光交换技术

全光网络的核心技术 光交换技术 —— 组长：周洁 www.themegallery.com

光交换技术 1.光交换技术的定义 2.光交换技术的原理 3.光交换技术的特点 4.光交换技术的基本器件 5.光交换技术的分类 6.光交换技术的总结

光交换技术：是指不经过任何光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换技术：是指不经过任何光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。 2.光交换技术的定义光交换系统主要由输入接口、光交换矩阵、输出接口和控制单元四部分组成，光交换系统的组成如图1所示。

光交换技术的原理 • 1. 光交换技术按交换方式可分为：电路交换和包交换 • 2. 电路交换：空分、时分、波分/频分三种光交换方式 • 3. 包交换：ATM光交换等

光交换技术的特点 • 1、由于光交换不涉及到电信号，所以不会受到电子器件处理速度的制约，与高速的光纤传输速率匹配，可以实现网络的高速率。 • 2、光交换根据波长来对信号进行路由和选路，与通信采用的协议、数据格式和传输速率无关，可以实现透明的数据传输。 • 3、光交换可以保证网络的稳定性，提供灵活的信息路由手段。

光交换技术的基本器件 • 半导体光放大器

光交换技术的基本器件 • 耦合波导开关

光交换技术基本器件 • 硅衬底平面光波导开关

光交换技术基本器件 • 波长转换器

光交换技术的基本器件 • 光开关是完成光交换的最基本的功能器件 • 将一系列光开关组成一个阵列，构成一个多级互联的网络，在这个阵列中完成光信号的交换。

ATM光交换 • ATM光交换是对ATM信元进行交换的技术。 • ATM光交换遵循电信号领域ATM交换的基本原理。 • 采用波分复用、电或光缓冲技术，先对信元波长进行选路，依照信元的波长，将信元选路到输出端口的光缓冲存储器中

3.光交换技术的分类 根据交换对象的不同若光信号同时采用两种或三种交换方式，则称为复合光交换。

光空分交换 • 空分光交换就是在空间域上对光信号进行交换 • 空分光交换的基本原理就是利用光开关组成开关 • 矩阵，通过对开关矩阵进行控制，建立任一输入 • 光纤到任一输出光纤之间的物理通路连接。 • 可以构成： • 纵横式（crossbar）网络 • 双纵横式（double－crossbar）网络 • Banyan网络、扩张的Banyan网络 • Benes网络、扩张的Benes网络

光纤固定装置 光纤活动光纤机械型光开关是目前最为成熟，应用最广的光开关。

3dB耦合器 2 2′ 光输出（加热器关）光输入 1′ 光输出（加热器开） 1 薄膜移相器（加热器）相位差： MZI热光开关型的结构 MZI型热光开关对金属膜通电使其发热，将会导致其下面的波导折射率发生变化，从而改变了MZI干涉臂的光程，引入相位差。相位差：0

周期性出现 频率 A B C D A B C D A B C D A B …… TDM帧 TDM帧 TDM帧时间（2）光时分交换技术时分复用是通信网中普遍采用的一种复用方式，时分光交换就是在时间轴上将复用的光信号的时间位置t1转换成另一个时间位置t2。要完成时光分交换，必须有时隙交换器完成将输入信号一帧中任一时隙交换到另一时隙后输出的功能。完成时隙交换必须有光缓存器。光纤延时线是一种目前比较适用于时分光交换的光缓存器。

随着科学技术的发展和社会的进步，人们对信息的需求量越来越大，促进了对大容量通信系统及网络技术的广泛研究，OTDM 技术就是其中的一种。OTDM 之所以引起人们的关注，主要有两个原因: OTDM 可克服WDM 的一些缺点，如由放大器级联导致的谱不均匀性，非理想的滤波器和波长变换所引起的串话，光纤非线性的限制，苛刻要求的波长稳定性装置及昂贵的可调滤波器； OTDM 技术被认为是长远的网络技术。为了满足人们对信息的大量需求，将来的网络必将是采用全光交换和全光路由的全光网络，而OTDM的一些特点使它作为将来的全光网络技术方案更具吸引力：可简单地接入极高的线路速率(高达几百Gbit/s)；支路数据可具有任意速率等级,和现在的技术(如SDH)兼容；由于是单波长传输,大大简化了放大器级联管理和色散管理；网络的总速率虽然很高,但在网络节点,电子器件只需以本地的低数据速率工作；OTDM和WDM的结合可支撑未来超高速光通信网的实现。

