新型大容量光交换的关键技术和应用

　　为了实现更大容量的光交换，需要突破矩阵光开关的规模化"瓶颈"。微机电光开关（MEMS）、循环阵列波导光栅（CAWG）、波长选择开关（WSS）等具有多端口规模化特征，能够实现良好的模块化扩展，具有使交换容量倍增的潜力。MEMS、CAWG、WSS 在大型数据中心、大容量光交叉连接、灵活栅格光分插复用等系统的应用中具有独特优势和良好前景。

　　大容量光交换的需求来自于网络流量的迅猛增长，尤其是互联网流量的指数式增长。自从1993 年提出"信息高速公路"以来，引发了全球建设"信息高速公路"的浪潮，发展到今天，数据业务已经完全取代话音业务，成为网络的主导业务，网络视频、云计算、物联网等进一步加速了这一进程，至此，互联网流量以40%复合年均增长率增长。

　　随着2012 年又提出了"大数据时代"的来临，数据的价值更加丰富，数据的种类更加多样，进一步加剧了数据流量的"爆涨"。

　　网络节点的处理能力一直是"信息高速公路"的"瓶颈"，此问题已愈加突出，迫切需要研究和发展新型大容量的节点处理技术。学术界主要从两个方面进行了探索。其一，以分组交换为核心的集群式大容量路由器技术，不断地提高路由器的吞吐量，十余年来从吉比特每秒发展到太比特每秒量级，即将迈入帕比特每秒量级。其二，以电路交换为核心的大容量电交叉和光交叉系统，亦从吉比特每秒量级发展到太比特每秒量级量级，但从公布的数据来看，其最大容量仍落后于路由器。本文将对此两方面做简单回顾，然后，重点探讨后者的关键技术、大容量扩展方法与典型应用示例。

　　1 交换容量增长之路

　　为了应对互联网流量的指数式增长，业界一直没有停止追求大容量节点交换的努力，细分为3 条技术路径：路由器（IP）、光传送网（OTN）、光交叉连接（OXC），形成了你追我赶之势，如同"龟免赛跑"，强有力地推动了"信息高速公路"的发展进程，时至今日，仍未停歇。

　　（1）路由器

　　路由器是一种基于IP 分组的存储转发技术，是互联网的基石，自20世纪90 年代中后期发展以来，可谓进步神速。

　　2004 年，思科公司推出了电信级路由系统（CRS-1），因其创纪录的超大吞吐量而被收入《吉尼斯世界记录大全》。它基于集群方式，采用三级自路由Benes 架构，最多可以支持1 152 个40 Gb/s 的线卡插槽，是当时业界唯一可以扩展到92 Tb/s 的电信级路由系统。时隔6 年之后，2010年，思科又宣布推出CRS-1 的升级产品-- 新型运营商级路由系统（CRS-3），流量处理能力是其前身CRS-1 的3 倍多，最高可达322 Tb/s。

　　此时，中国的路由器研发生产能力也有了重大突破。2009 年，中国设备供应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 个100G 接口，最高交换容量可达200 Tb/s。2012 年，中国设备供应商推出的高性能核心交换机具备无阻塞三级CLOS 交换架构，业务板卡与交换网板正交设计，实现多级多平面交换，单槽位支持2T 带宽（可平滑演进至4T），整机容量提升至64 Tb/s 交换容量。

　　（2）光传送网

　　光传送网对各种高速传输的时分复用信号进行封装、交叉、分插、疏导和传输，是"信息高速公路"的基础性承载平台。

　　2007 年，中国设备供应商宣布推出OTN 产品，高端系统集成了可重构光分插复用（ROADM）、太比特统一交换、自动交换光网络/通用多协议标记交换（ASON/GMPLS）智能控制、100 Mb/s~100 Gb/s 全颗粒调度、10~400 Gb/s 高速传送等功能，单子架12.8 Tb/s 交叉的超大容量调度，未来可扩展至20 Tb/s+ 交叉。但是，总体上OTN 容量都不及路由器的容量322 Tb/s，相差一个量级。

