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前言
     John Donne在1623年思索第17篇《紧急时刻的祈祷》中 提到：“没有人能够自全， 没有人是荒岛...”。人们在彼此隔 绝时难以富强，这话体现出了沟通的意义。早就在远古时期 也就有了光纤通信，从烽烟到信号指示灯、标识及其旗语。
当代光纤通信的不断涌现归功于相干光源(激光器)的调制技术和传输方式(光缆电缆)。以仿真模拟网络带宽表明，1nm波长在1300nm时 等同于178GHz，1500nm中为133GHz。因此，光缆电缆的可以用带 宽累计贴近30THz。针对应用广泛的点控调配，其理论网络带宽 高效率为1bps/Hz，如果不考虑光缆电缆非理想化要素，就能达到30Tbps数字网络带宽。
因为光缆电缆潜力无限，以较大优势取代铜电缆作为首选的 传输方式，大幅度提高传递过程单链路带宽。如下图1所显示， 过去十年承载了网络方式从定项联接通讯到以宽带网络IP为核心 单肩包交换传送数据的改变。全部这些流量都受到了宽带网络运用的

图1  全世界IP流量增长预测分析。
数据来源于Cisco汇报(Cisco  Visual  Networking  Index:Forecast and Methodology 2013–2018)促进，这些应用导致光缆电缆远距离通信行业数据率无穷无尽的
提高。该类宽带网络运用实效性在没有显著增加经营成本的前提条件 下迅速、稳定地传送数据。也驱使科研人员持续创建新的 技术性，调节视频码率、协议书及格式，以推动快速网络性能扩 展。伴随着智能化网络在经营规模复杂性里的扩大，出现了许 多新技术应用，以推动最基本网络作用并有效利用光缆电缆发展潜力： 路由器、交换及其时分复用。

1 全透明传送
网络透光性可以根据mac层主要参数(比如网络带宽、频率稳定度)开展 界定；还可以是对数据信号的检测，而不是去光电转换开展。 透光性也是指同时支持的信号类型，包含调配格式和视频码率。综 合以上因素，全光网络(AON)的透明传送一般理解在全部 网络中数据信号始终保持在光域的网络。全透明因其灵 活力和较高的数据率而富有吸引。反过来，如果一个网络要 求其网络连接点掌握最底层的分组格式和视频码率，则其网络那就不是 透明色。欠缺透光性是现阶段网络的一项急迫难题，由于在电子

图2  2D MEMS开关实例
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  由超音波造成衍射光栅
能超过100Gbps (OC-3072/STM-1024)。伴随着数据传输速率持续攀 升，电信号分析难以追上光量子速度，特别是元器件规格正迅速 贴近量子科技极限值。除此之外，快速电子信号传送规定价格昂贵基础设施 更新改造。一切网络更新都会要求拆换全部的淘汰设备(“叉 车式更新” )， 并牵涉到规模性维修已经有基础设施。 然 而，AON的数据率仅受制于端站水平，从而避免了这一问 题。因此，链接更新没有要求变更核心设备，网络运营商可以更加 方便地更新网络，满足客户要求、提高服务。
机器设备执行技术的发展促使AON得以实现，在其中某类输 入波长的光数据信号可传送到导出链接时，光波长同样，不用变换 到电子器件域。这种AON网络信号的功率视频码率能够不一样，毕竟在核 心在网上并没有节点。这类视频码率、格式及其合同的透光性为下一 代光网络至关重要。

2  交换技术性
依据执行技术性的差异，光交换可理论分成透明和透 明传送二种。透明交换又称为光交叉连接(OCX)，将键入光数据转换为电子方式。随后利用交换构造以电子方式完成交换， 会带来信号在输出接口再变换回光方式。将数据转换到电 子域名拥有多种优点，包含再造、随意波长转换以及更好的性 可以跟故障管理。但是，光-电-光(OEO)变换为上述非全透明交 换增添了艰难。全透明交换又称为光量子交叉连接(PCX)，不做出任何OEO变换。这便允许功能和基本数据类型、格式或速度不相干，虽然 仅限一定光波长内，即所谓通频带。行之有效的PCX技术性需在交换速率、消光比、可扩展性、插损(IL)、光的偏振有关消耗(PDL)及其功能损耗等方面的表现出优势。
微机电(MEMS)是促进光交换的巨大方式，由于 MEMS设备在单晶体上面与众不同地搭载了光、机械设备及其电子元 件。MEMS开关所使用的微镜能够把光线重新定向到相匹配端 口。MEMS所使用的实行构造各有不同：静电感应与静磁式、闭合 式和非闭合式。还可以进一步分成2D或3D MEMS。2D开关更 容易控制、容限较严苛，但是由于光损缘故不易拓展。3D开关可在2个轴上挪动，提升了可扩展性，因此容限严苛得 多。因为射束发散性思维(约3dB)，MEMS开关很容易产生相对较高的 IL，开关时长比较慢(ms)、要求很高激励电压/电流量，以及非 闭合配备的功能损耗比较高(约80mW)。图2所示为2D MEMS开关 的一个例子。
声 光 (AO)开 关 使 用 在 晶 体 或 平 面 波 导 中 传 输 的 超 声波频率，将单从一个通道反射面到另一个通道，如下图3所显示。机械设备 震动使材料内部产生规矩的受力区或张力带。在大部分原材料 中，这类缩小或支撑力导致折光率转变。折光率的规律性变 化形成一个衍射光栅，使入射角造成透射。通过调节超声波 波动幅度值与工作频率，就可以操纵被衍射光的总量和光波长。AO开关 解决相对较高的输出功率水准、具备科学合理的IL(约3dB)和开关时长(约
40μs)，但防护(约-20dB)和功率效率较弱，及其存有固有光波长关联性。
电-光(EO)开关利用了原材料在其加电压波动时物理特征 发生变化优势。这种开关采用了液晶屏、交换介质波导华沙 (Bragg)光栅尺、半导体材料光放大器(SOA)和LiNbO3。图4所示 EO开关利用LiNbO3使原材料的折光率随磁场强度产生线形转变。 依据转变方式的不一样，该类EO开关的开关时间是在1ns - 1ms， 防护为-10 - -40dB，IL范围从不上1dB至10dB。但是，在其中大 大部分开关具有极强的光波长关联性，有一些不要求高的推动电 压。
根据半导体材料光放大器(SOA)的开关也存在着有限的资源图像分辨率，潜在地造成交调合交调。热-光(TO)开关根据介质波导热- 光效用或材料的热效应 。干预式TO开关对干涉仪一条桥臂 的原材料加热，相较于另一桥臂造成相位差。该过程导致两 个光线在重新排列后产生干预效用。数显式TO开关利用 单晶硅片2个介质波导的相互作用， 如 图 5 所 示 。 对 材 料 加 热 造 成介质波导折光率

