互动科普

由纯光交换机取代电子交换机将成为使网络的传输速率达每秒太比特的技术关键

 19世纪．扩展蓬勃发展的铁路网络的压力十分紧迫，以至于连接两地的铁路尚未完全竣工，火车就不得不开始运送旅客。铁轨的铺设通常先于横跨主要河流的桥梁的建设。这样，铁路就被河流中断。旅客要乘船渡河，然后再换乘火车继续他们的旅程。这个令人乏味的过程限制着两地之间人员，货物的运送速度。当桥梁修好之后，旅程时间缩短好几个小时。这种趋势直到现在仍在继续：英吉利海峡隧道的开放大大节省了英法之间的旅程时间。

 今天，相同的情况发生在光网络领域。数据在连接两地的光纤中传输，然而，为网络中的信息流转换信道的交换机却如同19世纪的渡船。交换机用电信号而不是光信号，因此，当信息流从一条路径转移到另一条路径时，语音、视频和数据的传输必须离开光高速通道进入低速的交换中来自光纤的光信号必须转换成电子流通过交换机，然后又转换成光信号继续在另一光纤中传输，这个过程既耽误时问又增加费用。

 这种光一电一光转换在另一个问题的困扰下f益恶化。这个问题被称作电子瓶颈，由电子学和光子学技术发展不同步引起。当电子学不断发展时，光子学以更快的速度发展着因此最快的处理器也来不及处理涌向电子交换机的比特流。

 因此，在下一代电信网络中，用光纤往两地之间远距离传输信息将不能满足需求，必须采用光变换以避免在网络中产生类似“渡船”的光电转换过程。为了满足这种需求，运用微反射镜、液泡和其它新技术制成的光交换机应运而生。交换机是网络中非常重要的一部分。亚历山大·格雷厄姆·贝尔发明电话时，他只有一条与助手托马斯-沃特森相连的直接热线。随着电话的普及，电子信号需要转接到多条通道中。最初，由电话接线员手工完成随着电子机械继电器的出现，自动交换机诞生了。今天的电话交换机和被称作路由器的数据交换机实质上是特殊的计算机，为传输的信息分配信道，不管这些信息是话音、视频还是数据文件(信息)构成的数据包。

 与此对比，光交换预示着电信网络设计的一个根本性改变。单一波长的信息流意味着交换机不能为光纤中每秒几兆甚至几太比特(1太等于1012)的单个电话或电子邮件信息指定路由。因此，在每根光纤中设置几十或几百个波长的信道，每个波长容纳几千个电话或几吉(1吉等于l09)的数据信息，光交换机把它们传输到几百根输出光纤中的一条或几条。换句话说，光波长本身没有被转换。然而加载在原光波长中的信息会带着原有的特征信息，以不同的波长在输出光纤中传输。只有当电话和数据包到达目的地附近时，才用电子处理器将它们单独地转换。随着光子技术的发展，也许有一天这些交换机能避开电子技术(参见本期《光分组路由选择》一文)。

 每秒太比特

 与此同时，交换整个光纤或光纤中单个波长的方法将是非常困难的。被称为交叉连接的光波长交换机，必须为输人的光波长分配到任何可用输出光纤的路由。这个过程起初看起来并不困难，毕竟，任何时候电话用户想呼叫城市内另一个电话号码时，电话交换机可高效率地完成这个过程。但是．光纤有更大的通信量：一个拥有100个输人光信道，每个信道载有10吉比特信息的光交换机，处理速度将达到每秒太比特。

 直到最近，光交换机也不能容纳这个容量。早在1992年，贝尔实验室——朗讯科技公司的研究开发中心．演示了一个由铌酸锂制成的光交换机，它能容纳16根输人光纤并将它们分配到16根输出光纤中最近，贝尔实验室又测试了一个48输入／48输出的光交换机这类交换机的输人输出信道太少，只适合于最有限的正在涌现出来的光网络应用。

 今天，许多公司运用MEMS(微电子机械系统)技术，采取了截然不同的方法制造光交换机。MEMS是一种设备加工的新方法，用MEMS技术制造的微型机械在各个领域广泛运用并呈增长态势，如电信业、汽车制造业航天家用电器以及其它领域。它们实质上是一个机械的集成电路。MEMS技术运用了类似于制作大规模集成电路的平版印刷和蚀刻工艺在MEMS中，氧化层被蚀刻掉从而雕刻出器件的结构元件。然而，在平版印刷工艺中，不是制作出晶体管，而是制作一些尺寸几十或几百微米的器件，这些器件可在电信号的指引下运动。