　　（3）光交叉连接

　　光交叉连接直接在光层提供波长颗粒的透明交换，其发展历程可谓起伏曲折，在发明了三维微机电光开关（MEMS）之时发展到顶峰，最后演变成今天的多维度ROADM。

　　早在1999 年11 月，原朗讯公司以贝尔实验室技术-- 微机械光开关（MEMS）为基础，推出了256×256全光交叉连接--WaveStar LambdaRouter，是当时世界上第一个可商用化的全光交叉连接系统，作为当时光通信会展的一颗明星而轰动一时。

　　更轰动的事情是，2000 年，原北电网络公司收购了美国Xros 公司，利用两个相对放置的各有1 152 个微镜的阵列，推出了1 152×1 152 的大型三维MEMS 矩阵，以此为基础，推出了OPTera Connect PX 系统，以世界第一可商用系统展示了对光信号的全光交叉控制。

　　回顾当初，WaveStar 和OPTeraConnect PX 在试用阶段都颇受好评，但是，由于市场变化太快，随着互联网泡沫的破裂，整个通信行业都步入了低谷，设备厂商不得不停止了大规模OXC 生产，把力量集中在电交叉核心的大容量交叉设备（如OTN）。直到2008 年起，光通信市场明显复苏，产生了一种新型的小型化多功能光开关器件--波长选择开关（WSS），由此所构建的多维度ROADM 完全取代了OXC。目前，单个WSS 可支持96波长、23 个交换端口，相当于2 208×2 208 规模OXC。

　　以上分析表明，由于技术进步和市场驱使，第一条路径（路由器）明显顺畅和快捷，处理容量上居于领先地位。光通信领域的二条路径--OTN 和ROADM，都处于相对落后位置，发展之路波动曲折，迫切需要奋力追赶。

　　需要说明的是，现在OTN 和ROADM 合并为一条路径-- 广义OTN，它能够更好地将多粒度的灵活性和大容量的规模化两者相结合，在曲折之路上找到正确的发展方向，剩下的就是努力进步了。

　　2 大容量光交换的基石

　　可用于光交换的器件多种多样，工艺上有机械型、微机械型、波导型等，原理上有空间光学型、衍射光学型、导波光学型，物理效应上有电光型、磁光型、热光型、成像型等。因此，与电交换技术相比，光交换展示出技术的多样性，带来了学术研究的繁荣，但也增添了市场定型的困境。既然节点容量是网络"瓶颈"，多端口的光交换器件-- 矩阵光开关就是大容量光交换之基石。在此，本文选取3 种代表性多端口光交换器件予以介绍。

　　2.1 微机电光开关

　　MEMS 是矩阵光开关的一座高峰。如前所述，1999 和2000 年，人们将硅基微电机系统工艺技术用于矩阵光开关，它由一系列可转动的微反射镜组成，通过静电力或其他控制力使微反射镜发生机械转动，改变每一路输入光束的传播方向，从面实现矩阵光开关功能。

　　二维MEMS 微反射镜呈平面方阵排列，因高斯光束光程的限制，微反射镜的平面方阵数量受到限制，端口数也受到限制（如32×32），扩展性也受到限制（反射镜是端口数的平方）。

　　于是，人们转而发明了三维光路。三维MEMS 光开关包含两个由二维微反射镜组成的方阵，每个微反射镜都具有两个自由度，能沿着两个维度的轴多角度地精确旋转，微反射镜和光纤不需要束缚在一个平面位置内，因此只需要在N 个输入光纤和N 个输出光纤之间使用2N 个微反射镜，就能实现N ×N 矩阵化光开关功能。在保证低的插入损耗（缩短了光程）的前提下，可以达到几千个端口，目前已知所报道的端口数量达到1 152×1 152 甚至更高。

　　2.2 循环阵列波导光栅

　　与空分光开关（如MEMS）不同，循环阵列波导光栅（CAWG）是基于波长的交换器件。1988 年荷兰Delf大学M. K. Smit 教授将相位波导光栅（AWG）用于波分复用和解复用。1991 年贝尔实验室C. Dragone 将AWG的概念从1×N 推广到N×N ，称之为AWGR 路由器或循环阵列波导光栅（CAWG），目前有32×32 CAWG 商用产品，以自由谱宽度为周期，每端口可以支持32 个波长（或32 倍数），端口数可进一步增加（如80×80）[10]。

　　但是，CAWG 基于角色散原理，需要与可调谐波长变换器（TWC）配合，才能实现基于频域的空分光交换功能。CAWG 是无源光器件，不消耗能量，其交换态是由波长变换器所决定的。

