高速网络中的交换技术

　　四、与光技术的结合

　　电路交换技术与光交换技术在本质上极为相似，因此随着速率的增长，自然而然引入了光传输技术，通过光电转换技术，实现了高速交换，极大地扩展了带宽。分组交换技术虽然在本质上与光交换技术差异极大，但现在的高性能路由器中也已采用了光技术，线卡与交换部分一般都采用光连接。

　　高速线卡设计是决定高怀能路由器背板交换速率的一个关键因素。科研试验中，Siemens公司设计的Tbit/s路由器已实现80x40Gbit/s的背板交换速率，其线卡速率为40Gbit/s。Nortel公司已实现80x80Gbit/s的背板交换速率，其线卡速率为80Gbit/s。另一个决定高性能路由器背板交换速率的因素是光的密集波分复用技术(DWDM)。Alcatel公司实现了在单一光纤上传输速率达10.2Tbit/s(256x40Gbit/s)的最新世界纪录。Tbit/s路由器多采取"波长交换和IP路由的综合路由交换"系统方案。该方案是按照多速率颗粒度和节点直通/上下路流量的基本思想设计的。这一方案将波长路由与IP路由结合，根据不同的信息颗粒度，分别进行光和电的路由，实现Tbit/s路由交换系统。可见光技术的进步在提高路由器的交换速度方面起了极为重要的作用。

　　五、光交换技术

　　长期以来，高速全光网的梦想一直受到交换问题的困扰。因为传统的交换技术需要将数据转换成电信号进行交换，然后再转换为光信号传输。虽然传统的交换技术与光技术结合，在带宽和速度上有十分积极的意义，但是其中的光电转换设备体积过于庞大且费用昂贵，因此自然地呼唤光交换技术。目前光交换技术发展主要有以下几种：

　　1、微电子机械系统(MEMS)的光交换机

　　目前商用的自由空间光交换系统有很多不同的构成形式，其中最通用的是电光和光机械两种。基于同电子机械系统(MEMS)的光交换机在集成规模、产换吞吐量、交换速度等方面具有无可比拟的优越性，因而成为目前研究的热点。微电子机械光开关是机械开关的原理，但又能像波导开关那样，集成在单片硅基底上，因此兼有机械光开关和波导光开关的优点，同时克服了它们所固有的缺点。基于MEMS的光交负机在入口光纤和出口光纤之间使用微镜阵列，阵列中的镜元可以在光纤之间任意改变角度来改变光束传输方向，达到实时对光信号进行重新选路的目的。当一路波长光信号照到镜面时，镜面倾斜以便将其导引到某一特定出口光纤中，从而实现光路倒换的目的。基于MEMS技术的8x8光交换芯片尺寸可以做到1cmx1cm大小，需要的电压为80V，最高交换速度为400us，最小插入损耗为3dB，隔离度在60dB以上。2000年OFC2000会方式上报道的MEMS型OXC(光交叉连接器)用2组2轴微镜和一个反射镜组成112x112光交叉连接器，容量达35.8Tbit/s(112x320Gbit/s)，交换速度小于10ms，插入损耗为7.5+2.5dB，信号串扰低于-50dB;微镜数量2N倍光口，总尺寸10cm，工作波长1525-1565nm。

　　2、无交换式光路由器

　　自由空间光交换除了硅微电子机械MEMS技术以外，还有一种使用空间衍射光栅技术的所谓无交换光路由器，也称作无交换光交叉连接器。它使用具有波长发射和控制功能的交换功能模块取代了传统的外围光开关交换网络。其关键模块是一种自由空间色差校正(aberration-corrected)凹面光栅，通过它将入射光纤阵列中的波长信道进行发散，灰后再聚集到出射光纤阵列中相互独立的单路光纤上，就可实现91x91的波长路由器功能。由于它没有传统的交换设备，所以称其为地交换型波长路由器。该路由器使用的自由空间校色差凹面光珊，其凹面经过特殊设计，不但能够使输入光纤阵列的入射光束发生衍射分光，而且能够将衍射光原路汇聚到出口光纤阵列中。长期以来，衍射光栅都以它低串扰、高解析度而被广泛应用于各种光谱仪和分光仪中，但由于要求它必须能够将不同谱元素在空间进行严格分离而不是仅仅进行谱分解，所以要真正实现灵活的色差控制也并非易事。由于光栅是一种两维设备，任何串扰或散射光都是按照一个固定的夹角而均匀分布的，这样可以大大降低不必要的光功率损耗。自由空间衍射光栅型路由器可以进行大规模集成。

　　3、阵列波导光栅路由器

　　AWG(Array Waveguide Grating)集成阵列波导光栅是一种平面光波回路的无源器件，其结构为将一个阵列波导光栅与输入输出波导阵列、聚集平板波导集成在同一块衬底上。构成阵列波导光栅的是许多长度按L线性递增(即各路光波的相位差恒定)的光臂，可实现波分复用与解复用以及静态波长路由功能，并且具备双向传输的特性。WDM信号从一端口输入，经一入射波导到达聚集平面波导，被衍射产耦合到各阵列波导中，各路光经不同的相位延迟后在出射波导端合成不同波长的光波。如果输入端只有单路的多波长信号，则构成1xN的解复用器，如果输入端为M路多波长信号，购构成MxN的路由器。

　　所以说，AWG是一种光栅型的波长路由器，具有双向性，即一个方向输入为解复用方式，则另一个方向输入为复用方式。波导光栅路由器(AWG)利用热光效应实现上/下波长的可调谐性。