引言
     John Donne在1623年沉思第17篇《緊急時刻的祈禱》中 說到：“沒有人能自全， 沒有人是孤島...”。人類在相互隔 絕時很難強盛，這句話凸顯了溝通的重要性。早在遠古時代 就有了光通信，從狼煙到信號燈、標記以及旗語。
現代光通信的涌現得益于相干光源(激光)的調制技術和傳輸介質(光纜)。以模擬帶寬表示，1nm波段在1300nm時 相當于178GHz，1500nm時為133GHz。所以，光纜的可用帶 寬總計接近30THz。對于應用廣泛的鍵控調制，其理論帶寬 效率為1bps/Hz，如果不考慮光纜的非理想因素，即可達到30Tbps的數字帶寬。
由于光纜潛力巨大，以絕對優勢代替銅纜作為首選的 傳輸介質，大幅提高傳輸過程的單鏈路帶寬。如圖1所示， 過去十年見證了網絡模式從定向連接通信到以寬帶IP為中心 的包交換數據傳輸的轉變。所有這些流量都受到寬帶應用的

圖1  全球IP流量增長預測。
數據來源于Cisco報告(Cisco  Visual  Networking  Index:Forecast and Methodology 2013–2018)推動，這些應用造成光纜長距離通信領域數據率永無止境的
增長。此類寬帶應用的有效性在不明顯增加運營成本的前提 下快速、可靠地傳輸數據。這也迫使研究人員不斷創建新的 技術，調整碼率、協議及格式，以支持高速網絡的性能擴 展。隨著現代化網絡在規模和復雜度上的擴充，涌現出了許 多新技術，以支持最基本的網絡功能并有效利用光纜潛力： 路由、交換以及多路復用。

1 透明傳輸
網絡透明性可根據物理層參數(例如帶寬、信噪比)進行 定義；也可以是對光信號的測量，而不是在光電轉換進行。 透明性也指系統支持的信號類型，包括調制格式和碼率。綜 合以上因素，全光網絡(AON)的透明傳輸通常定義為在整個 網絡中信號始終保持在光域的網絡。透明傳輸網絡由于其靈 活性和較高的數據率而極富吸引力。相反，如果一個網絡要 求其網絡節點了解底層的分組格式和碼率，則該網絡就不是 透明的。缺乏透明性是當前網絡的一項緊迫問題，因為在電子

圖2  2D MEMS開關示例
域 處 理 數 據 流會 造 成 較 大 的 光 - 電 帶 寬 不 匹 配 。 目 前 的 單 波 長 帶 寬 為1 0 G b p s  ( O C -192/STM-64)，不 遠 的 將 來 可

圖3  由超聲波產生衍射光柵
能超過100Gbps (OC-3072/STM-1024)。隨著數據速率不斷攀 升，電信號處理很難趕上光子速率，尤其是器件尺寸正快速 接近量子極限。此外，高速電信號傳輸要求昂貴的基礎設施 升級改造。任何網絡升級都要求更換所有的淘汰設備(“叉 車式升級” )， 并涉及到大規模檢修已有的基礎設施。 然 而，AON的數據率僅受限于端站能力，從而避免了這一問 題。所以，鏈路升級不要求更改核心設備，運營商能夠更加 容易地升級網絡，滿足客戶要求、提升服務。
設備實施技術的進步使得AON成為可能，其中某種輸 入波長的光信號可傳輸到輸出鏈路時，波長相同，無需轉換 到電子域。這些AON網絡信號的碼率可以不同，因為在核 心網上沒有端點。這種碼率、格式以及協議的透明性對下一 代光網絡極其重要。

2  交換技術
根據實施技術的不同，光交換可廣義分為不透明和透 明傳輸兩種。不透明交換也稱為光交叉連接(OCX)，將輸入光信號轉換為電子形式。然后利用交換結構以電子形式實現交換， 將產生的信號在輸出端口再轉換回光形式。將信號轉換到電 子域具有多種優勢，包括再生、自由波長轉換以及更好的性 能和故障管理。然而，光-電-光(OEO)轉換為上述非透明交 換帶來了困難。透明交換也稱為光子交叉連接(PCX)，不進行任何OEO轉換。這就允許其功能與數據類型、格式或速率無關，盡管 僅限于一定波長范圍內，即所謂的通帶。切實可行的PCX技術應在交換速度、消光比、擴展性、插入損耗(IL)、偏振相關損耗(PDL)以及功耗等方面表現出優越性。
微機電系統(MEMS)是實現光交換的強大途徑，因為 MEMS系統在單晶片上獨特地集成了光、機械以及電子元 件。MEMS開關使用的微鏡能夠將光束重新定向到對應端 口。MEMS使用的執行結構有所不同：靜電與靜磁式、閉鎖 式與非閉鎖式。還可進一步分為2D或3D MEMS。2D開關更 容易控制、容限較嚴格，但由于光損原因不容易擴展。3D開關允許在兩個軸上移動，提高了擴展性，所以容限嚴格得 多。由于射束發散性(約3dB)，MEMS開關容易產生較高的 IL，開關時間較慢(ms)、要求較高激勵電壓/電流，以及非 閉鎖配置的功耗較高(約80mW)。圖2所示為2D MEMS開關 的一個例子。
聲 光 (AO)開 關 使 用 在 晶 體 或 平 面 波 導 中 傳 輸 的 超 聲波，將光從一個通路反射到另一個通路，如圖3所示。機械 振動使材料內部產生規則的受壓區或張力帶。在大多數材料 中，這種壓縮或張力造成折射率變化。折射率的周期性變 化形成一個衍射光柵，使入射光產生衍射。通過控制超聲 波幅值和頻率，即可控制被衍射光的總量和波長。AO開關 處理較高的功率水平、具有合理的IL(約3dB)和開關時間(約
40μs)，但隔離(約-20dB)和功率效率較差，以及存在固有的波長相關性。
電-光(EO)開關利用了材料在所加電壓變化時物理特性 發生變化的優點。這些開關使用了液晶、交換波導布拉格 (Bragg)光柵、半導體光放大器(SOA)和LiNbO3。圖4所示的 EO開關利用LiNbO3使材料的折射率隨場強發生線性變化。 根據變化形式的不同，此類EO開關的開關時間為1ns - 1ms， 隔離為-10 - -40dB，IL范圍從不到1dB至10dB。然而，其中大 多數開關具有很強的波長相關性，有些不要求較高的驅動電 壓。
基于半導體光放大器(SOA)的開關也存在有限的動態范圍，潛在地產生交調和互調。熱-光(TO)開關基于波導的熱- 光效應或材料的熱效應 。干涉式TO開關對干涉儀一條橋臂 的材料進行加熱，相對于另一橋臂產生相移。該過程造成兩 個光束在重新組合時產生干涉效應。數字式TO開關利用 硅片兩個波導的相互影響， 如 圖 5 所 示 。 對 材 料 加 熱 造 成波導折射率

