為了實(shí)現(xiàn)更大容量的光交換，需要突破矩陣光開關(guān)的規(guī)模化“瓶頸”。微機(jī)電光開關(guān)（MEMS）、循環(huán)陣列波導(dǎo)光柵（CAWG）、波長選擇開關(guān)（WSS）等具有多端口規(guī)模化特征，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的模塊化擴(kuò)展，具有使交換容量倍增的潛力。MEMS、CAWG、WSS在大型數(shù)據(jù)中心、大容量光交叉連接、靈活柵格光分插復(fù)用等系統(tǒng)的應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和良好前景。

光交換；微機(jī)電光開關(guān)；循環(huán)陣列波導(dǎo)光柵；波長選擇開關(guān)

To achieve high-capacity optical switching， the optical switch matrix needs to be investigated. The micro-electromechanical system （MEMS） switch， cyclic array waveguide grating （CAWG）， and wavelength selective switch （WSS） have the advantages of multiport dimensions and expansibility to a larger modular scale. They have potential applications in data center network， optical cross-connect， and flexible gridless optical add-drop multiplexer.

optical switching； micro-electromechanical system switch； cyclic array waveguide grating； wavelength selective switch

大容量光交換的需求來自于網(wǎng)絡(luò)流量的迅猛增長，尤其是互聯(lián)網(wǎng)流量的指數(shù)式增長。自從1993年提出“信息高速公路”以來，引發(fā)了全球建設(shè)“信息高速公路”的浪潮，發(fā)展到今天，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)完全取代話音業(yè)務(wù)，成為網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)視頻、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等進(jìn)一步加速了這一進(jìn)程，至此，互聯(lián)網(wǎng)流量以40%復(fù)合年均增長率增長。

隨著2012年又提出了“大數(shù)據(jù)時(shí)代”的來臨，數(shù)據(jù)的價(jià)值更加豐富，數(shù)據(jù)的種類更加多樣，進(jìn)一步加劇了數(shù)據(jù)流量的“爆漲”[1]。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(fā)展新型大容量的節(jié)點(diǎn)處理技術(shù)。學(xué)術(shù)界主要從兩個(gè)方面進(jìn)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(shù)，不斷地提高路由器的吞吐量，十余年來從吉比特每秒發(fā)展到太比特每秒量級(jí)，即將邁入帕比特每秒量級(jí)[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(tǒng)，亦從吉比特每秒量級(jí)發(fā)展到太比特每秒量級(jí)量級(jí)，但從公布的數(shù)據(jù)來看，其最大容量仍落后于路由器。本文將對(duì)此兩方面做簡單回顧，然后，重點(diǎn)探討后者的關(guān)鍵技術(shù)、大容量擴(kuò)展方法與典型應(yīng)用示例。

1 交換容量增長之路

為了應(yīng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)流量的指數(shù)式增長，業(yè)界一直沒有停止追求大容量節(jié)點(diǎn)交換的努力，細(xì)分為3條技術(shù)路徑：路由器（IP）、光傳送網(wǎng)（OTN）、光交叉連接（OXC），形成了你追我趕之勢(shì)，如同“龜免賽跑”，強(qiáng)有力地推動(dòng)了“信息高速公路”的發(fā)展進(jìn)程，時(shí)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(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，是互聯(lián)網(wǎng)的基石，自20世紀(jì)90年代中后期發(fā)展以來，可謂進(jìn)步神速。

2004年，思科公司推出了電信級(jí)路由系統(tǒng)（CRS-1），因其創(chuàng)紀(jì)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(jí)自路由Benes架構(gòu)，最多可以支持

1 152個(gè)40 Gb/s的線卡插槽，是當(dāng)時(shí)業(yè)界唯一可以擴(kuò)展到92 Tb/s的電信級(jí)路由系統(tǒng)。時(shí)隔6年之后，2010年，思科又宣布推出CRS-1的升級(jí)產(chǎn)品——新型運(yùn)營商級(jí)路由系統(tǒng)（CRS-3），流量處理能力是其前身CRS-1的3倍多，最高可達(dá)322 Tb/s。

