导言
John Donne在1623年深思第17篇《急迫时间的祈求》中 提到：“没有人能自全， 没有人是孤岛…”。人类在彼此隔 绝时很难强盛，这句话凸显了交流的重要性。早在远古时代 就有了光通讯，从狼烟到信号灯、符号以及旗语。
现代光通讯的出现得益于相干光源(激光)的调制技能和传输介质(光缆)。以模仿带宽表明，1nm波段在1300nm时 相当于178GHz，1500nm时为133GHz。所以，光缆的可用带 宽总计挨近30THz。关于运用广泛的键控调制，其理论带宽 功率为1bps/Hz，假如不考虑光缆的非抱负要素，即可抵达30Tbps的数字带宽。
由于光缆潜力巨大，以绝对优势替代铜缆作为首选的 传输介质，大幅前进传输进程的单链路带宽。如图1所示， 曩昔十年见证了网络方式从定向衔接通讯到以宽带IP为中心 的包交流数据传输的改动。一切这些流量都受到宽带运用的
图1 全球IP流量添加猜测。
数据来源于Cisco陈述(Cisco Visual Networking Index:Forecast and Methodology 2013–2018)推进，这些运用构成光缆长距离通讯范畴数据率永无止境的
添加。此类宽带运用的有用性在不显着添加运营本钱的条件 下快速、牢靠地传输数据。这也迫使研讨人员不断创立新的 技能，调整码率、协议及格局，以支撑高速网络的功用扩 展。跟着现代化网络在规划和杂乱度上的扩大，出现出了许 多新技能，以支撑最基本的网络功用并有用运用光缆潜力： 路由、交流以及多路复用。
1 通明传输
网络通明性可依据物理层参数(例如带宽、信噪比)进行 界说；也可所以对光信号的丈量，而不是在光电转化进行。 通明性也指体系支撑的信号类型，包含调制格局和码率。综 合以上要素，全光网络(AON)的通明传输一般界说为在整个 网络中信号一直保持在光域的网络。通明传输网络由于其灵 活性和较高的数据率而极富吸引力。相反，假如一个网络要 求其网络节点了解底层的分组格局和码率，则该网络就不是 通明的。缺少通明性是当时网络的一项急迫问题，由于在电子
图2 2D MEMS开关示例
域 处 理 数 据 流会 造 成 较 大 的 光 – 电 带 宽 不 匹 配 。 目 前 的 单 波 长 带 宽 为1 0 G b p s ( O C -192/STM-64)，不 远 的 将 来 可
图3 由超声波发生衍射光栅
能超越100Gbps (OC-3072/STM-1024)。跟着数据速率不断攀 升，电信号处理很难赶上光子速率，尤其是器材尺度正快速 挨近量子极限。此外，高速电信号传输要求贵重的基础设施 晋级改造。任何网络晋级都要求替换一切的筛选设备(“叉 车式晋级” )， 并涉及到大规划检修已有的基础设施。 然 而，AON的数据率仅受限于端站才能，然后避免了这一问 题。所以，链路晋级不要求更改中心设备，运营商能够愈加 简单地晋级网络，满意客户要求、提高服务。
设备施行技能的前进使得AON成为或许，其间某种输 入波长的光信号可传输到输出链路时，波长相同，无需转化 到电子域。这些AON网络信号的码率能够不同，由于在核 心网上没有端点。这种码率、格局以及协议的通明性对下一 代光网络极其重要。
2 交流技能
依据施行技能的不同，光交流可广义分为不通明和透 明传输两种。不通明交流也称为光穿插衔接(OCX)，将输入光信号转化为电子方式。然后运用交流结构以电子方式完成交流， 将发生的信号在输出端口再转化回光方式。将信号转化到电 子域具有多种优势，包含再生、自在波长转化以及更好的性 能和毛病办理。但是，光-电-光(OEO)转化为上述非通明交 换带来了困难。通明交流也称为光子穿插衔接(PCX)，不进行任何OEO转化。这就答应其功用与数据类型、格局或速率无关，虽然 仅限于必定波长规模内，即所谓的通带。切实可行的PCX技能应在交流速度、消光比、扩展性、插入损耗(IL)、偏振相关损耗(PDL)以及功耗等方面表现出优越性。
微机电体系(MEMS)是完成光交流的强壮途径，由于 MEMS体系在单晶片上独特别集成了光、机械以及电子元 件。MEMS开关运用的微镜能够将光束从头定向到对应端 口。MEMS运用的履行结构有所不同：静电与静磁式、闭锁 式与非闭锁式。还可进一步分为2D或3D MEMS。2D开关更 简单操控、容限较严厉，但由于光损原因不简单扩展。3D开关答应在两个轴上移动，前进了扩展性，所以容限严厉得 多。由于射束发散性(约3dB)，MEMS开关简单发生较高的 IL，开关时间较慢(ms)、要求较高鼓励电压/电流，以及非 闭锁装备的功耗较高(约80mW)。图2所示为2D MEMS开关 的一个比如。
