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光交换系统与Flex-grid技术综述

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光芯
发布于 2025-04-08 13:19:03
发布于 2025-04-08 13:19:03
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文章被收录于专栏:光芯前沿光芯前沿

(原文链接https://doi.org/10.1007/978-981-97-2282-2_39)

一、光网络发展的核心驱动力与趋势 随着数据流量的爆发式增长以及业务需求的日益多样化,光网络正面临着前所未有的挑战与机遇。传统基于固定栅格频谱的光带宽分配模式已难以适应未来(B5G 和 6G)服务及应用对网络容量、动态性和灵活性的严苛要求。在此背景下,光网络迫切需要向更高效、更智能的方向演进,以实现对多 Tb/s 容量链路和动态连接的有力支撑,同时确保网络资源的最优利用和现有基础设施的高效运行。这一发展趋势促使光交换系统不断寻求创新技术,以满足新型灵活网络范式的迫切需求。

二、波分复用与 Flex-Grid 技术的创新变革 波分复用(WDM)技术作为光通信的重要基石,通过在同一光纤中利用不同波长的光载波同时传输多个光信号,极大地提升了传输容量。然而,传统的 WDM 系统采用固定的信道间隔(如 100GHz 或 50GHz),这种固定栅格模式存在诸多弊端,例如在面对不同带宽需求的业务时,会造成严重的带宽浪费,并且无法有效支持带宽占用大于固定间隔的高速率信道。为了突破这一瓶颈,Flex - Grid 技术应运而生。

Flex - Grid 技术引入了动态带宽分配和频谱切片的概念,使得光网络能够根据用户的实际需求,以高度灵活和高效的方式分配频谱资源。在这一技术体系中,带宽可变光交叉连接(BV - OXC)和带宽可变收发器/转发器(BVT)成为了关键的使能技术。BV - OXC 借助灵活的波长选择开关(WSS)等先进元件,实现了对信号的精细粒度路由和交换,为动态网络功能的实现提供了坚实保障。而 BVT 则具备强大的动态调整能力,能够根据路径条件和目标速率/性能,灵活地改变光带宽和比特率,同时支持多种调制格式和波特率的自适应调整,从而显著提升了网络资源的利用效率。

此外,可切片、带宽可变收发器(S - BVT)的出现进一步拓展了网络的灵活性。S - BVT 能够生成多个独立的流量流或频谱切片,并通过光开关和滤波器将其引导至不同的路径或目的地,实现了多端点、多速率、多格式和多距离的传输,有效缓解了频谱碎片化问题,为网络向 Flex - Grid 范式的平滑迁移奠定了基础。 三、光交换技术的多元发展格局 (一) 可重构光分插复用器(ROADM)的进阶之路

ROADM 作为光网络节点的核心交换元件,在光信号的路由和本地上下路操作中发挥着关键作用,其无需进行光电转换的特性极大地提高了信号处理效率。随着技术的不断发展,ROADM 从简单的波长切换逐渐演变为高度复杂且先进的系统,其架构也呈现出多样化的发展趋势,包括广播与选择(B&S)、路由与选择(R&S)等多种方式,其中 WSS 是实现其功能的核心组件。 在 ROADM 的发展进程中,无色、无方向、无竞争和无栅格(CDC - Gridless)的特性成为了重要的发展方向。这些特性使得 ROADM 能够更加灵活地应对网络的动态变化,有效提升网络的资源利用率和连接的灵活性。例如,无色 ROADM 通过将固定波长的下路解复用器替换为 WSS,实现了接收器与特定波长的解耦,从而提高了设备的使用效率;无方向 ROADM 则通过共享所有接口的上下路部分,进一步优化了信道的添加和选择过程;无竞争 ROADM 采用更先进的交换方法,彻底解决了波长竞争的问题;而无栅格 ROADM 则通过消除固定栅格的限制,实现了频谱效率的最大化提升。

在 WSS 的实现方面,常见的方法是通过一系列光学元件的协同作用,包括聚焦透镜、光纤准直器、偏振分束/旋转器、光束轮廓调节器、光栅和光束转向阵列等。不同的光束转向元件如微机电系统(MEMS)、液晶(LCoS)、数字微镜器件(DMD)等各具特点。早期的 WSS 多采用 MEMS 转镜或液晶 1x2 开关,但这些技术仅适用于固定栅格网络。随着技术的进步,LCoS 空间光调制器(SLM)因其更高的灵活性而成为研究热点,尽管其存在一些固有缺陷,如最大相移限制和反射光束质量问题,但在频谱分辨率方面具有显著优势。 此外,光子集成技术在 ROADM 中的应用也日益广泛。基于氧化硅、SOI和InP等材料的光子集成电路(PICs)能够将 ROADM 的多个功能集成在单个芯片上,有效降低了设备的尺寸、功耗和成本。例如,基于 SOA 阵列和 AWG 的集成 WSS 能够实现纳秒级的快速切换,特别适用于光分组交换场景;采用SOI的折叠 AWG 和热相移器/反射器的设计则能够实现不同波段的波长切换,并且在无栅格 WSS 方面取得了初步成果;基于 SOI 的微环谐振器(MRR)ROADM 和基于AWGR与 MZI 开关的集成 ROADM 也在不同方面展现出了独特的性能优势。

