自由空间光交换网络

12.3.4　自由空间光交换网络

前面我们在讨论空分交换网络结构中可以看到，空分交换网络的光通道是由光波导组成的，光波导材料的光通过带宽受到材料特性的限制，远远没有发挥光的并行性、高密度性的特点。并且由平面波导开关构成的光交换网络一般没有逻辑处理功能，不能做到自寻路由。而空间光调制器可以通过简单的移动棱镜或透镜便能控制光束的交换功能。

自由空间光交换在交换中光的传输方式与空分交换不同。自由空间交换时，光通过自由空间或均匀的材料，如玻璃传播，而空分交换是属于波导交换，光由波导所引导并受其材料特性所限制，因此其远未发挥光的并行性和高密度的潜力。

自由空间光交换与波导交换相比，其具有高密度装配的能力。制作在衬底上的导波开关由于受到波导弯曲的最小弯曲率限制，从而难以做得很小，另外当用许多小规模交换器件组合成更大规模交换系统时必须用光纤把它们互联起来，这样体积将会变得很大。与此相比，自由空间交换是利用光束互连，因而可以构成大规模的交换，并且适合作三维高密度组合，即使光束相互交叉，也不会相互影响。

自由空间交换网络可以由多个2×2光交叉连接元件组成，这种交叉连接元件通常具有两种状态：交叉连接状态和平行连接状态。除耦合光波导元件具有这种特性外，极化控制的两块双折射片也具有这种特性，结构如图12.14所示。前一块双折射片对两束正交极化的输入光束进行复用，后一块对其解复用。为了实现2×2交换，输入光束偏振方向由极化控制器的极化状态发生变化，光束变成异常光束，异常光束变为正常光束。这种变化是在后一块双折射片内完成，从而实现了2×2的光束交换。

如果把4个交叉连接单元连接起来，就可以组成一个4×4的交换单元，如图12.15所示。这种交换单元有一个特点，就是每一个输入端到输出端都有一条路径，且只有一条路径。例如，在控制信号的作用下，A和B交叉连接单元工作在平行状态，而C单元工作在交叉连接状态时，输入线0的光信号只能输出在输出线0上，而输入线3的光信号也只能输出在输出线1上。

图12.14　由两块双折射片构成的空间交叉连接单元

自由空间光交换网络也可以由光逻辑开关器件组成，比较有前途的是自电光效应器件（S－SEED），它可构成数字交换网络。这种器件已经从对称态自电光效应S－SEED器件，智能灵巧单元FED－SEED列阵器件，发展到CMOS－SEED器件。自电光效应器件在对它供电的情况下，其出射光强并不完全正比于入射光强，当入射光强（偏置光强＋信号光强）大到一定程度时，该器件变成一个光能吸收器，使出射光信号减小。利用其这一性质，可以制成多种逻辑器件，比如逻辑门，当偏置光强和信号光强分别足够大时，其总能量足以超过器件的非线性阈值电平，使该器件的状态发生改变，输出电平从高电平“1”下降到低电平“0”。借助减小或增加偏置光束能量和信号光束能量，即可构成一个光逻辑门。

图12.15　4×4空间光交换单元