声 光 (AO)开 关 使 用 在 晶 体 或 平 面 波 导 中 传 输 的 超 声波，将光从一个通路反射到另一个通路，如图3所示。机械 振荡使资料内部发生规矩的受压区或张力带。在大大都资料 中，这种紧缩或张力构成折射率改动。折射率的周期性变 化构成一个衍射光栅，使入射光发生衍射。通过操控超声 波幅值和频率，即可操控被衍射光的总量和波长。AO开关 处理较高的功率水平、具有合理的IL(约3dB)和开关时间(约
40μs)，但阻隔(约-20dB)和功率功率较差，以及存在固有的波长相关性。
电-光(EO)开关运用了资料在所加电压改动时物理特性 发生改动的长处。这些开关运用了液晶、交流波导布拉格 (Bragg)光栅、半导体光放大器(SOA)和LiNbO3。图4所示的 EO开关运用LiNbO3使资料的折射率随场强发生线性改动。 依据改动方式的不同，此类EO开关的开关时间为1ns – 1ms， 阻隔为-10 – -40dB，IL规模从不到1dB至10dB。但是，其间大 大都开关具有很强的波长相关性，有些不要求较高的驱动电 压。
根据半导体光放大器(SOA)的开关也存在有限的动态规模，潜在地发生交谐和互调。热-光(TO)开关根据波导的热- 光效应或资料的热效应 。干与式TO开关对干与仪一条桥臂 的资料进行加热，相关于另一桥臂发生相移。该进程构成两 个光束在从头组合时发生干与效应。数字式TO开关运用 硅片两个波导的彼此影响， 如 图 5 所 示 。 对 材 料 加 热 造 成波导折射率
图4 运用LiNbO3晶体的EO开关
图5 数字式TO动摇开关
图6 Sagnac开关完成办法概览
图7 Sagnac开关完成办法概览
差，然后改动输出端口的选择性。虽然PDL功用优异，由于 加热进程，数字式TO开关功耗较高(约70mW)，开关时间较 慢(ms)。
磁-光(MO)开关根据偏振光的法拉第效应，光以施加磁 场方向通过磁光资料时，会发生法拉第效应。电磁波偏振 的改动是直接操控其正交重量相对相位的办法。完成办法之 一是运用磁光资猜中的法拉第效应，行将偏振态旋转θ F (法 拉第转角)。磁-光开关运用干与仪将这种相位调制转化为调 幅；这些开关的显着长处是能够处理较高功率。虽然之前已 经做了一些作业来研讨这些类型的开关，但由于缺少高质量 的MO资料，阻止了进一步开展。铋替代铁榴石和正铁氧体 范畴的最新进展现已发生了具有高MO品质因数、较低IL、 超宽频带，而且施加较小磁场即可发生更大旋转的资料。
3 新技能、新效果
作者之前现已提出了马赫-曾德尔干与仪(MZI)，根据 光纤的MO开关，运用铋替代铁榴石(BIG)作为法拉第旋转 器(FR)。虽然新开关规划显示出优秀的功用而且兼容今世的 光网络元件，但由于干与仪通路上存在不可避免的不匹配， 消光比较低。
为了处理根据光纤的MZI开关的缺陷，最近提出了集成 版别，并正在严重开发中。在调研的一起，提出了一种塞 格纳克(Sagnac)干与仪装备，其间将BIG FR安装在光缆回路 中，如图6所示。运用混合耦合器将线性偏振输入波(E1+)分为两个幅值持平、相差90°的对向传达波(E3-、E4-)。将这两个波注入Sagnac环路，随后抵达FR。然后FR将其偏振态旋 转法拉第转角θ F，该转角与运用至FR的磁场强度成份额， 然后再回到耦合器(E 3+、E 4+)。 由于法拉第旋转的不可逆 性，两个对向传达波通过巨细持平、方向相反的旋转(即， θ F 和-θ F)。运用琼斯计算法将其体现在(式1)和(式2)中， 其间Ex和Ey分别为入射波的x和y重量；T为透射系数；φ 为 Sagnac环路长度引起的相位改动。
假定端口2没有输入波，那么干与仪端口的输出可表明 为(式3)。未施加磁场时(θ F = 0°)时，输入波返回到端口1 的相移为90°。假如施加足够大的磁场(θ F = 90°)，将输 入波重定向到端口2。
假定端口2没有输入波，那么干与仪端口的输出可表明为(式3)。未施加磁场时(θ F = 0°)，输入波返回到端口1的 相移为90°。假如施加足够大的磁场(θ F = 90°)，将输入 波重定向到端口2。如图7所示，磁场密度为3.58kA/m时，开关时间抵达700ns，远远优于MZI开关(12.7kA/m时为2μs)。但是，依然 能够改善，由于原理上可抵达的开关速度取决于磁畴壁的速 度，而后者现已测得可抵达10km/s数量级。
改善开关功用的或许办法包含选用不同的线圈结构和 驱动器装备。作者最近现已提出了这两种概念，而且取得了 十分可喜的效果，证明上升时间可缩短至77ns，下降时间缩 短至129ns。
5 结束语
文 章 总 结 了 现 代 光 通 信 系 统 的 发 展 趋 势 和 存 在 的 问 题。履行基本功用(路由、交流及多路复用)的通明网络元件 是完成更牢靠、扩展性强、互联性强光网络的要害。文章还 介绍了用于全光通路的小规划、高速交流技能的最新进展。 展现了美国爱荷华州立大学(Iowa State University)最新规划的 交流技能实验成果。
