光交换技术概述.docx

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光交换技术概述

光交换技术综述

（《现代交换技术》课程报告）

一、什么是光交换技术

在通信领域中，传统的交换技术属于电交换，网络中交换机接续的是电信号。

对于这种交换机，如果传输线路采用目前已经得到广泛使用的光纤传输光信号，则需要在交换机的输入端，将光信号通过光/电转换器件转换为电信号，交换机内部对电信号进行接续并送到输出端口，输出端口输出的电信号再通过电/光转换器件转换为光信号，然后再发送到光纤上去。

鉴于影响网络通信能力的两大主要元素是物理传输媒介和网络转接设备，现在，网络传输媒介已使用光纤，而很多网络的转节点处仍在使用电交换技术。

因此，网络转节点处的电交换技术成为了整个通信网络性能提升的瓶颈。

要消除通信网络性能提升的瓶颈，网络转节点处必须采用光交换技术。

所谓的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。

二、典型的光交换元器件

实现光交换的设备是光交换机，而光交换机是由基本光交换器件组成的。

因此，光交换器件是构成光交换网络的基础。

典型的光交换器件主要包括光开关、光耦合器、波长转换器和光存储器，下面分别加以叙述。

1、光开关

构成一个电交换系统最简单的方法是使用电开关，每个电开关都可以在通信信号的控制下，使它的入线和出线接通或断开，从而使入线上的信号通过这个电开关出现或不出现在出线上。

将这些电开关排成阵列，在它们的控制端加上适当的控制信号，就可以使得有些开关接通，有些开关断开，从而就实现了电信号的交换。

同理，构成一个光交换系统最简单的方法是采用光开关。

与电开关不同的是，光开关接通或断开的是光信号。

光开关在通信中的作用主要是：

⏹将某一光纤通道中的光信号接通或断开；

⏹将某个光纤通道中的光转换到另一个光纤通道中去；

⏹在同一光纤通道中将某种波长的光信号转换成另一种波长的光信号；

可以作为光开关的元器件种类繁多，下面主要介绍半导体光开关、耦合波导开关、硅衬底平面光波导开关三种光开关元器件。

（1）半导体光开关（放大器）

半导体光开关可以对输入的光信号进行放大，并且通过偏置电信号可以控制它的放大倍数。

如果偏置信号为0，那么输入光信号就会被这个器件完全吸收，使输出信号为0，相当于将光信号断开。

当偏置信号不为0时，输入光信号就会出现在输出端上，相当于将光信号接通。

半导体光开关示意图如图1所示。

图1半导体光开关（放大器）及等效开关示意图

（2）耦合波导开关

半导体光开关具有一个输入端和两个输出端，而耦合波导开关除一个控制电极外，却具有两个输入端和两个输出端，耦合波导开关的结构和工作模式如图2所示。

图2耦合波导开关

耦合波导开关中使用的铌酸锂（LiNbO3）是一种光电材料，它具有折射率随外界电场而变化的光学特性。

在控制端不加电压时，在两个通道上的光信号都会完全耦合接到另一个通道上去，从而形成光信号的交叉连接状态。

然而，当控制端加上适当的电压后，耦合接另一个通道上的光信号会再次耦合回原来的通道，从而相当于光信号的平行连接状态。

在同一个基片上配置多个此种类型的耦合器件，就可组成一个开关阵列。

（3）硅衬底平面光波导开关

图3示出了一个2×2硅衬底平面光波导开关器件的结构图。

这种器件包含两个3 dB的定向耦合器和两个长度相等的波导臂。

波导芯尺寸为8μm×8μm，包层厚50μm。

波导芯和包层的折射差较小，只有0.3%。

图3硅衬底平面光波导开关

此器件的交换原理是基于硅介质波导内的热—电效应，平时偏压为0时，器件处于交叉连接状态，但在加热波导臂时（一般需0.4W），它可以切换到平行连接状态。

这种器件的优点是插入损耗小（0.5dB）、稳定性好、可靠性高、成本低，适合大规模集成，但它的响应时间较慢。

（4）液晶光开关

液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。

一般的液体其内部分子排列是无序的，而液晶的分子是按一定规律有序排列的，这使得它呈现出晶体的各向异性。

当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。

液晶分子是含有极性基因团的极性分子，在电场的作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而使得液晶的光学性质也随之发生改变，这种由外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的光电效应。