此時(shí)，中國的路由器研發(fā)生產(chǎn)能力也有了重大突破。2009年，中國設(shè)備供應(yīng)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(gè)100G接口，最高交換容量可達(dá)200 Tb/s。2012年，中國設(shè)備供應(yīng)商推出的高性能核心交換機(jī)具備無阻塞三級(jí)CLOS交換架構(gòu)，業(yè)務(wù)板卡與交換網(wǎng)板正交設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多級(jí)多平面交換，單槽位支持2T帶寬（可平滑演進(jìn)至4T），整機(jī)容量提升至64 Tb/s交換容量。

（2）光傳送網(wǎng)

光傳送網(wǎng)對(duì)各種高速傳輸?shù)臅r(shí)分復(fù)用信號(hào)進(jìn)行封裝、交叉、分插、疏導(dǎo)和傳輸，是“信息高速公路”的基礎(chǔ)性承載平臺(tái)[4]。

2007年，中國設(shè)備供應(yīng)商宣布推出OTN產(chǎn)品，高端系統(tǒng)集成了可重構(gòu)光分插復(fù)用（ROADM）、太比特統(tǒng)一交換、自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)/通用多協(xié)議標(biāo)記交換（ASON/GMPLS）智能控制、100 Mb/s～100 Gb/s全顆粒調(diào)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(diào)度，未來可擴(kuò)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(gè)量級(jí)。

（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(fā)展歷程可謂起伏曲折，在發(fā)明了三維微機(jī)電光開關(guān)（MEMS）之時(shí)發(fā)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(shí)驗(yàn)室技術(shù)——微機(jī)械光開關(guān)（MEMS）為基礎(chǔ)，推出了256×256全光交叉連接——WaveStar Lambda Router，是當(dāng)時(shí)世界上第一個(gè)可商用化的全光交叉連接系統(tǒng)，作為當(dāng)時(shí)光通信會(huì)展的一顆明星而轟動(dòng)一時(shí)[5]。

更轟動(dòng)的事情是，2000年，原北電網(wǎng)絡(luò)公司收購了美國Xros公司，利用兩個(gè)相對(duì)放置的各有1 152個(gè)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(chǔ)，推出了OPTera Connect PX系統(tǒng)，以世界第一可商用系統(tǒng)展示了對(duì)光信號(hào)的全光交叉控制[6]。

回顧當(dāng)初，WaveStar和OPTera Connect PX在試用階段都頗受好評(píng)，但是，由于市場變化太快，隨著互聯(lián)網(wǎng)泡沫的破裂，整個(gè)通信行業(yè)都步入了低谷，設(shè)備廠商不得不停止了大規(guī)模OXC生產(chǎn)，把力量集中在電交叉核心的大容量交叉設(shè)備（如OTN）。直到2008年起，光通信市場明顯復(fù)蘇，產(chǎn)生了一種新型的小型化多功能光開關(guān)器件——波長選擇開關(guān)（WSS），由此所構(gòu)建的多維度ROADM完全取代了OXC。目前，單個(gè)WSS可支持96波長、23個(gè)交換端口，相當(dāng)于2 208×2 208規(guī)模OXC[7]。

以上分析表明，由于技術(shù)進(jìn)步和市場驅(qū)使，第一條路徑（路由器）明顯順暢和快捷，處理容量上居于領(lǐng)先地位。光通信領(lǐng)域的二條路徑——OTN和ROADM，都處于相對(duì)落后位置，發(fā)展之路波動(dòng)曲折，迫切需要奮力追趕。

需要說明的是，現(xiàn)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(guī)?；瘍烧呦嘟Y(jié)合，在曲折之路上找到正確的發(fā)展方向，剩下的就是努力進(jìn)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(jī)械型、微機(jī)械型、波導(dǎo)型等，原理上有空間光學(xué)型、衍射光學(xué)型、導(dǎo)波光學(xué)型，物理效應(yīng)上有電光型、磁光型、熱光型、成像型等[8]。因此，與電交換技術(shù)相比，光交換展示出技術(shù)的多樣性，帶來了學(xué)術(shù)研究的繁榮，但也增添了市場定型的困境。既然節(jié)點(diǎn)容量是網(wǎng)絡(luò)“瓶頸”，多端口的光交換器件——矩陣光開關(guān)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(jī)電光開關(guān)

