1、光交換技術第1頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 光通信是利用光波來傳送信息的。 光纖通信具有信息傳輸容量大、對比特流透明、不受電磁干擾、保密性好等優點，是現代通信網絡中傳輸信息的極佳媒質，光交換被認為是為未來寬帶通信網服務的新一代交換技術。第2頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 本章主要介紹光交換的基本概念、光交換器件、光交換網絡和光交換系統，并對目前逐漸走向應用的智能光網絡ASON進行闡述。第3頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一概述11.1光交換器件11.2光交換網絡11.3光交換系統11.4自動交換光網絡11.5第4頁，共

2、81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一11.1 概述 21世紀的通信網應該是能提供各種通信業務的、具有巨大通信能力的寬帶通信網絡。 網絡業務將以寬帶視頻、高速數據、普通話音和多媒體等業務為主。第5頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 為提供這些業務，需要高速、寬帶、大容量的傳輸系統和寬帶交換系統。 目前，以電子技術為基礎的現代交換系統，無論是數字程控交換機、ATM交換機還是高速路由器，其交換容量都受到電子器件工作速度的限制。第6頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 在這種情況下，人們對光交換技術的關心日益增長，研究和開發具有高速、大容量交換潛

3、力的光交換技術勢在必行。 光交換被認為是為未來寬帶通信網服務的新一代交換技術，其優點主要集中在以下幾方面。第7頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一（1）運行速度快。（2）光交換與光傳輸匹配可進一步實現全光通信網。（3）降低網絡成本，提高可靠性。（4）具有空間并行傳輸特性。 第8頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一11.2 光交換器件11.2.1 光開關 光開關是完成光交換最基本的功能器件。 光開關主要用來實現光層面上的路由選擇、波長選擇、光分插復用、光交叉連接和自愈保護等功能。第9頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 光開關大致可分為

4、半導體材料的光開關、耦合波導光開關、M-Z干涉型熱光開關、液晶光開關、微機電系統（MEMS）開關等。第10頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 光開關的主要作用包括：一是將某一光纖通道的光信號切斷或接通；二是將某波長光信號由一個光纖通道轉換到另一個光纖通道；三是將一種波長的光信號轉換為另一波長的光信號（波長轉換器）。第11頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 光開關的特性參數主要包括：插入損耗、回波損耗、隔離度、串擾、工作波長、消光比、開關時間等。第12頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一1半導體光開關圖11-1 半導體光放及等效光開

5、關示意圖第13頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一2耦合波導光開關圖11-2 耦合波導光開關結構及邏輯表示第14頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一3M-Z干涉型電光開關圖11-3 M-Z干涉型電光開關第15頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一4液晶光開關圖11-4 液晶光開關工作原理第16頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一5微機電系統開關 圖11-5 移動光纖式光開關 第17頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一圖11-6 移動反射鏡式光開關第18頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31

6、分，星期一圖11-7 用16個移動反射鏡光開關構成的兩組44 MEMS開關陣列第19頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一11.2.2 波長轉換器 波長轉換器是一種能把攜帶信號的光波從一個波長轉換為另一個波長的器件。 波長轉換是解決相同波長爭用同一個端口時發生阻塞的關鍵。第20頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 理想的波長轉換器應具備有較高的速率、較寬的波長轉換范圍和高信噪比、高消光比，而且與偏振無關。第21頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 如圖11-8所示，最直接的波長轉換是光電光變換，即將波長為1的輸入光信號，由光電探測器轉變

7、為電信號，然后再去驅動一個波長為2的激光器，使得輸出波長變為2；另外一種是調制間接轉換，即在外調制器的控制端上施加適當的直流偏置電壓，使得波長為1的入射光被調制成波長為2出射光。第22頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一圖11-8 波長轉換器結構示意第23頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一11.2.3 光存儲器 光存儲器是實現時分光交換的基礎。 常用的光存儲器有光纖延時線和雙穩態激光二極管。第24頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一1光纖延遲線2雙穩態激光二極管第25頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一11.3

