第三章光交换技术1

1、第第 三三 章章光光 交交 换换 技技 术术3.1 概述 一、光交换的发展一、光交换的发展 光交换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。光交换也是一种光纤通信技术，是全光网络AON的核心技术之一。问题的提出问题的提出:光纤传输系统容量的快速增长带来的是对交换光纤传输系统容量的快速增长带来的是对交换节点发展的压力和动力。通信网中交换系统的节点发展的压力和动力。通信网中交换系统的规模越来越大，运行速率越来越高，未来的大规模越来越大，运行速率越来越高，未来的大型交换系统将需要处理总量达几百型交换系统将需要处理总量达几百Tbit/s的信的信息。但是目前的电子交换和信息处理网络

2、的发息。但是目前的电子交换和信息处理网络的发展已接近了极限。为了解决节点电子瓶颈限制展已接近了极限。为了解决节点电子瓶颈限制问题，研究人员开始在交换系统中引入光子技问题，研究人员开始在交换系统中引入光子技术，实现光交换。术，实现光交换。二、光交换优点光信息流在网络中传输及交换时始终以光的形式存在，消除了节点光信息流在网络中传输及交换时始终以光的形式存在，消除了节点处的电子瓶颈，不受监测器和调制器等光电器件响应速度的限制。处的电子瓶颈，不受监测器和调制器等光电器件响应速度的限制。光交换的比特率和调制方式透明，可大大提高交换单元的吞吐量，光交换的比特率和调制方式透明，可大大提高交换单元的吞吐量，充

3、分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应等优点。充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应等优点。光交换与高速的光纤传输速率匹配，可以实现网络的高速率。光交换与高速的光纤传输速率匹配，可以实现网络的高速率。光交换可以保证网络的稳定性，提供灵活的信息路由手段。光交换可以保证网络的稳定性，提供灵活的信息路由手段。光交换控制可以分为两种光交换控制可以分为两种 1. 电控光交换电控光交换 在光域内交换，但控制还必须在电域内完成在光域内交换，但控制还必须在电域内完成 2. 全光交换全光交换 由光控制的光交换。由光控制的光交换。 由于光逻辑器件的功能还很简单，不能完成控制由于光逻辑器件的功能还很简单，不能完成控制

4、部分复杂的逻辑处理功能，因此目前的光交换单部分复杂的逻辑处理功能，因此目前的光交换单元还都要由电信号来控制，即电控光交换。元还都要由电信号来控制，即电控光交换。三三 . 光交换类型光交换类型 光信号的分割复用方式有三种：光信号的分割复用方式有三种： 相应就有相应就有三种光交换三种光交换: 空分、时分、波分空分、时分、波分，分别完成，分别完成空分信道、时分信道和波分信道的交换。空分信道、时分信道和波分信道的交换。 这三种分割复用方式的特点各自不同，其相应交换这三种分割复用方式的特点各自不同，其相应交换单元的实现方案和难易程度也不同。若光信号同时单元的实现方案和难易程度也不同。若光信号同时采用两种

5、或三种分割复采用两种或三种分割复用方式，则需要相应的复合用方式，则需要相应的复合光交换。光交换。3.2 空分光交换 空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间上发生改变。空间上发生改变。空分光交换是将光信号在空分光交换是将光信号在空间域上进行交换，例如，将数根光纤中承空间域上进行交换，例如，将数根光纤中承载的信号通过光开关进行交换，或将不同波载的信号通过光开关进行交换，或将不同波长信道中的信号在空间域上进行交换。长信道中的信号在空间域上进行交换。 空分光交换的核心器件是光开关，其基本原理是用光开关组成门阵列开关，通过控制开关矩阵的状态使输入端的任一信道与输

6、出端的任一信道接通或断开。空分光交换基本单元 22光交换单元； (b) 平行连接和交叉连接 较大型的空分光交换单元可以由基本的较大型的空分光交换单元可以由基本的22光光开关以及相应的开关以及相应的12光开关级联、组合构成。光开关级联、组合构成。构成的方式按网络结构可以分成许多种，构成的方式按网络结构可以分成许多种，常见的有常见的有: 纵横式纵横式(crossbar)网络、网络、 双纵横式双纵横式(double-crossbar)网络网络 Banyan树拓扑、树拓扑、 Benes网络、网络、 扩张的扩张的Banyan或或Benes网络等。网络等。在构建绝对无阻塞的大型光开关矩阵时，减小串在构建绝

