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1、第9章 光交换,9.1 光交换概述 9.2 典型光交换元器件 9.3 光交换技术分类 9.4 典型光路光交换 9.5 典型分组光交换 9.6 光交换机,9.1 光交换概述,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信号是电信号。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进行光-电转换，交换机内部对电信号进行接续，输出端口进行电-光转换。 近二十多年来，光纤技术得到了飞速发展，光纤传输系统已经得到了商业化的生产和应用。然而电交换系统的处理能力远未匹配高速的光纤传输能力，已经成为限制网络高速通信的一大瓶颈。 为了克服上述局限性，光交
2、换日益受到人们的关注。所谓光交换，即是对光纤传来的光信号直接进行交换接续。它是直接对光信号进行高速接续，所以其能够很好地匹配光纤传输能力，克服电交换系统的瓶颈效应，进而可以显著提升整个通信网络的通信能力。,9.2 典型光交换元器件,一、光开关,构成一个光交换系统最简单的方法是使用光开关。光开关接通或断开的是光信号。可以作为光开关的交换元器件种类繁多，下面主要介绍半导体光放大器、耦合波导开关和硅衬底平面光波导开关三种光开关元器件。,9.2 典型光交换元器件,一、光开关 1、半导体光放大器,半导体光放大器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。如果偏置信号为零，那么输入
3、光信号就会被这个器件完全吸收，使输出信号为零，相当于把光信号“关断”。当偏置信号不为零时，输入光信号就会出现在输出端上，相当于让光信号“导通”。这种半导体放大器可以用作光开关，如图。,9.2 典型光交换元器件,一、光开关 2、耦合波导开关,半导体光放大器开关具有一个输入端和上个输出端，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所示。,9.2 典型光交换元器件,一、光开关 3、硅衬底平面光波导开关,硅衬底平面光波导开关是一个22硅衬底平面光波导开关器件，它具有马赫-曾德尔于涉仪（MZT）结构形式，包含两个3dB定向耦合器和两个长度相等的波导臂，
4、波导芯和包层的折射率差只有0.3%，波导芯尺寸为8um8um包层厚50um。,9.2 典型光交换元器件,二、光耦合器,光耦合器用于对一个或者多个输入端的光信号进行分配，之后从多个或者一个输出端送出。一些典型的光耦合器有X型耦合器、T型耦合器、星型耦合器、光波分复用/解复器等，其基本结构示意图如图所示。,9.2 典型光交换元器件,三、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 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的输出激光器。,9.2 典型光交换元器件,四、光缓存器 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
5、到光信号存储的目的。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。,9.2 典型光交换元器件,四、光缓存器 2、光学双稳态存储型缓存器,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。 基于双稳态激光二极管的光存储器。,9.2 典型光交换元器件,四、光缓存器 2、光学双稳态存储型缓存器,上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，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
6、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。,9.3 光交换技术分类,一、从交换方式角度分类,从交换方式角度来看，光交换技术可以分为： 1）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
7、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。,9.3 光交换技术分类,二、从控制方式角度分类,从控制方式角度来看，光交换主要可以划分： 1）电控光交换电控光交换以电信号驱动/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采用方式。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。,9.3 光交换技术分类,三、从介质方式角度分类,根据其使用的介质材料不同，可分为： 1）光电交换技术使用带有光电晶体材
8、料(诸如锂铌或钡铁)的波导。 2）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机械交换。 3）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）技术的光交换，采用MEM技术的光交换采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。,9.4 典型光路光交换,一、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
