信息技术与光子学

第20卷　第4期

1999年应　用　光　学

V o l.20,N o.4

1999

文章编号:100222082(1999)0420001204

信息交换与光子学3

朱京平　孙利群　唐天同

(西安交通大学电信学院,陕西西安710049)

摘要:本文回顾了光子学在光切换与路由选择中的应用,综述了光开关近年的发展。

关键词:光开关;信息切换;路由选择;光子学

中图分类号:TN91117;O572・31 文献标识码:A

随着知识经济时代的到来,信息量,信息传递速度和控制复杂度急速增长,这无疑对传输、信息切换与路由选择系统提出了革命性的要求。目前,光子器件与光学系统在测量、通讯、电信、图形识别、信号处理、光计算等领域的应用正在不断增加。在传输领域中,光缆取代电缆取得了巨大的成功,于是,人们对能否将光子学用于信息切换或路由选择系统产生了极大兴趣。本文首先分析电子技术在信息处理中的作用及其局限性和光子技术在信息高速公路中可能发挥的作用,分析近20年来光子技术在几个不同领域的发展贡献和问题。

1　信息领域光子学的应用状况

111　现代电子技术与光子学

目前,是电子学而非光子学技术占据信息处理的主导地位。电子学在信息处理方面有巨大影响的同时,也确实存在严重的通信限制。今后,虽然微电子技术仍会是信息技术的主要支柱,但光子技术在未来信息高技术领域中将占据极为重要的地位,甚至会成为推动信息技术革命的生力军。

当前逻辑信息处理均依赖于电子间相互作用,并且相互作用器件常用电子来设计,加之光子并不相互作用,因而连最好的光学逻辑门也几乎是全电操作,这只是简单的光激发电子器件。现代数字通信中巨大的信息流量需要极高速的处理技术,电子计算机运算速度的大幅度提高将希望于光子互连开关技术。由于光互连延迟将由光子的传播速度决定,因此可将计算机运算速度至少提高三个量级,达到皮秒水平,接近电子逻辑开关速度的极限,单机运算速度可达每秒1000亿次。

在信息传输时,由于电子在回路中的传输受到电荷存储、串音、回路分布参数延迟效应的局限,速度难以突破纳秒,因而承受不了更高速率信息流的传输。光无论在自由空间还是在波导回路中均能保持光速传播,因而在高速度运行的信息系统接口部分,用光子作为信息的载体就会大大提高信息系统容量的承受度。另一方面,带宽是信息高速公路的

收稿日期:1998-12-31

基金项目:西安交通大学科研基金、教改基金资助项目

作者简介:朱京平(1967-),山西省忻州人,西安交通大学电信学院讲师,在职博士,主要从事光电子技术、导波光学、集成光学、光纤通信、光传感等研究。

关键,电子频带非常有限,当考虑1015量级的光频时,它便显得更小,而几乎无限的光谱为工程师们提供了一个新的用武之地。由于现有通信系统用户大都沿用以往的电子系统,并且电子技术仍有很多优势,因此现在的任务是如何开发光学技术提供的优势以及怎样将它们与电子技术提供的优势结合起来,形成一个最优化设计以提供最大功率、最灵活性的通信网络。与简单光通信相比,它所需的一切就是建立一种与定义好的接口能很好配合的插入式传输替代系统。

112　光通信与电信交换

早在80年代初期,光纤就由于综合了信号失真极低、衰减度极小、体积小、轻便耐用、价格低廉和耦合度强等优势,成为最优越的传输介质,被广泛应用于城市间通信、越洋通信、城市区域网与局域网(M AN S和LNA S)等不同方面。光放大器使现有传输系统的潜力得到真正的扩展。光孤子传输技术是未来克服光脉冲码型展宽、防止信号互扰的一项重要技术。

光学如今已进入电信领域,并引发了一场酝酿已久的数字革命,旨在采用全数字化的传输和交换网络,使得从发送器到接收器均为数字业务。它起源于ISDN(综合服务数字网)的引入,最初是全电的。数字技术的极大灵活性与超大容量激发了许多新型电信服务的开展,新业务大大增加了控制的复杂性,使基本数据流量迅速增加,这对新的数字传输介质及开关系统研究产生了巨大压力,使有关光交换网络的研究急迫起来。随着廉价传输带宽光纤的广泛采用,通过应用密集波分复用,可使现有连接多波长信号源与接收器的每一光缆所传输的信息量扩展为设计量的10倍到100倍。这一结果促成了B2ISDN (宽带综合服务数字网)概念的诞生,并在美国及欧洲盛行。ISDN中使用A TM(异步传输方式)处理大容量问题。

数字系统可使各种多媒体业务数据能在同一网络上传输。近两年,美国的信息高速公路发展迅速,国际互连网已进入千家万户,各种电信业务大大扩展,将多种明显不同的通信业务综合在一个单一网络中,实现多媒体传送,于是原有的线路交换被分组交换所取代。分组交换过程中,数据被压缩(即打包)来实现信号发送。打包的每一数据包都包含源地址和目的地址码及后继包有关信息在内的报头,数以百万计的数据包可以同时通过同一条线路,按报头信息由一个分组交换走向另一个分组交换。到目的地后通过解压(打开邮包)来与其它机器对话。这一进展不仅使光纤中产生的数据流速度不断升级,而且它们传输的通信业务本质大多数也要改变,在这种新的制式中开关自己拾取到达的数据包,读取目的码,弄清用何种方式送到何处,结果M b it s的业务量中控制负荷急剧增加,同时M b it s数目也迅速增加。美国建立了SON ET S(同步光学网)草案,用STM(同步传输方式)解决这一问题。目前,线路速度已达51M b it s(简写为M bp s)(SON ETO C9)至214Gb it s(SON ETO C48)。

在空间开关方面,平面集成光学实现了单电控2×2交点开关,并将这种器件经复合实现了16×16点阵开关。128×128非阻塞式单模开关阵列、硅基光开关正在研究中。声光开关是近几年研究的另一焦点,它具有实时、并行、多路等优势,在实现多功能、大容量、实时开关方面具有独特优势。电控半导体激光放大器阵列等也能构成空间开关。

波长选择复用网络是以波长为尺度来实现复用网络的,其路由选择可通过将每一波源或探测器与一单一波长或指定波段建立联系来实现,它比导波空间开关更适用于大规模网络,这种路由选择方法在电学范筹内没有相应模型。目前,声光可调滤波器已发展成为一种高性能的、可用于密集波分复用系统中波长选择光开关和波长路由选择器件。

总之,以上各因素尤其是光通信的巨大成功激起了对光开关研究的兴趣,光学系统可以提供巨大的数据量,但关健问题是如何