　　2.3 波长选择开关

　　与单纯的空分光开关（如MEMS）或频域光开关（如CAWG）不同，波长选择开关（WSS）能够同时支持基于空间端口的任意波长的动态配置，即具有波长选择的空间交换能力。可以说，WSS 的发明是光交换技术的一次伟大创举，为光联网带来了更多的灵活性。

　　WSS 的实现技术主要有3 种。2005 年，CoAdna 公司在美国光纤通信会议上推出基于液晶（LC）的WSS；2008 年，Finisar 公司推出基于硅基液晶（LCOS）的WSS，支持可编程的通道组合；2010 年，JDSU 公司推出基于MEMS 的小型化波长选择开关。此3公司分别采用不同的技术方案推出波长选择开关，成为波长选择开关的3 个代表性技术[7, 11]。

　　（1）基于MEMS 技术的WSS

　　WSS 的工作原理与光学成像原理相当。结构上由两个成像子系统组成：其一，位置和角度之间的转换子系统，它将输入和输出的光束位置阵列转换为成像于共聚点的倾斜角光束。其二，空间色散分波子系统，它通过分光器件（如衍射光栅）实现波长的分离。

　　基于MEMS 技术的WSS 是建立在MEMS 光开关的基础之上的，分开后的各种波长的光束经透镜聚焦后入射到透镜焦平面上的MEMS 微反射镜上，每一个微反射镜对应一个波长，转动微反射镜即可控制N 束信号和M 个波长之间的任意交换。

　　（2）基于液晶技术的WSS

　　液晶具有双折射特性，与外加电场成正比，光轴随外加电场改变。来自于输入光纤的光束，其偏振态为混合偏振态，经过起偏器分离成两束相互垂直的线偏振光，让其中一束线偏振光通过半波片，使其偏振态旋转π/2，与另一束线偏振光的偏振态相同，再经过准直后入射到反射式光栅上。分波后的多光束通过聚焦透镜和反射镜聚焦到液晶上，液晶盒与每一波长的光斑位置一一对应，利用液晶控制其偏振态是否改变π/2，再配合偏振分束棱镜（如渥拉斯顿棱镜），使这两种情况下的偏振光线在传播方向上有一定的位移或者角度，从而实现两个出射通道的选择，即实现1×2 WSS。增加液晶盒和棱镜的组合（N 组堆叠），可以实现1×2N 多端口WSS。

　　（3）基于硅基液晶技术的WSS

　　虽然都用到了液晶技术，但LCOS 的原理与上述LC 完全不同。LCOS 是LC 和半导体相结合的显示技术，它在硅片上制作许多极度密集的液晶单元（不同于分立的液晶盒），从每个液晶单元反射的光，其相位可通过所施加的电压进行控制（原理上相当于相位阵列波束调向），从而控制反射光的反射方向，使反射光输出到指定的通道，一次性实现1×N 多端口WSS。

　　由于不同波长的光束在LCOS 芯片上的不同区域发生反射并被单独控制，因此，可以将任意波长和任意光谱组合切换到任意输出端口中，它具有通道均衡功能和可变带宽的光谱选择能力。

　　3 大容量扩展方法

　　矩阵光开关的端口数虽然很大，但仍然是有限的，不能满足节点处理容量增长的要求，可以将若干矩阵光开关进行组合，即进行扩展，等效地实现更大容量的光交换结构。

　　交换结构的扩展必然要遵循一定的规则和约束条件，其中，最根本的约束条件是无阻塞性，最根本的规则是多级网络互连理论，如典型的三级Clos 网络和多级Benes 网络等。需要注意的是光交换与电交换的差异所在。

　　首先，光开关的种类更多，如空分和频分等；其次，光开关的损耗不均匀性；第三，光开关是相对透明的；第四，光开关的切换时间有快有慢，常有拖尾或抖动现象存在；最后，光组播的处理方式是无源的，但有附加损耗等。上述差异也带来了扩展方法的一些变化。