MEMS是矩陣光開關(guān)的一座高峰。如前所述，1999和2000年，人們將硅基微電機(jī)系統(tǒng)工藝技術(shù)用于矩陣光開關(guān)，它由一系列可轉(zhuǎn)動(dòng)的微反射鏡組成，通過靜電力或其他控制力使微反射鏡發(fā)生機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，改變每一路輸入光束的傳播方向，從面實(shí)現(xiàn)矩陣光開關(guān)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(shù)量受到限制，端口數(shù)也受到限制（如32×32），擴(kuò)展性也受到限制（反射鏡是端口數(shù)的平方）。

于是，人們轉(zhuǎn)而發(fā)明了三維光路。三維MEMS光開關(guān)包含兩個(gè)由二維微反射鏡組成的方陣，每個(gè)微反射鏡都具有兩個(gè)自由度，能沿著兩個(gè)維度的軸多角度地精確旋轉(zhuǎn)，微反射鏡和光纖不需要束縛在一個(gè)平面位置內(nèi)，因此只需要在N個(gè)輸入光纖和N個(gè)輸出光纖之間使用2N個(gè)微反射鏡，就能實(shí)現(xiàn)N×N矩陣化光開關(guān)功能[9]。在保證低的插入損耗（縮短了光程）的前提下，可以達(dá)到幾千個(gè)端口，目前已知所報(bào)道的端口數(shù)量達(dá)到1 152×1 152甚至更高。

2.2 循環(huán)陣列波導(dǎo)光柵

與空分光開關(guān)（如MEMS）不同，循環(huán)陣列波導(dǎo)光柵（CAWG）是基于波長的交換器件。1988年荷蘭Delf 大學(xué)M. K. Smit教授將相位波導(dǎo)光柵（AWG）用于波分復(fù)用和解復(fù)用。1991年貝爾實(shí)驗(yàn)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(huán)陣列波導(dǎo)光柵（CAWG），目前有32×32 CAWG商用產(chǎn)品，以自由譜寬度為周期，每端口可以支持32個(gè)波長（或32倍數(shù)），端口數(shù)可進(jìn)一步增加（如80×80）[10]。

但是，CAWG基于角色散原理，需要與可調(diào)諧波長變換器（TWC）配合，才能實(shí)現(xiàn)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(tài)是由波長變換器所決定的。

2.3 波長選擇開關(guān)

與單純的空分光開關(guān)（如MEMS）或頻域光開關(guān)（如CAWG）不同，波長選擇開關(guān)（WSS）能夠同時(shí)支持基于空間端口的任意波長的動(dòng)態(tài)配置，即具有波長選擇的空間交換能力?？梢哉f，WSS的發(fā)明是光交換技術(shù)的一次偉大創(chuàng)舉，為光聯(lián)網(wǎng)帶來了更多的靈活性。

WSS的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要有3種。2005年，CoAdna公司在美國光纖通信會(huì)議上推出基于液晶（LC）的WSS；2008年，F(xiàn)inisar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(guān)。此3公司分別采用不同的技術(shù)方案推出波長選擇開關(guān)，成為波長選擇開關(guān)的3個(gè)代表性技術(shù)[7， 11]。

（1）基于MEMS技術(shù)的WSS

WSS的工作原理與光學(xué)成像原理相當(dāng)。結(jié)構(gòu)上由兩個(gè)成像子系統(tǒng)組成：其一，位置和角度之間的轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，它將輸入和輸出的光束位置陣列轉(zhuǎn)換為成像于共聚點(diǎn)的傾斜角光束。其二，空間色散分波子系統(tǒng)，它通過分光器件（如衍射光柵）實(shí)現(xiàn)波長的分離。

