第9章-光交换技术-n

第6章光交换技术1与电交换系统一样，光交换系统按其功能和结构可分为光交换网络和控制回路两大部分。把光交换引入交换系统的主要研究课题是如何实现交换网络和控制回路的光化。由于光逻辑操作和数据处理算法方面的技术尚未成熟，所以现在研制的光交换系统还是一个光交换网络与电子控制回路相结合的混合系统，并主要围绕交换网络进行研究。从交换方式上分，光交换技术可分为电路交换和分组交换。电路交换方式又可分成：空分(SD)、时分(TD)和波分／频分(WD／FD)、码分(CD)交换等。光分组交换中，ATMOS(异步转移模式光交换机)是近来广泛研究的一种光交换方式。26.1光交换的概念光交换分两种类型，即光路交换和光分组交换。光路交换便于和传统电信网及面向连接的ATM技术结合，因而研究得最多，也最接近实用化，但随光分组交换机和WDM技术的成熟，毫无疑问光分组交换WDM网络是IP业务的最佳承载实体。下面以波分交换方式叙述这二种交换力式。

31.光路交换波分光路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转移到另一个任意指定的波长。波分光交换能充分利用光纤的带宽。它利用了N个波长，每个输入的光波被可调谐激光器(TL)变成λ1…λN中的某一个波长的光波，用星型耦合器将这N个光波混合，利用输出端波长可调谐光滤波器(TF)分别选出所需波长的光波，从而实现了这N个光波的交换。4波分光交换的优点：各波长信道比特率具有独立性．可交换各种速率的带宽，交换控制电路运行速度不必很高。波分光路交换是光路交换机的一种，它和空分光交换、光时分交换等结合产生的复合光交换在实际的研究和开发中取得很大进展，如ALCATEL公司的光子ATM交换机。

5图1波分交换原理图62.光分组交换波分光分组交换是光分组交换机的一种，实际的应用中也是多种交换方式的组合，图2是三种交换方式(波分、空分、时分)结合的光分组交换机的结构示意图。7图2光分组交换机示意图8光分组交换机可分为三个功能块：波长选路由功能块：完成分组的首部提取，对照路由表完成地址解析，主要包括光电转换、定时同步、电域的分组分析与控制、波长变换器几个部分。光缓存功能块：要保证交换机的高速大容量高速缓存是关键，由于还没有全光RAM，光缓行只能是电控制的光纤延迟线阵列完成，用电信号来控制光开关选通不同的光纤长度(对应时间)从而完成不同的存储时间。9交换功能块：完成分组交换，交换矩阵采用空分矩阵。波长选路由功能块，有两种实现力法，采用高速光开关从IP信号直接提取路由。以便实现光IP，另一种光电混合式，端口数为i的光纤携带WDM信号经解复用器解复用为λ1…λN波长的光信号分别经光电变换进行分析和控制，其输出的电控信号控制同步定时并根据路由选择策略决定分组的去向(即确定波长子集中的波长)，同时控制波长变换器，实施波长选路由。N条路由的分组都通过光缓存排队，以保证任意时隙任意输出波长上只有唯一确定的分组。106.2光交换器件1.光开关器件光开关是光交换的关键器件，它在光网络中有许多应用场合。光开关的开关速度或称开关时间是一个重要的性能指标，不同的应用场合对开关时间的要求是不一样的，如光通道的设置开关时间为1～10ms，保护倒换的开关时间为1～10us，分组交换的开关时间为lns，外调制器的开关时间为10ps，除了开关时间外还有一些参数来衡量光开关的性能。

11(1)通断消光比。是指光开关处于通(开)状态时输出的光功率和处于断(关)状态时的输出光功率之比。通断消光比越大光开关性能越好，这对外调制器尤为重要，机械开关的通断消光比较大约40～50dB。(2)插入损耗(简称插损):是指由于光开关的使用导致光路上的能量损耗，常以dB表示，越小越好，当开关处于不同的输入输出连接状态时，插入损耗有可能不一致即插入损耗的一致性差，这对于实际的应用是不希望的。