　　3.1 MEMS 光开关的扩展

　　MEMS 光开关是典型的矩阵光开关，其单播扩展方法与电交换结构的多级网络扩展方法（如3 级Clos）完全相同，无阻塞条件也完全相同。

　　然而，组播扩展上出现了差异。由于组播需要用到分光器件，而分光的扇出比常难以灵活控制，分光也会带来额外耗损。如果将交换结构抽象成数学上的排列，显然，单播只是组播的一个子集，组播的扩展更加复杂。3 级网络的组播扩展成本高，4级网络的组播扩展成本降低，其中，第2 级和第4 级具有组播能力（组播光开关），而第1 级和第3 级不需要支持组播（如MEMS），简称为"4（2m）"级组播网络，如图1 所示。

图1 4 级组播网络（其中只有第2 级和第4 级有组播能力）

　　可以证明广义无阻塞和可重构无阻塞"4（2m）"级组播网络的复杂度都是O（N 3/2），比2 级组播的3 级Clos 网络低，后者为O（N 2）。因此"4（2m）"级网络通常具有更好的可扩展性。

　　3.2 CAWG 扩展方法

　　CAWG 交换结构的扩展也是从Clos 交换网络理论出发，建立CAWG交换结构和传统Clos 网络之间的等价关系，在引入波长变换器的情况下，3 级的CAWG 交换结构如图2 所示。但是，CAWG 的端口受限于平面波导回路，有必要进行模块化的分解，实现CAWG 交换网络的模块化构造。

图2 阵列波导光栅的多级网络扩展

　　3.3 WSS 扩展方法

　　WSS 同时具有空分和波分的交换功能，其扩展方法可以直接采用级联串接的方式，本文从略。

　　4 大容量光交换的应用

　　大容量光交换技术仍在发展之中，目前并无成熟大规模商用。令人欣喜的是，大容量光交换在一些应用场合中展现出了独特的优势。

　　4.1 MEMS 的应用

　　数据中心是云计算时代的代表性技术，数据中心的数量越来越多、规模越来越大，服务器数量会达到上万台之巨，全球数据中心普遍面临着高能耗的问题。

　　数据中心网络普遍采用胖树或类似的拓扑结构。研究表明，在交换机胖树拓扑中，同时增加基于MEMS的动态光交换，将电的分组交换和光的电路交换混合使用，可显著减少交换机的数量、布线、成本和电力的消耗。同时可以满足交换机之间的高带宽。

　　图3 是其中的一种结构。由于光交换具有传输时延小、传输信道独占等优点，在数据中心网络将具有重要的利用价值。

图3 混合光交叉和电交换的数据中心树型网络

　　4.2 CAWG 的应用

　　2012 年3 月，OFC 会议上演示了一种光子交叉连接系统原型机（PPXC），它结合了突发模式的快速调谐和80 80 CAWG 矩阵，该矩阵将两侧电交换机连接在一起，形成一个Clos 矩阵，可以证明，这是一个多级、无阻塞交换矩阵，最大可扩展至帕比特每秒量级。基于CAWG 与可调谐激光器快速光交换的大型结构如图4所示。2012 年9 月，光子交换（PS）会议上报道了一种分组和电路集成的光交换，它采用一个CAWG 和若干快速可调谐激光器线卡，可以在分组交换和电路交换之间无缝演化。基于CAWG 与可调谐光激器模块的光分组与电路融合光交换结构如图5所示。

图4 基于循环阵列波导光栅与可调谐光激器快速光交换的大型结构

图5 基于循环阵列波导光栅与可调谐光激器模块的光分组与电路融合光交换结构

　　4.3 灵活波长栅格的应用

　　业界正在研究波分复用的灵活波长栅格，在ITU-T G.694.1 中定义为12.5 GHz 的整数倍，研究表明，与现有固定波长隔系统相比，灵活波长栅格系统的容量或总带宽利用效率可以提高20%~50%左右。

　　为了应对从固定波长间隔到灵活波长栅格的发展，Finisar 公司采用了硅基液晶LCOS 技术，推出可实现通道中心频率和通道带宽动态控制的Flexgrid 技术--WaveShaper，支持可编程的通道谱形，起始调节量为10 GHz，步进量为1 GHz，可以满足运营商对于下一代网络中带宽灵活的ROADM 的需求。

　　5 结束语

　　本文主要介绍了3 种多端口光交换器件，分析了其工作原理、基本结构、扩展方法、典型应用等。同时，光交换仍面临技术路线的选择与需求上的挑战，也许大容量光交换的问题需要同时利用光和电的技术，才能找到一条正确的发展之路。

　　作者：胡卫生、孙卫强、肖石林