1、光交換技術綜述（現代交換技術課程報告）一、什么是光交換技術在通信領域中，傳統的交換技術屬于電交換，網絡中交換機接續的是電信號。對于 這種交換機，如果傳輸線路采用目前已經得到廣泛使用的光纖傳輸光信號，則需要在交 換機的輸入端，將光信號通過光/電轉換器件轉換為電信號，交換機內部對電信號進行 接續并送到輸出端口，輸出端口輸出的電信號再通過電 /光轉換器件轉換為光信號，然 后再發送到光纖上去。鑒于影響網絡通信能力的兩大主要元素是物理傳輸媒介和網絡轉接設備，現在，網 絡傳輸媒介已使用光纖，而很多網絡的轉節點處仍在使用電交換技術。因此，網絡轉節 點處的電交換技術成為了整個通信網絡性能提升的瓶頸。要消除通信

2、網絡性能提升的瓶頸，網絡轉節點處必須采用光交換技術。所謂的光交換技術是指不經過任何光/電轉換，在光域直接將輸入光信號交換到不同的輸出端。二、典型的光交換元器件實現光交換的設備是光交換機，而光交換機是由基本光交換器件組成的。因此，光 交換器件是構成光交換網絡的基礎。典型的光交換器件主要包括光開關、光耦合器、波 長轉換器和光存儲器，下面分別加以敘述。1、光開關構成一個電交換系統最簡單的方法是使用電開關，每個電開關都可以在通信信號的控制下，使它的入線和出線接通或斷開，從而使入線上的信號通過這個電開關出現或不 出現在出線上。將這些電開關排成陣列，在它們的控制端加上適當的控制信號，就可以 使得有些開關接

3、通，有些開關斷開，從而就實現了電信號的交換。同理，構成一個光交換系統最簡單的方法是采用光開關。與電開關不同的是，光開 關接通或斷開的是光信號。光開關在通信中的作用主要是：將某一光纖通道中的光信號接通或斷開；將某個光纖通道中的光轉換到另一個光纖通道中去；在同一光纖通道中將某種波長的光信號轉換成另一種波長的光信號；可以作為光開關的元器件種類繁多，下面主要介紹半導體光開關、耦合波導開關、硅襯底平面光波導開關三種光開關元器件。（1）半導體光開關（放大器）半導體光開關可以對輸入的光信號進行放大， 并且通過偏置電信號可以控制它的放 大倍數。如果偏置信號為0,那么輸入光信號就會被這個器件完全吸收，使輸出信號

4、為 0,相當于將光信號斷開。當偏置信號不為 0時，輸入光信號就會出現在輸出端上，相 當于將光信號接通。半導體光開關示意圖如圖 1所示。控制電流控制電流圖1半導體光開關（放大器）及等效開關示意圖（2）耦合波導開關半導體光開關具有一個輸入端和兩個輸出端，而耦合波導開關除一個控制電極外, 卻具有兩個輸入端和兩個輸出端，耦合波導開關的結構和工作模式如圖2所示。Ca）耦合波導開關結構耦合波導開關邏輯表示(b)圖2耦合波導開關耦合波導開關中使用的花酸鋰（LiNbO 3）是一種光電材料，它具有折射率隨外界電 場而變化的光學特性。在控制端不加電壓時，在兩個通道上的光信號都會完全耦合接到 另一個通道上去，從而形

5、成光信號的交叉連接狀態。 然而，當控制端加上適當的電壓后, 耦合接另一個通道上的光信號會再次耦合回原來的通道，從而相當于光信號的平行連接狀態。在同一個基片上配置多個此種類型的耦合器件，就可組成一個開關陣列。（3）硅襯底平面光波導開關圖3示出了一個2X2硅襯底平面光波導開關器件的結構圖。這種器件包含兩個3 dB的定向耦合器和兩個長度相等的波導臂。 波導芯尺寸為8mX8m,包層厚50岬 波導芯和包層的折射差較小，只有 0.3%。此器件的交換原理是基于硅介質波導內的熱一電效應，平時偏壓為0時，器件處于交叉連接狀態，但在加熱波導臂時（一般需 0.4W）,它可以切換到平行連接狀態。這種 器件的優點是插入

6、損耗小（0.5dB）、穩定性好、可靠性高、成本低，適合大規模集成， 但它的響應時間較慢。（4）液晶光開關液晶是介于液體與晶體之間的一種物質狀態。一般的液體其內部分子排列是無序 的，而液晶的分子是按一定規律有序排列的，這使得它呈現出晶體的各向異性。當光通過液晶時，會產生偏振面旋轉，雙折射等效應。液晶分子是含有極性基因團的極性分子，在電場的作用下，偶極子會按電場方向取 向，導致分子原有的排列方式發生變化，從而使得液晶的光學性質也隨之發生改變，這 種由外電場引起的液晶光學性質的改變稱為液晶的光電效應。液晶光開關工作原理如圖4所示。< a）未施加電場（b）施加電場圖4液晶光開關工作原理2、光調制