12(3)串扰，是指某输出瑞的功率除了来自希望的输入端口外还有来自不希望的输入端口的功率，二者光功率之比称为串扰。(4)偏振依赖损耗。由于偏振引起的光功率的损耗。131)机械开关

机械开关，开关的功能通过机械的方法实现，如通过将镜片移出或置入光路就可实现光信号的通断。另一种机械开关是方向耦合器，通过弯曲或拉伸耦合区的光纤从而改变方向耦台器的耦合比，因而可以在输入输出之间实现光的通断。2)电光开关

电光开关，2×2的电光开关也可以利用方向耦合器。但不是通过改变光纤的长度而是改变耦合区材料的折射率。一种常用的材料是铌酸锂(LiNbO3)。电光开关的开关速度快，易于集成。143)热光开关

热光开关，2×2的热光开关是一个MZI干涉仪。通过改变其中一个臂的折射率(受温度的影响)使两臂上光信号之间的相差有所改变，从而使光信号在两输出端之间切换。MZI可以在硅或聚合物基片上集成，但开关速度和串扰性能不太好。4)SOA光开关

SOA(Semiconductor0picalAmplifier)半导体光放大器光开关，利用半导体光放大器，通过改变SOA的偏置电压就可实现开关功能，当偏置减少时，没有粒子数反转，因而吸收光信号，当偏置增加时，放大输入信号，因而当SOA处于吸收和放大态时，通断消光比很大，同时易于集成，开关速度快，但偏振敏感。15图3电光开关

图4热光开关16图5SOA开关图6SOA开关阵列172.光缓存器件

光信号的存储和逻辑运算对于光交换是必要的，采用光纤延迟线来存储光信号的有两种方案。一个是由2×2的光开关和光纤延迟线级连的前向延迟线，另—个是由4×4的光开关和光纤延迟线级连的后向延迟线。前向和后向延迟结构各有优缺点：前向结构光信号(如光分组或比特)可在到达时隙或随后的三个时隙最多有3次机会到达正确的输出端口，而后向结构光信号的延迟时间可以是无限制的即想储存多长就多长，但实际上做不到，因为光开关有损耗，实际上也就几次：前向结构中光信号不管延迟多长时间通过的光开关数是一样的，因而对信号的衰减是相同的，这一点比反馈(后向)结构有优势。插入损耗微小的差别会引起网络中信号动态范围的减小。18图7光缓存器件193.光逻辑器件

光开关器件分为两大类．一类为无源器件，如上面介绍的各种光开关就属于无源器件，它们在一定的控制信号下，完成光信号的选路和切换，不从输入光信号中提取信息实现输入光信号的透明传送。另一类为有源光器件，如光逻辑器件，该类器件光信号控制它的开关状态，它们可执行各类布尔逻辑运算，相对光开关来说开关速度较慢，在两次开关动作之间要完成置位／复位动作。目前较成熟的有对称型自电光效应(S—SEED)器件，基于多量子阱DFB的光学双稳器件，基于光学非线性的与门等。20由于高的功率、精确的温度控制和准确的偏置电压等要求限制了光逻辑器件的发展，然而SEED尤其S—SEED的出现克服了上述问题，它的两差分逻辑、低的开关能量、很宽的双稳磁滞宽度使得它很快应用于光计算机的光时钟提取和光波长调制／变换中，由S-SEED制成的逻辑阵列电压低，对比度好。

21S-SEED的原理。S-SEED(Symmetric-SelfElectro-opticEffectDevice)原理图如图7.10所示，由两个SEED二极管和中间电压构成，SEED二极管实际上是一个PIN，只不过I层(本征层)是一个MQW(多量子阱)调制器，MQW调制器具有负阻抗特性即减少偏置电压光生电流(吸收)反而增加。当其中一个SEED的输入光功率远远大于另一个SEED的输入光功率时则正的反馈引起整个电源电压降压在小功率照射的SEED二极管上，该SEED二极管处于最大吸收态，另—个处于最小吸收态(反射状态)。每一个SEED二极管相当于一个双稳器件。

