光交换技术.doc

对光交换技术的认识摘要：在未来的网络中全光网络充分利用光纤的巨大带宽资源来满足各种通信业务爆炸式增长的需要。为了克服光网络中的“电子瓶颈”，具有高度生存性的全光网络成为宽带通信网络的未来发展目标。而光交换技术作为全光网络系统中的一个重要支撑技术，它在全光网通信系统中发挥着重要的作用。关键词：光交换技术 光空分交换 光时分交换 光波分交换 WDM SOA XGM光交换技术是指不经过任何光电转换，在光域上直接将输入光信号交换到不同的输出端。因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特率和调制方式透明，可以大大提高交换单元的信息吞吐量。由于信息的传输技术的不断完善，光交换技术成为全光通信网的关键。根据光信号的交换对象的不同可将光交换分为空分、时分、波分三种交换方式。1.光空分交换技术 空分光交换技术就是在空间域上对光信号进行交换，它的基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之间构成通路。空间光开关是光交换中最基本的功能开关。目前，光开关的技术已经较为成熟。现在光通信中使用的光开关主要有机械型光开关、热光型光开关、微电子机械型光开关和半导体光放大器门型光开关。 机械型光开关在光网络中的应用较为广泛，主要是通过移动光纤、棱镜、反射镜等改变光的传播路径。机械式光开关插入损耗较低，对偏振和波长不敏感。其缺陷在于开关时间较长，一般为毫秒级，有时还存在回跳抖动和重复性较差的问题。由于体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。热光开关一般采用波导结构，利用薄膜加热器控制温度，通过温度变化引起折射率变化来改变波导性质，从而实现光开关动作。例如，MZI型光开关：即通过改变波导的温度而使波长的传播相位得以改变，进而改变波长的传播路线。若薄膜加热器不加热，从1输出的两束光相位差为，干涉相消，即光只从2输出；若调节加热温度使之形成相移，那么在和输出端口两束光的相位关系随之发生变化，光会从1输出。微电子机械系统（MEMS）光开关的工作原理非常简单，通过安装在其内部一系列的镜面来控制光路在自由空间行进的方向。这些镜面可以在静电的控制下适当地调整倾斜的角度，完成波长的交叉连接功能。内部的交换处理芯片中的控制软件向芯片上的电结点发送控制信号，由该节点产生微弱的电磁场来驱动镜面产生合适的动作以完成配置功能。基于半导体光放大器的门型光开关，由于半导体光放大器在不同泵浦状态下对入射光表现出的吸收或放大两种不同的状态，因此，SOA可以作为一种快速门型开关应用。当SOA的注入电流低于阈值电流时，入射光被吸收，门开关处于关断状态；当注入电流高于阈值电流时，入射光透明地穿过SOA，同时可以获得增益，门开关处于导通状态。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。光时分复用和电时分复用类似，也是把一条复用信道划分成若干个时隙，每个基带数据光脉冲流分配占用一个时隙，n个基带信道复用成高速光数据流信号进行传输。要完成时分光交换，必须有时隙交换器实现将输人信号一帧中任一时隙交换到另一时隙输出的功能。完成时隙交换必须有光缓存器，把时分复用信号按一定顺序写人储存器，然后按一种顺序读出来，这样便完成了时隙交换。双稳态激光器可用作光缓存器，但它只能按位输出，而且还需解决高速化和扩大容量问题。光纤延时线是一种比较适用于时分交换的光缓存器。光纤延时线的光时分交换的工作原理：首先把时分复用的光信号经过光分路器，使它的每条出线上同时都只有某一时隙的光信号；然后让这些信号分别经过不同的光延时器件，使其获得不同的时间延迟；最后，再把这些信号经过一个光合路器重新复合起来，就完成了时分交换。 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（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）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c（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S加载到了探测光c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。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。随着现代科学技术的发展，宽带网络通信的需求不断上升。通信网的两大组成部分是传输和交换，随着通信容量的要求和光纤通信的发展，电交换中由于电子转移速度的限制成为信息通信的瓶颈。