9、基本的交换单元是22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。,9.4 典型光路光交换,一、空分光交换,目前已经成熟的空分交换模块主要有以下三种类型： 1）铌酸锂晶体定向耦合器。 2）由4个12光交换器件（Y分叉器）组成的22光交换模块，如上图a所示。该12光交换器件可以由NbLiO3定向耦合器担当，只要少用一个输入端即可。 3）由4个11开关器件和4个无源分路器/合路器组成的22光交换模块，如上图b所示。其中11开关器件可以是半导体激光放大器、光门电路等。无源分路/合路器可以是T型无源光耦合器件，它的作用是把一个或多个光输入分配给
10、多个或一个输出。,9.4 典型光路光交换,一、空分光交换,一种典型的空分光交换结构：基于定向耦合器的空分光交换结构。如图给出了44纵横式空分光交换结构，其基本交换单元采用上述的铌酸锂晶体定向耦合器。,9.4 典型光路光交换,二、时分光交换,时分交换是基于时隙互换的原理予以实现。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。,9.4 典型光路光交换,二、时分光交换,在光时分交换方式中，采用光技术及器件（例如，光存储器）来完成时隙互换的。 时分光交换的工作原理，如图：首先将时分复用光信号经过分路器（或解复器）进行
11、解复，使每个时隙的信号从不同出线上出去；然后对不同出线上的信号利用光延迟器件进行不同的延时；最后再将这些信号经过一个合路器（或复用器）重新复合起来，从而最终实现了时隙互换。,9.4 典型光路光交换,二、时分光交换,一个基于时隙交换器的时分光交换结构如图。输入线上的复用信号经解复用器后，各个时隙的光信号分别送至不同的光纤延迟线。各条延迟线的长度一样，每条延迟线的延迟时间都为一个时隙。但为了使得不同输入时隙的光信号获得不同的延迟，需要利用控制端信号进行控制，使在输入端不同时隙上的光信号获得不同的延迟时间，进而在输出端复用时产生时隙互换效应。,9.4 典型光路光交换,三、波分光交换 1、基于波长转换
12、器的波分光交换结构,面向的是各路具有不同波长的光信号采用了波分复用传输方式。 1）利用光分路器从能量角度对输入的N路波分复用信号进行分路，该分路器的各条出线上的信号仍皆是N路波分复用信号。 2）对各出线上的信号利用具有波长选择功能的法布里-玻罗（F-P）滤波器或者相干检测器等检出所需波长的一路光信号。 3）将其利用可调谐激光器调制到另一波长上去。 4）利用光波长复用器将各路波长光信号复合成一路，并发送出去。,9.4 典型光路光交换,三、波分光交换 1、基于星型耦合器的波分光交换结构,从各个单路的原始信号开始，先用具有不同波长的激光器对各路信号分别进行调制，然后利用星型耦合器对调制后的各路信号进
13、行复合，耦合器输出的复合信号将从能量角度平均分配到耦合器的各出线上，最后利用可移动光栅、F-P滤波器或者相干检测器等可调谐滤波器对耦合器各出线上的信号进行滤波，选出所需波长的光信号，从而完成波分光交换。,9.4 典型光路光交换,四、码分光交换,码分光交换针对的是多路码分复用（CDMA）信号。在交换过程中，利用了CDMA编解码技术。与波分光交换类似，码分光交换也可以基于星型耦合器来实现。 码分交换结构的优点是其交换控制是光控的，而且是分布式的，因此速度较快。该结构的缺点是由于，交换结构规模较小，只能用于局域网等小容量系统。,9.4 典型光路光交换,四、码分光交换,一个基于星型耦合器的码分光交换结
14、构。,9.4 典型光路光交换,五、自由空间光交换,自由空间光交换网络可以由多个22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22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22的光交换。,9.4 典型光路光交换,五、自由空间光交换,由两块双折射片
15、构成的22交换单元。,9.4 典型光路光交换,五、自由空间光交换,把上述4个22交换单元连接起来，可组成一个44的光交换元件，如图。这种交换元件与第二章所述的Banyan类似，具有路径唯一性，亦即任意输入端和任意输出端之间有且仅有一条路径。例如，在控制信号的作用下，C和D交换单元工作在平行状态，而A交换单元工作在交叉连接状态时，入线0的光信号只能在出线2上输出，而入线3的光信号也只能在出线3上输出。,9.4 典型光路光交换,五、自由空间光交换,当需要更大规模的交换网络时，可以按照空分Banyan结构的构成过程把多个22交换单元互连来实现。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
16、的一种器件是自由光效应器件（SSEED），它可构成数字交换网络。,9.4 典型光路光交换,六、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。,9.5 典型分组光交换,一、光分组交换,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。 光分组交换的分组格式,9.5 典型分组光交换,一、光分组交换,下图给出了一种OPS交换结构。在该结构中，传输和交换的是光分组数据信号，而对交换和路由的控制（其需要借助于分组头部信息）却通过电信号来实现。,9.5 典型分组光交换,二、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