7、器在光纖通信中，通信信息由光波攜帶，光波就是載波，把信息加載到光波上的過程 就是調制。光調制器是實現電信號到光信號轉換的器件，也就是說，它是一種通過改變光束參 量來傳輸信息的器件，這些參量包括光波的振幅、頻率、位相或偏振態。目前廣泛使用的光纖通信系統均采用強度調制一一直接檢波系統，對光源進行強度調制的方法有兩類，即直接調制和間接調制。直接調制，又稱為內調制，即直接對光源進行調制，通過控制半導體激光器的注入電流的大小來改變激光器輸出光波的強弱。傳統的PD即口 2.5Gbit/s速率以下的SDH系統使用的LED或LD光源基本上采用的 都是這種調制方式。間接調制，這種調制方式又稱為外調制。即不直接調

8、制光源，而是在光源的輸出通 路上外加調制器對光波進行調制，此調制器實際上起到一個開關的作用。具結構如圖5所示。3、光波長轉換器在光通信中，最直接的波長變換是光/電/光變換，即把波長為入i的輸入光信號，由 光電探測器轉變為電信號，然后再去驅動波長為 入i的輸出激光器，這種方法的優點是 不需要定時，其結構示意圖如圖 6所示。放大牌入時光圖6光/電/光直接波長轉換器4、光緩存器光緩存器是用于信號處理、時間開關、排隊應用等目的的存儲器。由于光子是玻色 子，其靜止質量為0,不能停止運動，所以光子的存儲必須采用一種光子能在其間運動 的介質，這種介質可以稱為光緩存器。光緩存器從原理上分，有兩種典型的類型：基

9、于 光纖延遲的緩存器和基于光學雙穩態存儲的緩存器。(1)基于光纖延遲的緩存器基于光纖延遲的緩存器是依靠光信號在光纖上傳輸的延遲時間來達到光信號的存 儲的。代表性的有延遲線型緩存器、 光纖環型緩存器、反射光纖(FP腔)型緩存器，原理 如下圖所示。(c)反射光纖 (FP腔)型緩存器圖7基于光纖延遲的緩存器結構示意圖(2)基于光學雙穩態存儲的緩存器光學雙穩態存儲型緩存器是基于一些光學器件的構成介質具有雙穩態特性來實現 的。下圖給出了一個基于雙穩態激光二極管所構成的存儲器實例。該存儲器由一個帶有 用列電極InGaAsP/InP的雙非均勻波導構成，其中，用列電極是一個被溝道隔離開的兩 個電流注入區，但該

10、溝道沒有電流注入，其具有飽和吸收區的作用，該吸收區能夠抑制 雙穩態觸發器的自激振蕩，使器件產生輸入 -輸出滯后特性；I0是激活電流，用于達到 維持連續振蕩的目的；Ii為控制電流，用于調整雙穩態觸發器的特性。11光輸出圖8基于光學雙穩態存儲的緩存器結構示意圖三、光交換技術分類1、從交換方式角度分類(1)光路光交換光路光交換以整個光纖鏈路或者整個波長通道作為交換對象，典型的技術包括空分光交換、時分光交換、頻分/波分光交換、自由空間光交換、碼分光交換、混合光交換(2)分組光交換分組光交換是以通道上的各數據包作為交換對象。典型技術包括光分組交換、光突 發交換、光標記分組交換、光子時隙路由、ATMt交換

11、和多粒度光交換等。相對來說，光路光交換比分組光交換出現的要早，一些光路光交換技術也比較成熟, 但目前有關這兩類交換的研發工作都還處于繼續進行中， 分組光交換的研發工作尤其如 此。2、從控制方式角度分類(1)電控光交換：電控光交換是以電信號驅動/控制光通信信號的接續。(2)光控光交換：光控光交換是以光信號驅動/控制光通信信號的接續。目前，電控光交換在光交換領域中是主要方式。但由于其仍存在響應速度相對較慢 的固有局限性，因此，這種方式必然會被響應速度更快的光控光交換所取代。光控光交 換實際上是實現了全光交換功能。3、從介質角度分類根據其使用的介質材料不同，可分為:(1)光電交換光電交換技術使用帶有

12、光電晶體材料(諸如鋰鋰或鋼鐵)的波導。(2)光機械交換光機械交換是在交換機中通過移動光纖終端 /棱鏡來將光線引導/反射到輸出光纖 來實現輸入光信號的交換。(3)基于熱學的光交換基于熱學的光交換采用可調節熱量的聚合體波導。(4)液晶光交換液晶光交換使用液晶片、極化光束分離器(PBS)或光束調相器等材料。(5)微機電(Micro-Electro-Mechanical , MEM 技術光交換采用ME啦術的光交換使用了不同類型的特殊微光器件，這些器件由小型化的機械系統激活。四、典型光路光交換1、空分光交換空分光交換是指在選定的輸入和輸出端通過建立一條透明的物理通路實現交換，該條物理通路上的全部帶寬為這