22图8S-SEED组成的光双稳逻辑器件236.3光交换网络1.空分光交换

空分光交换是根据需要在两个或多个点之间建立物理通道。这个通道可以是光波导，也可以是自由空间的波束。信息的交换通过改变传输路径来完成。1)空分交换空分交换中的核心器件是光开关。人们根据不同的机理研制出多种2×2光开关，然后再用这些2×2光开关单元构成大规模交换矩阵。242)自由空间光交换是指在自由空间无干涉地控制光波路径的一种技术。它一般采用阵列器件和自由空间光开关，因此必须对阵列器件进行精确的校准和准直。空间光调器(SLM)是由排成方阵的许多个基本元件构成。每个元件的“透明”程度是靠外加电信号控制的，因此根据需要，适当设置不同的外加电信号即可使得入射光信号通过(透明)或不通过(不透明)，实现N×N光开关阵列。25自由空间光交换的优点是对所需的互连不用物理接触，没有信号干扰和串音干扰，具有高的空间带宽和瞬时带宽(它在lmm内具有高达10μm的分辨率)，而且色散很低。这种交换通过平行反射提供很高的信号互连性，这类光交换系统能够提供比波导技术更优越的系统性能，所以自由空间光交换被认为是一种新型交换技术，其构成器件可以是二维阵列连接芯片，而不是像连接电线和光纤那样只有一维接口。据报道AT&T研制了32×32自由空间交换结构达到了100Mbit／s的交换速率。26图9自由空间光交换27(1)位相计算全息光栅分束器近年来，随着光计算、光互连、光交换技术研究的不断深入，尤其是“信息高速公路”的发展和需要，对光互连网络及其光学实现方法提出了更高的要求。位相计算全息光栅是光互连网络中的一种重要的光学分束元件，由于它可以将一束激光束分为一维和二维多束等光强（或非等光强）的光点列阵，使用方便，因而在光通信、光计算、光互连、光交换、光盘存贮、图象处理等领域具有广泛的应用前景。尤其是在光计算、光互连领域，随着自由空间光交换网络的飞速发展，光学信道越来越密，互连数越来越多，而且随着光逻辑器件的发展，如SEED（自电光效应器件）、S-SEED、FET-SEED、CMOS-SEED灵巧象元器件的出现，对位相计算全息光栅的要求越来越高。28由于信号通道数及光逻辑器件接收窗口呈偶数分布，用传统方法设计制作的奇数点阵分束光栅已不能满足光互连网络的要求，必须研制具有偶数点阵且具有大的点阵分束能力的光栅分束器件。利用位相计算全息光栅的分束能力,其每一束光都可作为一个光信号的载体,实现大容量、高密度信息的并行传输,并可给光逻辑器件提供泵浦光功率,完成特定的互连函数的功能,使光互连网络模块朝着小型化、集成化、实用化的方向发展,为研制光互连并行处理高性能计算机系统和大容量宽带综合业务数字光学通讯网络系统提供重要的大点阵数信号光束分束器件。29(2)位相型菲涅尔衍射微透镜列阵它的设计理论主要是基于光学衍射理论，可以完成一些通用的和新的光学功能，大大增强了光学系统设计的优化能力和材料的选择余地。自由空间微光学平面集成器件的制作方法是将计算机优化设计和大规模集成电路技术相结合，采用高精度的光刻技术和反应离子刻蚀技术，将设计的二元或多位相台阶的表面浮雕图形结构转移到一定的基片或膜层材料上，其位相台阶的剖面结构呈矩形状。30基于这种原理设计制作的占空比不规则的位相计算全息光栅和多位相菲涅尔衍射微透镜列阵是两种颇具实用价值的自由空间微光学器件，它们在光互连、光通信、图象处理、光盘存储等领域，对于减小光学系统的体积，使之符合集成化、模块化的要求起着重要作用。31对不同空间光交换网络进行评价的主要性能指标有：(1)基本光开关数和可集成度基本光开关数和可集成度大致反映了交换单元的成本。对给定的交换容量来说，当然所需的基本光开关数越少越好，同时尽量采用集成光路技术，以降低成本(2)阻塞特性(3)光路损耗光路损耗与经历的光放大器数量有关，直接影响交换单元的成本和复杂性。它大致与交换网络的级数成正比。提高工艺，增加光路的集成度，以及完善与光纤的匹配技术是减少损耗的主要途径。(4)信噪比322.时分光交换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ti转换成另一时间位置tj。信号的时分复用可分为比特复用和块复用两种。由于光开关需要由电信号控制，在复用的信号间需要有保护带来完成状态转换．因此采用块复用比采用比特复用的效率高得多，而且允许光信号的数据速率比电控制信号的速率高得多。33要完成时分光交换，必须有时隙变换器完成将输入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。双稳态激光器可用作光缓存器，但是它只能按位缓存，且还需要解决高速化和扩大容量等问题。光纤延时线是一种比较适用于时分光交换的光缓存器。它以光信号在其中传输一个时隙时间经历的长度为单位，光信号需要延时几个时隙，就让它经过几个单位长度的光纤延时线，所以目前的时隙交换器都是由空间光开关和一组光纤延时线构成的。空间光开关每个时隙改变一次状态，把时分复用的时隙在空间上分割开．对每一时隙分别进行延时后，再复用到一起输出。34