液晶光开关工作原理如图4所示。

图4液晶光开关工作原理

2、光调制器

在光纤通信中，通信信息由光波携带，光波就是载波，把信息加载到光波上的过程就是调制。

光调制器是实现电信号到光信号转换的器件，也就是说，它是一种通过改变光束参量来传输信息的器件，这些参量包括光波的振幅、频率、位相或偏振态。

目前广泛使用的光纤通信系统均采用强度调制——直接检波系统，对光源进行强度调制的方法有两类，即直接调制和间接调制。

直接调制，又称为内调制，即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。

传统的PDH和2.5Gbit/s速率以下的SDH系统使用的LED或LD光源基本上采用的都是这种调制方式。

间接调制，这种调制方式又称为外调制。

即不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际上起到一个开关的作用。

其结构如图5所示。

图5外调制器结构示意图

3、光波长转换器

在光通信中，最直接的波长变换是光/电/光变换，即把波长为λi的输入光信号，由光电探测器转变为电信号，然后再去驱动波长为λi的输出激光器，这种方法的优点是不需要定时，其结构示意图如图6所示。

图6光/电/光直接波长转换器

4、光缓存器

光缓存器是用于信号处理、时间开关、排队应用等目的的存储器。

由于光子是玻色子，其静止质量为0，不能停止运动，所以光子的存储必须采用一种光子能在其间运动的介质，这种介质可以称为光缓存器。

光缓存器从原理上分，有两种典型的类型：

基于光纤延迟的缓存器和基于光学双稳态存储的缓存器。

（1）基于光纤延迟的缓存器

基于光纤延迟的缓存器是依靠光信号在光纤上传输的延迟时间来达到光信号的存储的。

代表性的有延迟线型缓存器、光纤环型缓存器、反射光纤（FP腔）型缓存器，原理如下图所示。

图7基于光纤延迟的缓存器结构示意图

（2）基于光学双稳态存储的缓存器

光学双稳态存储型缓存器是基于一些光学器件的构成介质具有双稳态特性来实现的。

下图给出了一个基于双稳态激光二极管所构成的存储器实例。

该存储器由一个带有串列电极InGaAsP/InP的双非均匀波导构成，其中，串列电极是一个被沟道隔离开的两个电流注入区，但该沟道没有电流注入，其具有饱和吸收区的作用，该吸收区能够抑制双稳态触发器的自激振荡，使器件产生输入-输出滞后特性；I0是激活电流，用于达到维持连续振荡的目的；I1为控制电流，用于调整双稳态触发器的特性。

图8基于光学双稳态存储的缓存器结构示意图

三、光交换技术分类

1、从交换方式角度分类

（1）光路光交换

光路光交换以整个光纤链路或者整个波长通道作为交换对象，典型的技术包括空分光交换、时分光交换、频分/波分光交换、自由空间光交换、码分光交换、混合光交换等。

（2）分组光交换

分组光交换是以通道上的各数据包作为交换对象。

典型技术包括光分组交换、光突发交换、光标记分组交换、光子时隙路由、ATM光交换和多粒度光交换等。

相对来说，光路光交换比分组光交换出现的要早，一些光路光交换技术也比较成熟，但目前有关这两类交换的研发工作都还处于继续进行中，分组光交换的研发工作尤其如此。

2、从控制方式角度分类

（1）电控光交换：

电控光交换是以电信号驱动/控制光通信信号的接续。

（2）光控光交换：

光控光交换是以光信号驱动/控制光通信信号的接续。

目前，电控光交换在光交换领域中是主要方式。

但由于其仍存在响应速度相对较慢的固有局限性，因此，这种方式必然会被响应速度更快的光控光交换所取代。

光控光交换实际上是实现了全光交换功能。

3、从介质角度分类

根据其使用的介质材料不同，可分为：

（1）光电交换

光电交换技术使用带有光电晶体材料（诸如锂铌或钡铁）的波导。

（2）光机械交换

光机械交换是在交换机中通过移动光纤终端/棱镜来将光线引导/反射到输出光纤来实现输入光信号的交换。

（3）基于热学的光交换

基于热学的光交换采用可调节热量的聚合体波导。

（4）液晶光交换

液晶光交换使用液晶片、极化光束分离器（PBS）或光束调相器等材料。

（5）微机电（Micro-Electro-Mechanical，MEM）技术光交换

采用MEM技术的光交换使用了不同类型的特殊微光器件，这些器件由小型化的机械系统激活。

四、典型光路光交换

1、空分光交换

空分光交换是指在选定的输入和输出端通过建立一条透明的物理通路实现交换，该条物理通路上的全部带宽为这对输入/输出端所独占。

空分光交换最基本的交换单元是2×2光交换模块，在输入端具有两根光纤，在输出端也具有两根光纤，如下图所示。

开关有两种状态：

平行状态和交叉状态。

图9空分光交换原理示意

2、时分光交换

时分交换是基于时隙互换的原理实现的。

时隙互换是指把N路时分复用信号中各个时隙的信号互换位置，每一个不同的时隙互换操作对应于N路原始信号与N条出线的一种不同的连接，如图。

图10时分光交换原理示意

3、波分光交换

波分光交换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换到另一个波长上的交换方式。

波分光交换网络是实现波分光交换的核心器件，可调波长滤波器和波长转换器是波分光交换的基本器件。

实现波分光交换有两种结构：

波长互换型和波长选择型。

图11波长互换型光交换网络结构

图12波长选择型光交换网络结构

4、自由空间光交换

空分光交换的光通道是由光波导组成的，由于受到光波导材料特性的限制，光通过带宽有限，远远不能发挥光的并行性、高密度性的特点。

与此相比，自由空间光交换结构的级间互连不是通过波导，而是通过自由空间或者玻璃等均匀材料传播，并且可以对所有光路信息并行处理，从而较好地克服了空分光交换的上述局限性。