基于MEMS技術(shù)的WSS是建立在MEMS光開關(guān)的基礎(chǔ)之上的，分開后的各種波長的光束經(jīng)透鏡聚焦后入射到透鏡焦平面上的MEMS微反射鏡上，每一個(gè)微反射鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)波長，轉(zhuǎn)動(dòng)微反射鏡即可控制N束信號(hào)和M個(gè)波長之間的任意交換。

（2）基于液晶技術(shù)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(tài)為混合偏振態(tài)，經(jīng)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(tài)旋轉(zhuǎn)π/2，與另一束線偏振光的偏振態(tài)相同，再經(jīng)過準(zhǔn)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(duì)應(yīng)，利用液晶控制其偏振態(tài)是否改變?chǔ)?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(shí)現(xiàn)兩個(gè)出射通道的選擇，即實(shí)現(xiàn)1×2 WSS。增加液晶盒和棱鏡的組合（N組堆疊），可以實(shí)現(xiàn)1×2N多端口WSS。

（3）基于硅基液晶技術(shù)的WSS

雖然都用到了液晶技術(shù)，但LCOS的原理與上述LC完全不同。LCOS是LC和半導(dǎo)體相結(jié)合的顯示技術(shù)，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(gè)液晶單元反射的光，其相位可通過所施加的電壓進(jìn)行控制（原理上相當(dāng)于相位陣列波束調(diào)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(shí)現(xiàn)1×N多端口WSS。

由于不同波長的光束在LCOS芯片上的不同區(qū)域發(fā)生反射并被單獨(dú)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(kuò)展方法

矩陣光開關(guān)的端口數(shù)雖然很大，但仍然是有限的，不能滿足節(jié)點(diǎn)處理容量增長的要求，可以將若干矩陣光開關(guān)進(jìn)行組合，即進(jìn)行擴(kuò)展，等效地實(shí)現(xiàn)更大容量的光交換結(jié)構(gòu)。

交換結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展必然要遵循一定的規(guī)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(guī)則是多級(jí)網(wǎng)絡(luò)互連理論，如典型的三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)和多級(jí)Benes網(wǎng)絡(luò)等。需要注意的是光交換與電交換的差異所在。

首先，光開關(guān)的種類更多，如空分和頻分等；其次，光開關(guān)的損耗不均勻性；第三，光開關(guān)是相對(duì)透明的；第四，光開關(guān)的切換時(shí)間有快有慢，常有拖尾或抖動(dòng)現(xiàn)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(kuò)展方法的一些變化。

3.1 MEMS光開關(guān)的擴(kuò)展

MEMS光開關(guān)是典型的矩陣光開關(guān)，其單播擴(kuò)展方法與電交換結(jié)構(gòu)的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展方法（如3級(jí)Clos）完全相同，無阻塞條件也完全相同。

然而，組播擴(kuò)展上出現(xiàn)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(huì)帶來額外耗損。如果將交換結(jié)構(gòu)抽象成數(shù)學(xué)上的排列，顯然，單播只是組播的一個(gè)子集，組播的擴(kuò)展更加復(fù)雜。3級(jí)網(wǎng)絡(luò)的組播擴(kuò)展成本高，4級(jí)網(wǎng)絡(luò)的組播擴(kuò)展成本降低，其中，第2級(jí)和第4級(jí)具有組播能力（組播光開關(guān)），而第1級(jí)和第3級(jí)不需要支持組播（如MEMS），簡稱為“4（2m）”級(jí)組播網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

可以證明廣義無阻塞和可重構(gòu)無阻塞“4（2m）”級(jí)組播網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度都是O（N 3/2），比2級(jí)組播的3級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)低，后者為O（N 2）。因此“4（2m）”級(jí)網(wǎng)絡(luò)通常具有更好的可擴(kuò)展性[12]。