OTDM之所以引起人们的关注，主要有两个原因：OTDM可克服WDM的一些缺点，如由放大器级联导致的谱不均匀性，非理想的滤波器和波长变换所引起的串话，光纤非线性的限制，苛刻要求的波长稳定性装置及昂贵的可调滤波器；OTDM技术被认为是长远的网络技术。为了满足人们对信息的大量需求，将来的网络必将是采用全光交换和全光路由的全光网络，而OTDM的一些特点使它作为将来的全光网络技术方案更具吸引力：·可简单地接入极高的线路速率（高达几百Gbit/s）；·支路数据可有任意速率等级，和现在技术（如SDH）兼容；·由于单波长传输，大大简化了放大器级联管理和色散管理；·网络的总速率虽然很高，但在网络节点，电子器件只需以本地的低数据速率工作；·OTDM和WDM的结合可支撑未来超高速光通信网的实现。OTDM之所以引起人们的关注，主要有两个原因：OTDM可克服WDM的一些缺点，如由放大器级联导致的谱不均匀性，非理想的滤波器和波长变换所引起的串话，光纤非线性的限制，苛刻要求的波长稳定性装置及昂贵的可调滤波器；OTDM技术被认为是长远的网络技术。为了满足人们对信息的大量需求，将来的网络必将是采用全光交换和全光路由的全光网络，而OTDM的一些特点使它作为将来的全光网络技术方案更具吸引力：·可简单地接入极高的线路速率（高达几百Gbit/s）；·支路数据可有任意速率等级，和现在技术（如SDH）兼容；·由于单波长传输，大大简化了放大器级联管理和色散管理；·网络的总速率虽然很高，但在网络节点，电子器件只需以本地的低数据速率工作；·OTDM和WDM的结合可支撑未来超高速光通信网的实现。

OTDM是光域中时分复用和解复用，它把各个支路光信号变换成高速率、超窄短脉冲信号，然后间插到复用信道中已分配好的时隙上。整个复用过程和接收端的解复用过程都是在光域中完成的，不需要光电转换，因而消除了电子屏颈，即避开了电子设备的速率限制。图1.1所系是一个典型的OTDM点对点传输系统。超短光脉冲（即管带很窄的光脉冲）源在适中的控制下产生重复频率为时钟频率的超短光脉冲，该超短光脉冲经EDFA放大后分成N路，每路光脉冲有个支路信源单独调制，支路信号的频率和时钟源的频率相同，调制后的信号经过不同的时延后用合路器合并成一个信号，完成复用功能，变成一路高速OTDM信号。假设支路信号的速率为B，则复用后的OTDM信号为N*B，其中B可为任意速率的SDH信号。OTDM信号经光纤传输到达接收端后首先进行时钟提取，提取的时钟作为控制信号送到解复用器解出各个支路信号，再对各个支路信号单独接收。OTDM是光域中时分复用和解复用，它把各个支路光信号变换成高速率、超窄短脉冲信号，然后间插到复用信道中已分配好的时隙上。整个复用过程和接收端的解复用过程都是在光域中完成的，不需要光电转换，因而消除了电子屏颈，即避开了电子设备的速率限制。图1.1所系是一个典型的OTDM点对点传输系统。超短光脉冲（即管带很窄的光脉冲）源在适中的控制下产生重复频率为时钟频率的超短光脉冲，该超短光脉冲经EDFA放大后分成N路，每路光脉冲有个支路信源单独调制，支路信号的频率和时钟源的频率相同，调制后的信号经过不同的时延后用合路器合并成一个信号，完成复用功能，变成一路高速OTDM信号。假设支路信号的速率为B，则复用后的OTDM信号为N*B，其中B可为任意速率的SDH信号。OTDM信号经光纤传输到达接收端后首先进行时钟提取，提取的时钟作为控制信号送到解复用器解出各个支路信号，再对各个支路信号单独接收。

光复用/解复用技术 为了消除电子屏颈，OTDM利用光纤、光半导体及其它介质的超高速非线性效应来实现光域的复用/解复用功能。OTDM的复用方式主要包括比特间插和时隙间插两种。在比特间插的OTDM系统中，来自不同信道的低速数据按比特间插的方式复用为高速的OTDM数据流。在基于时隙的OTDM系统中，总线时间被分割成由多个比特组成的时隙，用户根据网络协议吧数据段或数据分组插到这些时隙中去。与比特间插相比，时隙间插方式有明显的优势，这是因为时隙间插利于采用分组交换技术和对带宽的统计复用技术，可以提高带宽利用率和网络的吞吐量，减小访问时间及网络时延等。

波分复用技术的概念 光纤波分复用器解复用器光发射机光接收机 … 功率放大器在线放大器前置放大器 … （3）光波分交换技术是指光信号在网络节点中不经过光／电转换，直接将所携带的信息从一个波长转移到另一个波长上。

波分复用器 解复用器 wc … … wc … … wc wc 波长变换器波长交换器 SOA交叉增益调制（XGM）全波长变换器 SOA交叉相位调制（XPM）四波混频效应（FWM）