圖4  使用LiNbO3晶體的EO開關    

圖5  數字式TO波動開關

圖6  Sagnac開關實現方法概覽  

圖7  Sagnac開關實現方法概覽
差，從而改變輸出端口的選擇性。盡管PDL性能優異，由于 加熱過程，數字式TO開關功耗較高(約70mW)，開關時間較 慢(ms)。
磁-光(MO)開關基于偏振光的法拉第效應，光以施加磁 場方向通過磁光材料時，會產生法拉第效應。電磁波偏振 的變化是間接控制其正交分量相對相位的方法。實現方法之 一是利用磁光材料中的法拉第效應，即將偏振態旋轉θ F (法 拉第轉角)。磁-光開關利用干涉儀將這種相位調制轉換為調 幅；這些開關的明顯優點是可以處理較高功率。盡管之前已 經做了一些工作來研究這些類型的開關，但由于缺乏高質量 的MO材料，阻礙了進一步發展。鉍取代鐵榴石和正鐵氧體 領域的最新進展已經產生了具有高MO品質因數、較低IL、 超寬頻帶，并且施加較小磁場即可產生更大旋轉的材料。

3 新技術、新成果
作者之前已經提出了馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)，基于 光纖的MO開關，使用鉍取代鐵榴石(BIG)作為法拉第旋轉 器(FR)。盡管新開關設計顯示出優良的性能并且兼容當代的 光網絡元件，但由于干涉儀通路上存在不可避免的不匹配， 消光比較低。
為了解決基于光纖的MZI開關的缺點，最近提出了集成 版本，并正在緊張開發中。在調研的同時，提出了一種塞 格納克(Sagnac)干涉儀配置，其中將BIG FR安裝在光纜回路 中，如圖6所示。利用混合耦合器將線性偏振輸入波(E1+)分為兩個幅值相等、相差90°的對向傳播波(E3-、E4-)。將這兩個波注入Sagnac環路，隨后到達FR。然后FR將其偏振態旋 轉法拉第轉角θ F，該轉角與應用至FR的磁場強度成比例， 然后再回到耦合器(E 3+、E 4+)。 由于法拉第旋轉的不可逆 性，兩個對向傳播波經過大小相等、方向相反的旋轉(即， θ F 和-θ F)。利用瓊斯計算法將其體現在(式1)和(式2)中， 其中Ex和Ey分別為入射波的x和y分量；T為透射系數；φ 為 Sagnac環路長度引起的相位變化。
假設端口2沒有輸入波，那么干涉儀端口的輸出可表示 為(式3)。未施加磁場時(θ F = 0°)時，輸入波返回到端口1 的相移為90°。如果施加足夠大的磁場(θ F  = 90°)，將輸 入波重定向到端口2。

假設端口2沒有輸入波，那么干涉儀端口的輸出可表示為(式3)。未施加磁場時(θ F  = 0°)，輸入波返回到端口1的 相移為90°。如果施加足夠大的磁場(θ F  = 90°)，將輸入 波重定向到端口2。如圖7所示，磁場密度為3.58kA/m時，開關時間達到700ns，遠遠優于MZI開關(12.7kA/m時為2μs)。然而，仍然 可以改進，因為原理上可達到的開關速度取決于磁疇壁的速 度，而后者已經測得可達到10km/s數量級。
改進開關性能的可能方法包括采用不同的線圈結構和 驅動器配置。作者最近已經提出了這兩種概念，并且取得了 非常可喜的成果，證明上升時間可縮短至77ns，下降時間縮 短至129ns。

5  結束語
文 章 總 結 了 現 代 光 通 信 系 統 的 發 展 趨 勢 和 存 在 的 問 題。執行基本功能(路由、交換及多路復用)的透明網絡元件 是實現更可靠、擴展性強、互聯性強光網絡的關鍵。文章還 介紹了用于全光通路的小規模、高速交換技術的最新進展。 展示了美國愛荷華州立大學(Iowa State University)最新設計的 交換技術試驗結果。