 Lucent和诸如Optical Micro Machines，Calient Networks，Xros(现在是Nortel Network的一部分)这样的公司已经选择MEMS来制造光交换机．这是因为MEMS能制出体积小，价格便宜并能与超大规模集成电路合为一体的器件。最重要的是MEMS能制造坚固、耐用．能大量集成在硅晶片上的微型器件这种技术也特别适合于光学应用，因为它容易满足扩大和重构通过交换机的信道通路数目的要求。

 为了引导一定的波长在网络通路中传输，MEMS交换机利用多个放置位置不同的微反射镜，每个镜子被一根光纤中一个或多个载有信息流的波长照射。在一种MEMS交换机中，这些微小镜子从上到下或从一边到另一边斜置着，使得256根输人光纤中的任一波长能被传输到256根输出光纤中的任何一根。

 为了理解光交换机如何工作，想象坐在有许多窗子的房间里。如果阳光从一个窗子射入，同时房间里有一个可移动的镜子，操纵这个镜子就能使阳光从任何一个其它的窗子反射出去。MEMS交换机的工作原理是，一定波长的一束光子从输入端口照射到一连串MEMS微反射镜上，微反射镜再将其反射到多个输出端口中的一个(这取决于依据期望选取的信道通路)。

 更具体地说，交换机处理器中的软件判定输入的光子流该往何处去。它发送一个信号到芯片表面的一个电极，产生一个电场使镜子倾斜。输入的光波被过滤成各种单一波长，每种波长的光照射到256个倾斜输入反射镜中的一个，并被反射到另一个反射器上，该反射器再将其反射到输出微反射镜上，然后引导此波长进入另一根光纤中。整个过程只需几毫秒，足以满足最苛求的交换操作。

 MEMS方法的最大优点足用它制作的单个交换元件的尺寸非常小MEMS交换机中的每个微反射镜的直径是半毫米，大约与大头针尖一样大。镜之问相隔l毫米，所有256个镜子制作在一块25厘米见方的硅片上整个交换机大约有一个葡萄柚那么大。由微反射镜构成的光交换机和具有同样多元件的电子交换机，其元件密度之比为32：l同时，由于没有必要进行信号处理或光电转换，这样的交换机的耗电量只有电子交换机的百分之一。

 标准的硅电路生产工艺使得此项技术在经济上很划算，同时，硅反射镜比金属反射镜具有更好的稳定性一种制造反射镜的新方法采用了自组装，-种类似于蛋白质分子中的氨基酸把自己合拢成三维形态的方法。在制造的最后阶段，硅片表面上的微弹簧放下微反射镜，同时每个微反射镜镜框把它们抬起并锁定在适当的位置，使它们距表面足够高，以便在一定范围运动。

 微反射镜阵列的设计要使每个输入微反射镜都对应一个输出微反射镜。这种方法有严格的机械要求，因为这些微反射镜必须倾斜不同的角度。但利用硅制造技术的结果，微反射镜十分坚实，不易偏出微反射镜阵列。同时高级控制算法能使各个反射镜被精确操纵。这种设计将促进大型交换机的制造。早期的铌酸锂交换机需要更多的交换元件，其数目是输入或输出线路数目的平方。这将使得交换机太笨重而不能设计成大型交换机。这与MEMS交换机所采用的简单结构大不相同。

 根据需求制造不同规摸交换机的能力对电信公司来说是非常重要的，电信公司必需能够满足不断增长的需求。2000年7月，第一台大型MEMS交换机Lucent Lambda Router问世。它可提供每秒l0太比特的变换能力，l0倍于因特网使用得最多的几个网段的通信量：其256个输入／输出信道中的每一个都能提供每秒320吉比特的传输速率，128倍于现在的电子交换机速度。最终，这样的交换机可能支持刚刚萌芽的拍比特(1拍等于l015)系统。

 MEMS以外的其它方法

 现在，从事MEMS技术的研究者比从事其它光变换技术的研究人员多，仅硅谷就有十现在，从事MEMS创业公司，但这决不意味着MEMS是唯一的方法。另一研究领域集中在光波导上。像MEMS一样、由波导制成的交换机采用许多简单的部件来控制光波的轨道咱使光波被传送到网络中其它传输通道。

 用标准的集成电路加工方法也能制造波导线路。波导线路类似于光纤，它由芯线和不同折射率的包层组成。折射率是物质折射光的能力的量度。适当选择两种材料的折射率可确保先在光纤中全反射。

 目前JDS Uniphase、Nanovaton、Lucent和其它一些公司正在开发的一种波导交换机采用热光效应：温度的变化改变光放的相位、从而为光波的传输选择路由。它是一个分成两条通道的光管，加热电阻引起一个分支管的温度变化，使光通道略微变长，从而波变通过其中的光的相位。当两个分支的信号重新汇合时，相值的变化使光被交换到两个输出端口中的一个。