自由空间光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特性外，极化控制的两块双折射片也具有这特性，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控制，可以旋转0。

或90。

。

0。

时，输入光束的极化态不会改变；90。

时，输入光束的极化态发生变化，正常光束变成异常光束，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的光交换。

图13由两块双折射片构成的2×2交换单元

4、混合光交换

混和光交换也就是对若干小规模的空分光交换、波分光交换等不同交换结构按照一定的规则进行有效组合，从而形成更大规模的交换网络。

典型的有：

空分/时分混合交换系统、波分/空分混合交换系统、FDM/TDM混合交换系统、时分/波分/空分混合交换系统等。

例：

波分/空分混合型交换网络结构如下图所示。

图14波分/空分混合型交换网络结构

五、典型分组光交换

光分组交换中所使用的分组占用定长时隙，分组头部包含路由标记，采用固定比特率编码；净荷部分占用固定时长，可使用变速率编码，在分组头部和尾部以及头部和净荷之间还都设有防护时间。

图15光分组交换的分组格式

1、光突发交换

主要思路是采用双波长概念，将所分离的分组净荷和分组头部在两个不同的波长通道上传送。

在传送期间，首先在控制波长上传送分组头部，然后进行一定的时延，再在数据波长传送分组净荷。

在传送路径上的各交换节点对分组头部进行电子处理，为即将到来的分组净荷预留资源，以保障净荷到来时节点就可正确地将其传送到相应的输出端口。

图16光突发交换工作原理

1、光标记交换

所谓光标记，是指利用各种方法在光包上打上标记，也就是把光包的包头地址信号用各种方法打在光包上，这样在交换节点上就可以根据光标记来实现全光交换。

基于这种原理来实现的光交换称为光标记交换。

光标记的产生和提取是光标记交换的核心技术。

光标记信号一般是低速率信号，一般在Mbit/s量级上，而光包的传输速率都在Gbit/s量级上，目前光标记的产生大多数从调幅、调相和调频3个方面入手。

光标记的提取本质上就是把光标记从复用信号中分离出来。

目前有多种方法实现光标记交换，包括宽脉冲光标记法、高强度脉冲光标记法、微波副载波光标记法和电光调制光标记法等。

六、ATM光交换

与电信号ATM交换类似，ATM光交换也是以ATM信元作为交换对象的一种交换技术，只不过其交换的信元是光信号信元。

下图给出了一种ATM光交换的实现方式。

在该种方式中，系统的输入和输出信号都是电信号。

在光发送端，输入电信号首先被光调制器加以调制，该调制器的输入载波信号由超窄光脉冲激光发生器产生，与此同时，通过直接调制激光器产生含有路由信息的控制信元，该类控制信元将与所对应的数据信元通过波分复用技术复用在一起，然后利用光信元编码器对一系列脉冲进行间隔压缩，从而实现将高速电ATM信元流转化为超高速ATM光信元流，之后，将各路ATM光信元流在星型耦合器中进行光时分复用。

在光接收端，ATM光信元被波分解复用后，信元选择器检测出控制信元。

当控制信元中的地址与输出线的地址一致时，使用一个光门控开关，从高速数据流中滤出相应数据信元送入输出缓冲器，并进一步由信元探测器变换为电信元，再从出线上送出。

图17一种ATM光交换的实现方式

参考资料：

1、《现代交换技术》机械工业出版社李生红主编

2、Internet上的相关参考资料（恕不一一列出）

对参考过的资料、文献的原作者深表感谢！

后记：

查了很多资料，发现有关“光交换”的内容都是以专著的形式来阐述的，可见，要用“综述”的形式将光交换的主要内容呈现出来是有一定困难的。

比来比去，还是觉得《现代交换技术》课本上的内容选择比较全面，因此，这篇课程报告决定采用课本上的主要结构和内容选择。

通过“光交换综述”课程报告的整理过程，使我从原来几乎对光交换一无所知到有一个概况的了解。

因此，在这个过程中还是受益良多的。

最让人觉得对原有知识结构有颠覆性的内容莫过于对“光信息”的缓存，这与电交换完全不同，因为“光信息”必须在光子不断运动的过程中进行存储。

光交换与电交换不同的地方还有很多，对这些内容的了解和学习，使自己对交换技术有了更多的了解、开阔了视野。