13、對輸入/輸出端所獨占。空分光交換最基本的交換單元是2 X2光交換模塊，在輸入端具有兩根光纖，在輸出端也具有兩根光纖，如下圖所示。開 關有兩種狀態：平行狀態和交叉狀態。圖9空分光交換原理示意2、時分光交換時分交換是基于時隙互換的原理實現的。 時隙互換是指把N路時分復用信號中各個 時隙的信號互換位置，每一個不同的時隙互換操作對應于 N路原始信號與N條出線的一 種不同的連接，如圖。3、波分先父換波分光交換是指光信號在網絡節點中不經過光 /電轉換，直接將所攜帶的信息從一 個波長轉換到另一個波長上的交換方式。波分光交換網絡是實現波分光交換的核心器件，可調波長濾波器和波長轉換器是波 分光交換的基本器件。實

14、現波分光交換有兩種結構：波長互換型和波長選擇型。波長轉換器圖 光波解復用器、V A 波長轉換器波長轉換器光波復用器11波長互換型光交換網絡結構*#A單頻激光器單頻激光器丸)/星形耦合器I單頻激光器V Q.Xd可叮調波長濾波器4 可調波長濾波器XI數據輸入圖12波長選擇型光交換網絡結構4、自由空間光交換空分光交換的光通道是由光波導組成的，由于受到光波導材料特性的限制，光通過 帶寬有限，遠遠不能發揮光的并行性、高密度性的特點。與此相比，自由空間光交換結 構的級間互連不是通過波導，而是通過自由空間或者玻璃等均勻材料傳播，并且可以對 所有光路信息并行處理，從而較好地克服了空分光交換的上述局限性。自由空

15、間光交換網絡可以由多個 2X2光交叉連接元件組成，這種交叉連接元件通 常具有兩種狀態：交叉連接狀態和平行連接狀態。除耦合光波導元件具有這特性外，極 化控制的兩塊雙折射片也具有這特性， 前一塊雙折射片對兩束正交極化的輸入光束進行 復用，后一塊對其解復用。為了實現 2X2交換，輸入光束偏振方向由極化控制器控制， 可以旋轉00或90。00時，輸入光束的極化態不會改變；90。時，輸入光束的極化態 發生變化，正常光束變成異常光束，異常光束變為正常光束。這種變化是在后一塊雙折 射片內完成，從而實現了 2X2的光交換。異常光束正常光束異常光束正常光束折片雙射振制 偏控折片 雙射正常光束異常光束偏振雙折雙折正

16、常光束異常光束圖13由兩塊雙折射片構成的2X2交換單元4、混合光交換混和光交換也就是對若干小規模的空分光交換、波分光交換等不同交換結構按照一 定的規則進行有效組合，從而形成更大規模的交換網絡。典型的有：空分/時分混合交換系統、波分/空分混合交換系統、FDM/TDM1合交換系統、時分/波分/空分混合交換系 夕云 0例：波分/空分混合型交換網絡結構如下圖所示。空分光交換五、典型分組光交換光分組交換中所使用的分組占用定長時隙，分組頭部包含路由標記，采用固定比特 率編碼；凈荷部分占用固定時長，可使用變速率編碼，在分組頭部和尾部以及頭部和凈 荷之間還都設有防護時間。防護忖間分組頭部同步比特路由標簽防護忖

17、間凈荷同步比特U螂防護時間分組頭部分分罪并荷部分圖15光分組交換的分組格式1、光突發交換主要思路是采用雙波長概念，將所分離的分組凈荷和分組頭部在兩個不同的波長通 道上傳送。在傳送期間，首先在控制波長上傳送分組頭部，然后進行一定的時延，再在 數據波長傳送分組凈荷。在傳送路徑上的各交換節點對分組頭部進行電子處理，為即將 到來的分組凈荷預留資源，以保障凈荷到來時節點就可正確地將其傳送到相應的輸出端 I圖16光突發交換工作原理輸 出 端 口輸入端口1、光標記父換所謂光標記，是指利用各種方法在光包上打上標記，也就是把光包的包頭地址信號 用各種方法打在光包上，這樣在交換節點上就可以根據光標記來實現全光交換

18、。基于這 種原理來實現的光交換稱為光標記交換。光標記的產生和提取是光標記交換的核心技術。光標記信號一般是低速率信號，一 股在Mbit/s量級上，而光色的傳輸速率都在 Gbit/s量級上，目前光標記的產生大多數 從調幅、調相和調頻3個方面入手。光標記的提取本質上就是把光標記從復用信號中分 離出來0目前有多種方法實現光標記交換，包括寬脈沖光標記法、高強度脈沖光標記法、微 波副載波光標記法和電光調制光標記法等。六、ATM)t交換與電信號ATM交換類似，ATMt交換也是以ATM言元作為交換對象的一種交換技術， 只不過其交換的信元是光信號信元。下圖給出了一種ATM光交換的實現方式。在該種方式中，系統的輸入和輸出信號都 是電信號。在光發送端，輸入電信號首先被光調制器加以調制，該調制器的輸入載波信 號由超窄光脈沖激光發生器產生，與此同時，通過直接調制激光器產生含有路由信息的 控制信元，該類控制信元將與所對應的數據信元通過波分復用技術