7、对无阻塞的大型光开关矩阵时，减小串扰、降低损耗、实现低成本是需要研究的问题。扰、降低损耗、实现低成本是需要研究的问题。in Aout Ain Bout B12345678123456781234567812345678a) crossbar 结构结构b) Banyan 树拓扑c) 纵向重复扩张Banyan网络88网络 ; 无阻塞网络NN3.3 时分光交换时分光交换时分光交换与程控交换中的时分交换系统概念相同，也是以时分复用为基础，用时隙交换原理实现光交换功能。它采用光存储器实现，把光时分复用信号按一种顺序写入光存储器，然后再按另一种顺序读出来，以便完成时隙交换。光时分复用和电时分复用类似，也是

8、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。 目前光存储器主要是使用光纤延迟线实现。 3.4 波分光交换波分光交换 波分光交换可以采用波长选择或波长转换两种方法来实现交换功能。 一一. 波分光交换原理波分光交换原理 将波分复用信号中任一波长将波分复用信号中任一波长i变换成另一波长变换成另一波长j 。波分光交换需要有波长变换器波分光交换需要有波长变换器(wavelength convertor, WC).一般先用波分解复用器件将波分信道空间分割开，然后对一般先用波分解复用器件将波分信道空间分割开，然后对每一波长信道分别进行波长变换

9、，再把它们复用起来输出，每一波长信道分别进行波长变换，再把它们复用起来输出，从而实现波分交换。从而实现波分交换。WCWC波分解复用器波分解复用器 耦合器耦合器/ /波分复用器波分复用器 WC1N 1N 1 i N .波长变换器波长变换器j k 2 12ijN二二. 波长变换器波长变换器波长变换器是实现波分交换的关键器件。波长变换器是实现波分交换的关键器件。波长变换器有多种实现方案，目前较成熟的有下列几种：波长变换器有多种实现方案，目前较成熟的有下列几种：1 . . O/E/OO/E/O方案方案 光信号首先被转换为电信号，再用电信号来调制新光信号首先被转换为电信号，再用电信号来调制新的光源。新光

10、源最好是波长可调谐激光器，可以将输入的光源。新光源最好是波长可调谐激光器，可以将输入波长变换到需要的各种波长上。这种方案技术最为成熟，波长变换到需要的各种波长上。这种方案技术最为成熟，容易实现，且光电变换后还可进行整形、定时、放大处容易实现，且光电变换后还可进行整形、定时、放大处理。但是由于其间经过了光电、电光变换，它的带宽受理。但是由于其间经过了光电、电光变换，它的带宽受检测器和调制器的限制，而且检测器和调制器的限制，而且破坏了光网络的透明性。破坏了光网络的透明性。光电光型波长变换器原理结构 输入输入转换转换可调谐可调谐激光器激光器PIN探测器探测器电子放大和再生电子放大和再生外调制器外调制

11、器O/E/O型波长变换器有许多优点，但在未来高速型波长变换器有许多优点，但在未来高速的的WDM网络中它却有着不可克服的网络中它却有着不可克服的缺点缺点:1. 对信号不透明对信号不透明 对于调频、调相和模拟信号均不能实现波长变对于调频、调相和模拟信号均不能实现波长变换。换。 对于数字信号也只是在一定的速率范围内是透明的。对于数字信号也只是在一定的速率范围内是透明的。因为光电变换器的带宽应包括所有可能的信号速率，而因为光电变换器的带宽应包括所有可能的信号速率，而RF的增益和带宽等特性参量不可能在所有的信号速率下的增益和带宽等特性参量不可能在所有的信号速率下均达到最佳值，均达到最佳值，通常最佳的工作

12、点是根据最高的速率确通常最佳的工作点是根据最高的速率确定的，在较低的速率下它就将偏离最佳值。定的，在较低的速率下它就将偏离最佳值。2. 噪声特性噪声特性 光电型波长变换器中的光电型波长变换器中的RF放大器可以提高变换效放大器可以提高变换效率，但由于它也引入噪声，会使变换信号的信噪比变率，但由于它也引入噪声，会使变换信号的信噪比变小。信号经过放大器前后的信噪比之比称为噪声指数。小。信号经过放大器前后的信噪比之比称为噪声指数。许多波长变换器均有电的或光的放大器，其噪声指数许多波长变换器均有电的或光的放大器，其噪声指数各不相同。用各不相同。用980 nm光源泵浦的光源泵浦的EDFA的噪声指数可的噪声