 由于波导能制作在普通材料(如硅)的基片上，因此它们往往体积小，价格便宜且能批量生产。这些基片、称作晶片，能充当连结激光器和检测器的平台、检测器能传输或接收代表各个比特码的光脉冲。基片上集成多种多样的元件，能形成集成光路、这也是波导技术有时被称作硅光台的原因。

 目前出现了一种迷人的交换元件，它结合了光波导和喷墨打印机。尽管它看起来不像是一种可能的光交换机，但创造它的Agilent公司（惠普公司的让产易股公司）已经开始让怀疑者消除疑虑。

 吹泡技术

 这种交换机由二氧化硅波导和网状的交叉光管阵列组成，光管的交叉点上有一个小孔，孔中装有折射率与二氧化硅相同的液体位于其下的喷墨打印头能向孔中吹泡，使光弯曲而被传送到另一个波导中，如果没有泡，光会继续沿着原线路传递下去。这种交换机的核心是喷墨盯印机所采用的极端复杂的液体技术。

 液泡交换机具有体小、交换速度合理和光学性能优良等优点。然而，像其它的设计一样、工程师们在建造大型交换机时会遭遇困难，具有给定输入输出数目的交换机，需要大量的打印头将被送进小孔和从小孔中除去.一个有10个输入和10个输出的交换机，需要100个打印头。对于少量的交换连接，这种设计是可行的；然而对于网络设计师设想的几千个端口的交换机，看来是不切实际的。

 另一类交换机采用在数字手表和计算机显示器中常见的液晶。液晶由像“热狗”那样的细长分子团组成。这些分子视是否外加电场而改变自己的方位，这使得它们具有适合光变换的特性。

 当强电场加在微小的液晶上时，液晶在电场作用下朝向一个特定的方向。方位的变化致使通过其中的光波的偏振方向发生改变。交换机中的其它配件只让特定偏振方向的光进入指定的输出光纤中。

 液晶位于两块玻璃板间的小盒中，玻璃板上镀透明导电氧化膜充当电极。加在两电极之间的电压产生电场，使液晶分子的排列方向改变，从而使通过小盒的光的偏振方向改变。光再通过一个“滤光器”(一种依据偏振方向导光的复合晶体)，进入输出端口(见左图)。

 从历史上看，液晶器件受低转换速率和不良光学特性的影响。倒如，光偏振角度的一个微小的变化都将影响性能。最近的研究使这种影响减到最小，同时Corning和Chorum Technologies这样的公司有详细的发展计划。然而同其它的设计方法一样，建造大型的交换机是困难的，因为交换器件的数目与输入或输出数目的平方成比例，这使设计一个大型交换机很困难。然而，这种技术可能适合于制造可重新配置的多路复用器，即一种类似于交换机的器件，它允许某些波长被加载到网络上或从网络上下载。

 另一种光交换机利用光强度变化引起玻璃折射率变化的方法。日常生活中我们所熟悉的大多数光学现象是线性的。如果把更多的光照射到镜子上，镜面就会反射更多的入射光，房间的影象也更明亮。然而，具有非线性光学效应的物质，当光通过它时，它的性质会改变。当光照射到镜子表面时，这镜子变成透明的。

 玻璃光纤中存在非线性效应。一些光纤能被用于设计速度非常快的交换器件、能在千万亿分之一秒时间内改变它们的状态。光学环路镜实际就是一种干涉仪，两种光线在其中相互作用。

 在这种镜子中，一个光纤分光器把输入的光线分开。一种情况是，分开的两部分光线在环路中反向传播，经过环路后又重新结合在一起，并从输入光纤中输出。在其它情况下，当两条光线分开后，另一条附加的光线从环路的一端被送人。同时传输的几种光线的相互作用引起光强度的变化，使光纤的折射率改变，由此改变光波的相位重新结合的信号，相位已经发生变化，从单独的输出光纤中输出。

 总而言之，非线性光交换机需要非常窄的光脉冲，这种窄脉冲要有足够的能量以使光纤中的玻璃产生非线性效应。然而，把光放大器接入交换机中，可降低产生非线性效应的阈值。尽管非线性光交换机还没有实现商业化，但这项技术却展示了良好前景。

 以研究者目前对发展光交换的新材料和新工艺的极大兴趣看，电子在通信业中的作用正逐渐消亡。随着新的光学材料和系统的发展，光交换技术将继续快速发展。一些研究者甚至已经开始探索以全息图或声学材料充当交换器件。所有这些努力的驱动力就是完全消除电子瓶颈，为大容量光网络提供大型交换系统。这样将会实现电信业的梦想：一种几乎是无穷的带宽资源。