鉴于光时分系统与光传输系统很好配合构成全光网，所以光时分交换机技术研究开发进展很快，其交换速率几乎每年提高一倍，然而开发大容量的时分交换系统还有许多关键性的技术难点没有得到解决。与此同时，OTDM技术代表了光信号复用技术的一个方向，只要解决了光信号的处理问题，光时分交换技术就可以用在未来的光程控交换机中。

ATM光交换机(ATMOS)是典型的光时分交换机。

35图10OTDM交换363.波分光交换

在光纤通信系统中，波分复用(WDM)或频分复用(FDM)都是利用一根光纤来传输多个不同光波长或光频率的载波信号来携带信息。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移到另一个波长上。波分光交换能充分利用光路的带宽特性，可以获得电子线路所不能实现的波分型交换网络。与时分光交换系统相比，波分光交换有两个优点：①各个波长信道比特速率具有独立性，交换各种速率的带宽信号不会有什么困难：②交换控制电路的运行速度不必很高，—般电子电路就可以完成。374.码分光交换

光码分复用(OCDMA)是一种扩频通信技术，不同用户的信号用互成正交的不同码序列来填充，这样经过填充的用户信号可调制在同一光载波上在光纤信道中传输，接收时只要用与发方向相同的码序列进行相关接收，即可恢复原用户信息。由于各用户采用的是正交码因此相关接收时不会构成干扰。由于采用不同的扩频码序列对码元进行填充，因此关键是扩频编解码。码分光交换的原理就是将某个正交码上的光信号交换到另一个正交码上，实现不同码字之间的交换。码分光交换与光时分交换相比不需要同步。385.复合光交换

复合型光交换(CompositeTypePhotonicSwitching)技术是指将以上几种光交换技术有机地结合，根据各自特点合理使用，完成超大容量光交换的功能。例如将空分和波分光交换技术结合起来，总的交换量等于它们各自交换量的乘积。常用的复合光交换方式有：空分+时分、空分+波分、空分+时分+波分等。

396.光分组交换光分组交换完成以下功能：(1)选路：分组在分布网络中从开关的输入到开关输出或从源到目的地需要选路。分组头以与数据不同的分组传送、处理以便正确设置开关的状态。(2)流量控制与竞争解决方案：开关网络中分组不能相互碰撞、争用资源，常用的解决方案有：缓存、阻塞、分流、缺陷选路等，以防止分组在开关网络链路上阻塞和开关输出端口的争用。