(二)慢速光空间交换技术的应用与探索 在光交换网络中,慢速光空间交换技术虽然切换速度相对较低,但凭借其较大的端口数量在特定场景中发挥着重要作用。目前市场上主要有基于 MEMS 和光束转向的光开关等商业产品,同时基于光子集成技术的大型光空间开关也处于积极的研究阶段。 机器人光纤配线架通过自动化的方式实现了光纤的手动交叉连接,其光学和可靠性性能与传统的光纤跳线相当,但由于连接过程耗时较长(通常需要数秒),因此更适用于对快速和重复重配置需求较低的应用场景。

集成光技术PLC利用基本的 2x2、1x2 或开/关波导器件阵列构建光开关矩阵。这种技术在实现过程中能够利用多种器件相互作用和材料系统,但受到光纤到光纤的光学损耗、偏振依赖性和波导交叉串扰等因素的限制,其最大矩阵尺寸相对较小。为了降低偏振依赖性,研究人员提出了多种分集方案,但这也在一定程度上增加了芯片的复杂性和波导交叉的数量。

3D MEMS 设备通过可转向的硅微镜在自由空间中反射准直光束来实现连接,其切换时间约为 20ms,但存在较高的光学损耗。尽管早期研究表明其能够构建高达 1296x1296 的开关矩阵,但在商业产品中,由于单片微镜和光纤准直器阵列的良率限制,矩阵规模目前做到了 320x320。

直接光束转向开关则采用压电致动器将成对的准直光纤直接对准,结合了良好的光学性能、毫秒级的切换速度和高基数连接性。这种技术具有极低的背反射,能够有效减少对高速信号的干扰,并且通过集成的位置控制实现了对暗光纤的切换,为路径预配置提供了便利。目前,直接光束转向技术已成为创建高基数光电路开关的最有前途的方法之一,在商业产品中,其矩阵尺寸可达 384x384 光纤端口,平均连接损耗为 1.5dB。

在新兴研究方面,基于硅光子学的 PLCs 与 1D MEMS 垂直绝热耦合器相结合的技术展现出了巨大的潜力。这种技术能够创建 50x50 的开关矩阵,切换时间低于 1μs,芯片尺寸小于 1cm²,通过减少芯片内外的损耗和光信噪比(OSNR)降级,为实现紧凑、高基数的光开关矩阵提供了新的途径。

此外,利用 WDM 和 SDM 技术增加光交换数据中心网络容量和效率的研究也成为了当前学术领域的热点,例如在数据中心的短距离传输中,采用 100GBASE PSM4 等并行光学方法能够以较低的成本实现高效的数据传输;在长距离传输方面,对多芯光纤(MCF)矩阵切换的研究也取得了一定的进展,通过 DirectLight 技术和微透镜阵列远心光学系统,实现了对多达 96 根 MCF 的core to core对准,并且在损耗和串扰控制方面表现出了良好的性能。

(三)快速光交换技术的前沿研究进展 快速光交换技术主要采用干涉或门控开关元件,并结合光子集成技术来实现高容量和快速切换的目标。其中,2x2 MZI和微环谐振器(MRR)等元件通过级联能够实现较大规模的连接。MZI 中的电光开关相较于热光调谐具有更快的重新配置速度,但由于其相对较高的插入损耗,通常需要额外的光放大,这在一定程度上限制了其可扩展性和光信噪比(OSNR)性能。 另一类快速(纳秒级)光开关则采用无源阵列波导光栅(AWGR)与可调谐激光器(TLs)或可调谐波长转换器(TWCs)相结合的方式实现。这种技术的互连规模和性能在很大程度上依赖于 TL 和 TWC 的能力,并且由于其波长依赖性,在实际应用中需要与其他技术相结合,以实现更高效的光信号处理。 在 B&S 架构中,半导体光放大器(SOA)和电吸收调制器(EAM)是常用的门控元件。其中,广播阶段会引入较高的分光损耗,而 SOA 能够提供有效的损耗补偿,这对于实现大规模连接至关重要。目前,研究人员正在不断探索和优化这些技术,以满足未来光网络对高速、大容量和低延迟交换的迫切需求。

四、光交换系统与控制架构的协同创新 随着先进光器件、传输技术和交换范式(如 DWDM、Flex - Grid)的不断涌现,光传输基础设施和网络的复杂性日益增加。为了实现光交换系统的可编程功能,软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)成为了关键的解决方案。