因而由光交换组成的全光通信网将成为今后通信网的主流。光交换是全光通信网中的一个重要支撑技术，在全光通信网中发挥着重要的作用。 光交换是指不经任何光/电转换，将其输入端光信号直接交换到任意的光输出端。光交换可分为光路光交换OCS和分组光交换OPS。 OCS是基于波长上下话路OADM(Optical Add Drop Multiplexer)和交叉连接OXC(Optical Cross Connect)采用波长路由方式，通过控制平面的双向信令传输建立链路和分配波长，实质是一种光的电路交换方式。在DWDM网络中，光路交换以波长交换的形式实现，即在相邻节点问的每一条链路上，一个波长对应一个用于交换的光通道。波长交换的优点是速度快、对数据速率及格透明，适合SDH网络。另外OCS与多协议标签交换MPLS(MultiProtocol Label Switching)结合的多协议波长交换MPLS(Multiprotocol Lambda Switching)技术可以实现智能、动态的波长连接路由和保护。但是OCS采用波长作为网络资源的处理粒度，当波长数有限时，为避免拥塞不得不将一部分数据进行光、电、光转换。若采用动态带宽分配机制，则链路的建立时间较长。另外由于OCS的本质是电路交换，有着电路交换的固有缺点，在连接建立到数据传输的过程中，所有的中间节点必须维持信道资源直到信道拆除为止，在此过程中纵使资源没有被占用，其余数据也无法利用它们，大大降低了带宽利用率。 光分组变换OPS(Optical Packet Switching)以光分组作为最小的交换颗粒，采用单向预约机制，在进行数据传输前不需要建立路由、分配资源。分组头含有目的地址，分组序列等控制信息分组净荷紧跟分组在相同光路中传输，网络节点需要缓存净荷，等待带分组目的地的分组头的处理以确定路由。光分组交换有很高的资源利用率，和很强的适应突发数据的能力，全光的分组交换是光交换的未来的发展方向。 随着通信网络逐渐向全光平台发展。网络的优化、路由、保护和 自愈功能在光通信领域中越来越重要。光交换技术能够保证网络的可靠性和提供灵活的信号路由平台，尽管现有的通信系统部采用电路交换技术，但发展中的全光网络却需要由纯光交换技术来完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。光交换技术为进节点的高速信息流提供动态光域处理。仅将属于该节点及其子的信息上下路并交由电交换设备继续处理，其优势有，可以克服纯电子交换的容量瓶颈问题，可以大量节省建网和网络升级成本。如果采用全光网技术，将使网络的运行费用节省70，设备费用节省90，可以大大提高网络的重构灵活性和生存性以及加快网络恢复的时间。 光信号的分割复用方式有3种空分、时分和波分。相应也有空分、时分和波分3种光交换分别完成空分信道、时分信道和波分信道的交换若光信号同时采用2种及以上交换方式则称复合光交换。 空分光交换是空间域上将光信号进行交换。基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之间构成通路。因其交换元件的不同可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反射型和激光二极管门开关等。 时分交换是通信网中普遍采用的一种交换方式。光时分复用和 电时分复用类似，也是把一条复用信道划分成若干个时隙，每个基带数据光脉冲流分配占用一个时隙，N个基带信道复用成高速光数据流信号进行传输。要完成时分光交换，必须有时隙交换器实现将输入信号一帧任时隙交换到另一时隙输出的功能。完成时隙交换必须有光缓存器，把时分复用信号按一定顺序写入储存器，然后按一种顺序读出米这样便完成了时隙交换。 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波段的低损耗窗口中复用多路光信号，大大提高光的通信容量。一般来，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。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(wc)然后再把它们复用起来，经由一条光纤输出。 混合光交换是指在一个交换网络中同时应用2种以上的光交换方式。例如在波分技术的基础上设计大规模交换网络的一种方法是进行多级链路连接，链路连接往各级内均采用波分交换技术。因这种方法需要把多路信号分路接入链路，故抵消了波分复用的优点。解决这个问题的措施，就是在链路上利用波分复用方法，实现多路化链路的连接，空分波分复合型光交换系统就是复合型光交换技术的一个应用。常用混合交换方式有空分+时分，空分+波分，空分+时分+波分等复合方式。 GPON(GigabitCapable PON)技