥有光交换而非电交换构造。由于系统内不发生光－电－光转换，其传输接口是透明的，此外，该产品还是一种无阻塞、不受速率和格式约束的可伸缩路由器。

    尽管朗讯产品主要是定位于运营商级，但如果运营商能够更广泛地提供更高速的服务，企业网络会成为最终的受益者。

    一台Lambda路由器可以交换高达40G的传输流，这一容量可容纳256条光纤，每条光纤传输一个波长。在使用波分复用技术的情况下，每条光纤可以传送一个以上的波长，从而增加了设备的潜在容量。

    Lambda路由器有一个模块化的大规模全光交换结构，可以高速高效地管理带宽。任何光载波信号可在一根光纤的不同波长上传送，可采用任何协议，包括ATM、IP、千兆以太网或SDH，而无需改变电路组件或者降低网络容量。这一系统可处理话音、数据或图像信号，并且起始的256路中，每路都支持SONET/SDH或OC/STM速率的波长。

    朗讯公司表示，Lambda路由器可以将运营商的运行费用减少25％。尽管该设备叫路由器，但它实际更像是一台常规电话网络中使用的静态交换机。每台Lambda路由器可以接入256 条光纤，同时输出256 条光纤，传输流通过光波传送，光波利用两组可调节圆形镜子通过Lambda路由器进行交换，每个镜子的直径为0.5毫米。运营商可以很方便地配置Lambda路由器，迅速地在网络上提供光路径。

    Lambda路由器基于贝尔实验室的MicroStar技术，利用该技术能获得交换速度低于微秒的大型交换结构，而产品体积却非常小。

    北电网络

    北电网络今年以32.5亿美元收购了美国Xros公司，该公司拥有优秀的光交换技术，其光交换系统可交换1152个波长的业务，并突破了光交换设备1000个端口的门限。它采用了一种通过微型镜面阵列将输入端口的光束反射至输出端口，实现交换的微电子机械系统（MEMS）技术，通过适当的镜面位置设计，入射光以与镜面成45度角的方向进入交换机后，被反射至对面阵列的一个镜面，后一个镜面即而把光束反射出系统，从而实现其对多波长网络业务的处理。

    北电网络的数据网络解决方案具有灵活的升级方式。随着数据业务的爆炸性增长，今后面临的将是容量和带宽的挑战。北电的数据网络核心具有灵活的结构设计，可以从19Tbps平滑扩展为数百Tbps，传输采用光交换技术，支持密集波分复用DWDM，是大型电信级网络的核心。

    综合不同运营商对数据网络的需求，北电网络提供了一体化的网络解决方案，其分为高可靠性核心层、多业务边缘层、丰富的业务接入层和统一的网络、业务管理系统，并可将增值业务延伸至客户前端。在网络核心层，北电网络采用高可靠性的、交换和路由解决方案 OPTera.OPTera分组解决方案可以保证99.999％系统和网络的可用性，可以极大地提高性能、服务质量和带宽效率，可以为运营商带来更大的效益。OPTera通过光传输与分组的结合，能够部署可快速恢复、极度灵活的网络；通过网络综合，能够建立简单的、易于管理的网络；极高的可扩展性保证网络可以适合于今天和明天所有类型的业务量。

    OPTera分组解决方案建立在北电网络业界领先的光传输和分组网络产品之上，其中包括：OPTera Packet Core核心交换矩阵、Versalar 25000IP核心交换路由器、Passport 15000多业务核心交换机和OPTera Connect智能交换机。

    OPTera分组解决方案能够提供完全综合的光路由与交换、能以高可靠性承载包括IP、ATM和SDH在内的任何业务的平台。利用OPTera分组解决方案的可扩展性、可靠性和经济性，运营商可以为用户提供高带宽应用和关键业务，包括已有的ATM、IP和TDM业务，以及许多刚刚开始进行试验的其它业务，如Internet上的电子商务、VPN和宽带娱乐等业务。