3.2 CAWG擴(kuò)展方法

CAWG交換結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展也是從Clos交換網(wǎng)絡(luò)理論出發(fā)，建立CAWG交換結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)Clos網(wǎng)絡(luò)之間的等價(jià)關(guān)系，在引入波長變換器的情況下，3級(jí)的CAWG交換結(jié)構(gòu)如圖2所示[13]。但是，CAWG的端口受限于平面波導(dǎo)回路，有必要進(jìn)行模塊化的分解，實(shí)現(xiàn)CAWG交換網(wǎng)絡(luò)的模塊化構(gòu)造[14]。

3.3 WSS擴(kuò)展方法

WSS同時(shí)具有空分和波分的交換功能，其擴(kuò)展方法可以直接采用級(jí)聯(lián)串接的方式，本文從略。

4 大容量光交換的應(yīng)用

大容量光交換技術(shù)仍在發(fā)展之中，目前并無成熟大規(guī)模商用。令人欣喜的是，大容量光交換在一些應(yīng)用場合中展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

4.1 MEMS的應(yīng)用

數(shù)據(jù)中心是云計(jì)算時(shí)代的代表性技術(shù)，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量越來越多、規(guī)模越來越大，服務(wù)器數(shù)量會(huì)達(dá)到上萬臺(tái)之巨，全球數(shù)據(jù)中心普遍面臨著高能耗的問題。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)普遍采用胖樹或類似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。研究表明，在交換機(jī)胖樹拓?fù)渲?，同時(shí)增加基于MEMS的動(dòng)態(tài)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(jī)的數(shù)量、布線、成本和電力的消耗。同時(shí)可以滿足交換機(jī)之間的高帶寬。

圖3是其中的一種結(jié)構(gòu)。由于光交換具有傳輸時(shí)延小、傳輸信道獨(dú)占等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)將具有重要的利用價(jià)值[15]。

4.2 CAWG的應(yīng)用

2012年3月，OFC會(huì)議上演示了一種光子交叉連接系統(tǒng)原型機(jī)（PPXC），它結(jié)合了突發(fā)模式的快速調(diào)諧和8080 CAWG矩陣，該矩陣將兩側(cè)電交換機(jī)連接在一起，形成一個(gè)Clos矩陣，可以證明，這是一個(gè)多級(jí)、無阻塞交換矩陣，最大可擴(kuò)展至帕比特每秒量級(jí)?；贑AWG與可調(diào)諧激光器快速光交換的大型結(jié)構(gòu)如圖4所示[16]。2012年9月，光子交換（PS）會(huì)議上報(bào)道了一種分組和電路集成的光交換，它采用一個(gè)CAWG和若干快速可調(diào)諧激光器線卡，可以在分組交換和電路交換之間無縫演化?；贑AWG與可調(diào)諧光激器模塊的光分組與電路融合光交換結(jié)構(gòu)如圖5所示[17]。

4.3 靈活波長柵格的應(yīng)用

業(yè)界正在研究波分復(fù)用的靈活波長柵格，在ITU-T G.694.1中定義為12.5 GHz的整數(shù)倍，研究表明，與現(xiàn)有固定波長隔系統(tǒng)相比，靈活波長柵格系統(tǒng)的容量或總帶寬利用效率可以提高20%～50%左右。

為了應(yīng)對(duì)從固定波長間隔到靈活波長柵格的發(fā)展，F(xiàn)inisar公司采用了硅基液晶LCOS技術(shù)，推出可實(shí)現(xiàn)通道中心頻率和通道帶寬動(dòng)態(tài)控制的Flexgrid技術(shù)——WaveShaper，支持可編程的通道譜形，起始調(diào)節(jié)量為10 GHz，步進(jìn)量為1 GHz，可以滿足運(yùn)營商對(duì)于下一代網(wǎng)絡(luò)中帶寬靈活的ROADM的需求。

5 結(jié)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(jié)構(gòu)、擴(kuò)展方法、典型應(yīng)用等。同時(shí)，光交換仍面臨技術(shù)路線的選擇與需求上的挑戰(zhàn)，也許大容量光交換的問題需要同時(shí)利用光和電的技術(shù)，才能找到一條正確的發(fā)展之路。

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