40(3)同步：在开关的输入端口分组之间必须同步以便分组之间正确地进行选路、交换。(4)头的产生/插入：新的分组头的产生并在合适的输出端口插入到负荷中去，在多跳网中分组头的产生与插入应与分组在网络中的时间无关。41图11光分组交换427.光突发交换技术随着全球范围内IP业务的迅猛增长，对传送网带宽和交换系统容量的需求正以前未有的速度增加。目前，在光层利用DWDM技术，可以使一根光纤的可利用带宽达到10Tbit/s左右，可以满足较长时期内对传送网带宽的要求。然而，采用通常的电路交换技术(时分、空分及波长交换)的交换速率远低于这个数值。这样，两者的失配对交换技术的发展提出了新的要求。43从长远来看，OPS(OpticalPacketSwitching，光分组交换)是光交换的发展方向，但OPS存在着两个近期内难以克服的障碍：一是光缓存器技术还不成熟，目前实验系统中采用的光纤延迟线(FDL，FiberDelayLine)往往比较笨重、不灵活，存储深度有限；二是在OPS的节点处，多个输入分组的精确同步难以实现。因此，在短时期内光分组交换的商业应用前景还不被看好。在这种情况下，Chunming

Qiao和J.S.Tumor等人提出了新的光交换技术-OBS(OpticalBurstSwitching，光突发交换)，作为电路交换向分组交换的过渡技术。OBS使用的带宽粒度介于电路交换和分组交换之间，比电路交换灵活、带宽利用率高，比光分组交换更贴近实用。441)光突发交换概念

在OBS网络中，基本交换单位是突发(burst)。OBS中的“突发”是由具有相同出口边缘路由器地址和相同QoS要求的IP包组成的超长IP包，这些IP包可以来自传统IP网中不同的电IP路由器。突发数据是光突发交换网中的基本交换单位。OBS中BCP(BurstControlPacket，控制分组，相当于分组交换的分组头)与突发数据(净载荷)在物理信道上是分离的，每个控制分组对应一个突发数据。45例如，在WDM系统中，控制分组占用一个或几个波长，突发数据则占用所有其他波长。在OBS中，突发数据从源节点到目的节点始终在光域内，而控制信息在每个节点都需要O/E/O的变换以及电处理。控制信道(波长)与突发数据信道(波长)的速率可以相同，也可以不同。OBS网由光核心路由器和电边缘路由器组成，边缘路由器负责将传统IP网中的数据封装为光突发数据以及反向拆封，核心路由器的任务是对光突发数据进行转发与交换。数据信息在OBS网中不进行O/E、E/O变换。462)光突发的关键技术(1)组装算法边缘路由器的组装部分(Assembler)根据从端口通道输入的数据包目的地址和服务等级(QoS)，把这些数据包整理到相应的突发(Burst)缓冲堆中。突发包的组装一般需要考虑两个参数，一个是组装时间，另一个是突发包的最大长度。目前有下列几种组装算法。固定组装时间(FAT)固定组装长度(FAZ)自适应组装长度(AAZ)47(2)控制协议①JET协议

恰量时间(JET)协议是基于电突发交换技术RFD(预留固定周期)在光域中的突发交换控制协议。它采用了两种独特的特性，即偏置时间和延迟预留。JET允许数据信道的交换完全在光域中进行，它的控制是由在电域处理的突发控制分组信息决定。控制分组要先于突发数据分组发送，即控制分组与其相应的突发数据分组在源端发送时，有一个偏置时间的间隔。突发数据与其头部分离发送和交换容易实现，并降低了对核心节点在头部处理和光电处理能力的需求。而且，通过分配额外偏置时间，JET可以在光域扩展支持优先级业务。48②基于优先级的JET协议基于优先级的OBS预留机制有多种，其中最常见的一种是基于额外偏置时间的JET协议，即pJET。在这个协议中，优先级高的光突发分组分配一个更长的额外偏置时间，只要它的额外偏置时间大于低优先级业务最大分组的持续时间，就可以保证高优先级业务不会受到低优先级业务的影响。

49(3)冲突处理在