13、指数可达达3.1 dB.而宽带的而宽带的RF放大器和半导体光放大器的噪声放大器和半导体光放大器的噪声指数在指数在79 dB之间。之间。 若用一个噪声指数为若用一个噪声指数为4 5 dB的的EDFA和一个无附和一个无附加噪声的全光波长变换器来共同完成对信号的变换和加噪声的全光波长变换器来共同完成对信号的变换和放大，无论是信噪比，还是变换效率都要比光电型波放大，无论是信噪比，还是变换效率都要比光电型波长变换器好。长变换器好。 3. 是功耗是功耗 对对2.5 Gbit/s的光电型波长变换器，前端接收机、的光电型波长变换器，前端接收机、RF放大和激光器的总功耗约为放大和激光器的总功耗约为2W；对变换速

14、率为；对变换速率为10 Gbit/s的变换器，其功耗至少要翻倍。如果加入外调的变换器，其功耗至少要翻倍。如果加入外调制器，则功耗还会增加，而绝大多数的制器，则功耗还会增加，而绝大多数的全光波长变换全光波长变换器（器（AOWC）的功耗要远远小于它。的功耗要远远小于它。 例如，对一个基于半导体光放大器（例如，对一个基于半导体光放大器（SOA）中交叉）中交叉增益调制（增益调制（XGM）原理，具有）原理，具有10 Gbit/s变换能力的变换能力的AOWC，其所需的探测光的功率约为，其所需的探测光的功率约为-5 dBm,SOA上所上所加的电流约为加的电流约为100mA，它的功耗仅为，它的功耗仅为200m

15、W.4. 是价格是价格 一个一个2 .5 Gbit/s的光电型波长变换器的的光电型波长变换器的价格约为价格约为9000美元，而一个偏振不敏感、变换速率可达美元，而一个偏振不敏感、变换速率可达10 Gbit/s的的SOA的价格约为的价格约为10000美元。考虑到光电器件的技术已美元。考虑到光电器件的技术已很成熟，市场也较大，而很成熟，市场也较大，而SOA的市场还较小，所以的市场还较小，所以SOA的价格会随市场的扩大而不断降低。的价格会随市场的扩大而不断降低。 在价格上另外一个需要重视的因素是封装的费用。一在价格上另外一个需要重视的因素是封装的费用。一个个波长交换交叉连接波长交换交叉连接 WIXC

16、（Wavelength-interchanging Cross-connect)中需要多个波长变换器，中需要多个波长变换器，若把多个若把多个AOWC封装在一起，将会大大降低每个单元的封装在一起，将会大大降低每个单元的价格。但要把多个光电型波长变换器封装在一起却不是价格。但要把多个光电型波长变换器封装在一起却不是那么容易的事情，因为那么容易的事情，因为RF藕合将会产生串扰，对高速的藕合将会产生串扰，对高速的电子器件需要很复杂的封装才能避免它们之间的串扰，电子器件需要很复杂的封装才能避免它们之间的串扰，其费用也就相应的提高了。这方面的工作也是国内外研其费用也就相应的提高了。这方面的工作也是国内外研

17、究的一个热点。究的一个热点。正是由于上述四点原因，光电型波长变换器在正是由于上述四点原因，光电型波长变换器在WDM网网络中的应用受到了很大的限制，这也是人们积极研制络中的应用受到了很大的限制，这也是人们积极研制和开发全光型波长变换器的部分原因。和开发全光型波长变换器的部分原因。2.2.全光波长变换器全光波长变换器(1)(1)基于基于SOASOA的交叉增益调制（的交叉增益调制（XGMXGM）型）型 半导体光放大器（半导体光放大器（SOASOA）具有响应速度快（）具有响应速度快（10 10 Gbit/sGbit/s）、易于和其他半导体光电器件集成等优点，）、易于和其他半导体光电器件集成等优点，因此

18、基于因此基于SOASOA的光电处理器，尤其是全光波长变换器的光电处理器，尤其是全光波长变换器（AOWCAOWC）受到了广泛的重视。）受到了广泛的重视。基于基于SOA中中XGM的的AOWC原理图原理图光泵光泵电泵电泵信号光信号光S S信号光信号光S输出输出探测探测光光C输出输出增益调制增益调制连续的探测连续的探测光光C C电流电流SOASOASOA随着输入光功率的增加，由于受激辐射，随着输入光功率的增加，由于受激辐射，SOASOA中载流子的消耗相应增加，载流子浓度下降，导中载流子的消耗相应增加，载流子浓度下降，导致致SOASOA增益减少，即发生增益饱和现象。此时，如增益减少，即发生增益饱和现象。此时，如果把一束波长为果把一束波长为c （与目标波长相同）的连续探（与目标波长相同）的连续探测光注入测光注入SOASOA，当信号光，当信号光s处于高功率（逻辑处于高功率（逻辑1 1）时，由于时，由于SOASOA的增益饱和效应，探测光不能得到放的增益饱和效应，探测光不能得到放大（逻辑大（逻辑0 0