SDN 基于控制与数据平面分离和集中控制的核心原则,通过逻辑集中的控制器实现对网络的统一管理。其北向接口连接应用层,南向接口连接光网络元件,支持多种应用协议接口(APIs)和网络协议,实现了网络的灵活配置和高效管理。在光交换系统中,SDN 控制器通过扩展功能模块,如拓扑管理器(TM)、虚拟租户网络管理器(VTN)、光配置管理器(OPM)和路径计算管理器(PCM)等,实现了对光数据平面交换元素的动态配置和优化管理,有效提升了网络的性能和灵活性。 NFV 则专注于网络功能的虚拟化,通过将网络功能以软件形式实现并部署在 NFV 基础设施(NFVI)上,实现了网络的高度灵活化和可定制化。NFV 架构包括虚拟网络功能(VNF)、NFV 基础设施(NFVI)和管理与编排(MANO)三个主要模块,其中 MANO 又进一步细分为虚拟基础设施管理器(VIM)、VNF 管理器(VNFM)和 NFV 编排器(NFVO),分别负责资源管理、VNF 生命周期管理和跨 VIM 的资源协调。 在实际应用中,SDN 和 NFV 技术相互补充,共同为光网络管理带来了显著的优势。例如,在 5G 及未来网络中,网络切片技术借助 SDN 和 NFV 的支持,能够将物理基础设施抽象为多个虚拟网络切片,为不同的垂直应用提供定制化的服务,有效满足了多样化的业务需求。同时,通过服务质量监测和动态优化,能够确保每个网络切片的性能和质量,实现网络资源的高效利用和业务的可靠运行。 五、创新光交换系统的应用实践与案例分析 (一)SDN 控制的光数据中心网络(DCN) 随着 5G、云计算物联网等应用的快速发展,数据中心对网络容量、延迟和资源灵活性提出了极高的要求。为了应对这些挑战,基于快速 SOA 开关和光流控制(OFC)协议的光 DCN 架构应运而生,并通过 SDN 控制和编排实现了自动 QoS 驱动的网络切片配置、重配置和流优先级更新。 在该架构中,数据平面采用纳秒级切换的 SOA 开关,确保了高速的数据处理能力。SDN 控制和编排平面负责收集数据平面的资源拓扑信息,并根据应用的延迟需求计算和分配优化的虚拟网络功能(VNFs)和路径连接,同时灵活地为每个网络切片分配转发优先级。通过实时监测数据平面的统计信息(如重传和丢包数量),SDN 控制器能够及时触发网络切片的重配置,以降低丢包率并维持所需的 QoS 水平。

在实验验证中,该架构通过由 8 个基于 FPGA 的 ToR 交换机、4 个 SOA 的外部交换机(ESs)和 2 个 SOA 的内部交换机(ISs)组成的测试平台进行了全面测试。实验结果表明,该架构能够有效地实现网络切片的可编程性和动态 QoS 保障,在不同负载条件下,高优先级的网络切片能够实现极低的丢包率和延迟,而低优先级的网络切片也能够满足尽力而为的 QoS 要求,为数据中心网络的高效运行提供了可靠的解决方案。

(二)用于超高速 SDM 城域网的模块化 ROADM 为了满足下一代城域网对大规模异构数据流量的动态高效处理需求,模块化 ROADM 成为了一种极具潜力的解决方案。这种 ROADM 采用了光子空间开关、光子集成 WSS、光子集成组播开关和(可切片)BVT 等先进技术,并结合模块化架构和低成本光子集成波长与空间交换技术,实现了对 SDM 系统的高效透明切换。

在模块化 ROADM 架构中,光子空间开关矩阵(PSM)提供了输入和输出多芯光纤(MCF)之间的连接,其中部分端口作为直通端口,直接连接输入/输出 MCF,而其他端口则用于本地业务的上下路操作。上下路端口通过聚合/解聚合开关与本地用户和组播开关(MCS)相连,实现了波长的有效分离和复用。BVT 则在本地业务生成时提供了灵活的带宽分配能力,确保了网络资源的高效利用。

通过 SDN 控制平面的支持,模块化 ROADM 实现了对节点组件和 S - BVT 模块的可编程控制,能够根据城域网的实际需求灵活调整网络参数,如信道带宽、路径和能量消耗等。在实验验证中,该模块化 ROADM 架构通过由 6 个 40Gb/s 的 WDM 发射器、基于 MEMS 的 PSM 和 InP - WSS 等组成的实验平台进行了测试。实验结果表明,该架构在不同业务场景下均能够实现高效的信号处理和低功率损耗,证明了其在超高速 SDM 城域网中的可行性和优势。 六、总结与展望 本文全面深入地探讨了光交换系统和 Flex - Grid 技术在光网络演进过程中的关键作用、技术原理、应用场景和发展趋势。通过对波分复用与 Flex - Grid 技术、光交换技术、光交换系统与控制架构以及实际应用案例的详细分析,展示了这些技术如何共同推动光网络向更灵活、高效和智能的方向发展,以满足未来超 5G 和 6G 服务及应用对动态大容量连接的严苛需求。 随着技术的不断进步和应用场景的持续拓展,光交换系统和 Flex - Grid 技术有望在未来光通信领域取得更加显著的突破和创新,为全球数字化进程提供更强大的支撑和保障。同时,研究人员也将继续关注这些技术的发展动态,不断探索新的技术路径和应用模式,以应对未来网络发展中可能出现的新挑战和新机遇。

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