图4  应用LiNbO3晶体的EO开关    

图5  数显式TO起伏开关

图6  Sagnac开关完成方式概述  

图7  Sagnac开关完成方式概述
差，从而改善输出接口可选择性。虽然PDL性能优越，因为 加热过程，数显式TO开关功能损耗比较高(约70mW)，开关时长较 慢(ms)。
磁-光(MO)开关根据偏振的法拉第效应，光以增加磁 场方位根据磁光资料时，也会产生法拉第效应。无线电波光的偏振 的变化是间接控制其正交和份量相对性相位差的办法。完成方式之 一是利用磁光材料中的法拉第效应，将要偏振态转动θ F (法 拉第拐角)。磁-光开关利用干涉仪把这种相位调制转换成调 幅；这种开关的明显优点是可以解决较大功率。虽然之前已 经做了一些工作来科学研究这些类型的开关，但由于缺乏高品质 的MO原材料，限制了进一步发展。铋替代铁榴石与正铁氧体磁芯 行业的最新进展已经产生了具有较高的MO品质因素、比较低IL、 超宽频带，而且增加比较小电磁场就可以造成更高旋转原材料。

3 新技术应用、新成就
创作者之前就已经给出了马赫-曾徳尔干涉仪(MZI)，根据 光纤线的MO开关，应用铋替代铁榴石(BIG)做为法拉第旋转 器(FR)。虽然新开关设计方案显现出优良的性能而且适配当代的 光网络元器件，但是由于干涉仪通道中存在难以避免的不匹配， 削光非常低。
为解决根据金属的MZI开关的缺陷，近期给出了集成化 版本号，并正在紧张设计中。在调研的前提下，提出了一种塞 格拉克(Sagnac)干涉仪配备，在其中将BIG FR安装于光缆电缆控制回路 中，如下图6图示。利用混和光纤耦合器将线形光的偏振键入波(E1 )分两幅度值相同、相距90°的对向来车散播波(E3-、E4-)。将这俩波引入Sagnac环城路，接着抵达FR。随后FR把它偏振态旋 转法拉第拐角θ F，该拐角及应用至FR的磁感应强度成正比例， 然后返回光纤耦合器(E 3 、E 4 )。 因为法拉第旋转却不可逆性 性，2个对向来车散播波通过尺寸相同、相反的方向的旋转(即， θ F 和-θ F)。利用鲍比计算法把它表现在(式1)和(式2)中， 在其中Ex和Ey分别是入射波的x和y份量；T为透射系数；φ 为 Sagnac环城路长短所引起的相位变化。
假定端口号2都没有键入波，那样干涉仪端口的导出可表明 为(式3)。未增加电磁场时(θ F = 0°)时，键入波返回端口号1 的相位差为90°。假如增加足够的电磁场(θ F  = 90°)，将输 入波跳转到端口号2。

假定端口号2都没有键入波，那样干涉仪端口的导出可来表示(式3)。未增加电磁场时(θ F  = 0°)，键入波返回端口号1的 相位差为90°。假如增加足够的电磁场(θ F  = 90°)，将键入 波跳转到端口号2。如下图7所显示，电磁场密度为3.58kA/m时，开关时间达到700ns，远远优于MZI开关(12.7kA/m中为2μs)。但是，依然 可以改进，由于原理上可以达到的开关速率在于磁畴壁速 度，后者早已测出可以达到10km/s量级。
改善开关特性的很有可能方法包括选择不同的电磁线圈结构与 控制器配备。创作者近期早已给出了这几种定义，并且取得了 十分喜人的成效，证实增益值可缩短到77ns，上升幅度缩 短至129ns。
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5  结语
文 章 总 结 了 现 代 光 通 信 系 统 的 发 展 趋 势 和 存 在 的 问 题。实行基本要素(路由器、交换及时分复用)的透明网络元器件 是促进更有保障、可扩展性强、互连性强光照网络的关键所在。文章内容还 阐述了用以全光通道的小规模、快速交换技术性的最新进展。 展现了国外爱荷华州立大学(Iowa State University)最新设计的 交换技术性试验数据。