输入信号 变换后信号滤波器ＳＯＡＣＷ（ａ）同向传输ＣＷＳＯＡ（ｂ）反向传输 SOA交叉增益调制（XGM）变换后信号

A B OXC OXC C 四波混频（FWM）

光波分复用 • 波分复用（WDM）是光纤通信的一个重大突破，其利用光纤的丰富频谱资源，在光纤的低损耗窗口中复用多路光信号，大大提高了通信容量。波分复用技术在光传输系统中已经得到广泛应用。一般说来，在光波复用系统中其源端和目的端都采用相同的波长来传递信号，否则将在多路复用中，每个终端都将增加终端设备的复杂性。这样要求在传输系统中间节点上要采用光波分交换，采用这样的技术不仅满足光波分复用终端的互通，而且还能提高传输系统的资源利用率。波分光交换所需波长交换器是先用分解复用器将光波分信道空间分割开，对每个波长信道分别进行波长交换，然后再把它们复用起来，经由一条光纤输出。密集波分复用是光纤通信中的一种趋势，它利用光纤的宽带特性，在1550nm波段的低损耗窗中复用多路光信号，大大提高了光纤的通信容量。

半导体光放大器（SOA） • 半导体光放大器（SOA）是实现全光波长变换的一种非常有用的器件。SOA型全光波长变换常采用的物理效应有：交叉增益调制（XGM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等。SOA型全光波长变换器也相应的分为这三类。

　　利用SOA中的交叉增益调制效应（XGM）实现波长变换的原理是：随着输入光功率的增加，由于受激辐射，SOA中载流子的消耗相应增加，载流子浓度下降，导致SOA增益减少，即发生增益饱和现象。此时，如果把一束波长为λc（与目标波长相同）的连续探测光注入SOA，当信号光处于高功率（逻辑1）时，由于SOA的增益饱和效应，探测光不能得到放大（逻辑0）；相反，当信号光处于逻辑0时，探测光被放大（逻辑1）。此即为交叉增益调制效应（XGM）。于是，强度调制信息就从信号光λS加载到了探测光λc上，实现了波长变换，只是输出信号在逻辑上与原信号相反。　　利用SOA中的交叉增益调制效应（XGM）实现波长变换的原理是：随着输入光功率的增加，由于受激辐射，SOA中载流子的消耗相应增加，载流子浓度下降，导致SOA增益减少，即发生增益饱和现象。此时，如果把一束波长为λc（与目标波长相同）的连续探测光注入SOA，当信号光处于高功率（逻辑1）时，由于SOA的增益饱和效应，探测光不能得到放大（逻辑0）；相反，当信号光处于逻辑0时，探测光被放大（逻辑1）。此即为交叉增益调制效应（XGM）。于是，强度调制信息就从信号光λS加载到了探测光λc上，实现了波长变换，只是输出信号在逻辑上与原信号相反。 • 　　同样，交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）也是利用非线性效应，达到波长转换的目的。在调制速率上，XGM和XPM没有明显的差别，均受限于载流子的寿命时间，但采用XPM进行波长变换时，啁啾较小，消光比较高，变换信号的信噪比也提高。其缺点是造价昂贵。

光波分交换的特点 • 光波分交换具有两大特点:一是专用波长信道的比特率独立。各种速率的宽带信号能无困难地进行交换。二是交换控制电路不必高速运行。 • 光波分交换系统首先将光波信号用分解器分割为多个进行波分光交换所需的波长信道，在对每个信道都进行波长交换，最后将得到的信号复用后组成一个密集的波分复用信号，由一条光缆输出，这就利用光纤宽带的特性，在损耗低的波段复用多路光信号，大大提高了光纤信道的利用率，提高了通信系统容量。

对光交换技术的总结 • 光交换技术热点 • 光交换技术的发展前景

光交换技术热点 • 光交换技术是指不经过任何光/电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换技术可分成光路光交换类型和分组光交换类型，前者可利用OADM、OXC等设备来实现，而后者对光部件的性能要求更高。由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的分组光交换单元还要由电信号来控制，即所谓的电控光交换。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。 • 光路交换技术已经实用化。光分组交换技术目前主要是在实验室内进行研究与功能实现，确保用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术。其中，光分组交换技术和光突发交换技术是光交换中的最有开发价值的热点技术，也是全光网络的核心技术，她将有着广泛的市场应用前景。

光交换技术的发展前景 • 虽然光时分交换和波分交换都有美好的应用前景，但是由于目前高速光开关的技术指标和工艺水平还难以达到实用化程度，特别是有效的、大容量的光缓存器的缺乏，使高速、频繁的时分光交换近期内还难以实现。全光波长转换器的研究虽然有了一些进展，但也还远没有达到实用化阶段。因此，近期光交换的发展和应用重点仍是空分光交换，必要时使用“光—电—光型”波长转换器实现波分光交换。 • WDM技术正在广泛应用于光纤通信系统中，使单波长传输系统升级为WDM多波长传输系统。将逐渐成熟的空分光交换技术引入光纤通信系统后，可以以波长为单位，在不同的光纤间交换光信号。从而在可以预见的将来，将点到点光纤通信系统升级为光网络，使通信网的基础产生质的飞跃.

目前，光交换的控制部分主要通过电信号来完成，随着光子技术的发展，未来的光交换必将演变成为光控光交换。光交换机相信在不久的将来，光交换技术一定会在全光通信网中发挥重要的作用，会为通信技术的发展带来革命性的进步。

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