8、光交換網絡 光交換網絡完成光信號在光域的直接交換，而不需進行光電光變換。 根據光信號的復用方式，相應地有空分、時分、波分等交換方式。 若光信號同時采用兩種或三種交換方式，則稱為混合光交換。第26頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一11.3.1 空分光交換網絡 與空分電交換一樣，空分光交換是一種最簡單的光交換方式。 通過機械、電或光三種不同方式對光開關及相應的光開關陣列（矩陣）進行控制，為光交換提供物理通道，使輸入端的任一信道與輸出端的任一信道相連。第27頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 空分光交換網絡的最基本單元是22的光交換模塊。 如圖11-9所示

9、，輸入端有兩根光纖，輸出端也有兩根光纖。它有兩種工作狀態：平行狀態和交叉狀態。 第28頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一圖11-9 基本的22空分光交換模塊第29頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 可以采用以下幾種方式來組成空分交換模塊：（1）鈮酸鋰（LiNbO3）晶體定向耦合器，其結構和工作原理已在10.2節中介紹。第30頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一（2）用4個12光開關（又可稱為Y分叉器）組成22的光交換模塊。（3）用4個11光開關器件和4個無源光分路/合路器組成22的光交換模塊，如圖11-9(b)所示。 第31頁，共

10、81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 通過對上面的基本交換模塊進行擴展、復接，可以構成更大規模的光空分交換單元。第32頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一11.3.2 時分光交換網絡 光時分復用與電時分復用類似，也是把一條復用線分成若干個時隙，每個數據光脈沖占用一個時隙，N路數據信道復用成高速光數據流進行傳輸。第33頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 時隙交換離不開存儲器，由于光存儲器以及光計算機還沒有達到實用階段，所以一般采用光延時器件實現光存儲，如前面11.2節中提到的光纖延時線存儲器和雙穩態激光二極管光存儲器。第34頁，共81頁，2

11、022年，5月20日，3點31分，星期一 采用光延時器件實現時分光交換網絡的工作原理是：先把時分復用光信號通過光分路器分成多個單路光信號，然后讓這些信號分別經過不同的光延時器件，以獲得不同的延時，再把這些信號通過光合路器重新復合起來，時隙互換就完成了。 時分光交換原理示意如圖11-10所示。第35頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一圖11-10 時分光交換原理第36頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一11.3.3 波分光交換網絡 波分光交換可以采用波長變換或波長選擇兩種方法來實現。 波長開關是完成波分交換的關鍵部件，其交換原理如圖11-11所示。第37頁

12、，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一圖11-11 波分交換原理第38頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一圖11-12 波長選擇型波分交換網絡結構第39頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一11.3.4 混合型光交換網絡圖11-13 波分-空分-波分混合型光交換網絡結構第40頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一11.3.5 自由空間光交換網絡 由于光波作為載波在自由空間傳輸的帶寬巨大（約為100THz），為了充分利用帶寬資源，科學家們開始研究自由空間光交換網絡系統。第41頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，

13、星期一 在空間無干涉地控制光的路徑的光交換稱為自由空間光交換。 它是最早的光交換，其構成比較簡單，只要移動棱鏡或透鏡即可。第42頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 典型的自由空間光交換是由二維光極化控制的陣列或開關門器件組成。 另外，使用全息光交換技術也可以構成大規模的自由空間光交換系統，而且無需多級互連。第43頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一自由空間光交換網絡可以由多個22光交叉元件組成，除了前面介紹過的耦合光波導元件具有交叉和平行連接兩種狀態，可以構成22光交叉連接外，極化控制的兩塊雙折射片也具有這種特性。第44頁，共81頁，2022年，5月2

14、0日，3點31分，星期一圖11-14 由兩塊雙折射片構成的空間光交叉連接元件第45頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一圖11-15 自電光效應器件的結構及其特性曲線第46頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一11.4 光交換系統1光交換技術分類 和電交換技術類似，光交換方式可分為光路光交換和分組光交換兩大類型，如圖11-16所示。第47頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 不同的光交換技術完成不同粒度的信息交換，其中，波導空分、自由空間光和波分光交換類似于電路交換，是粗粒度的信道分割；時分交換或分組交換的信道分割粒度較細。第48頁，共8

15、1頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一圖11-16 光交換技術分類第49頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一2OADM和OXC 組成WDM光網絡的主要節點設備是OADM（Optical Add-Drop Multiplexer，光分插復用器）和OXC（Optical Cross-Connect，光交叉連接器），二者通常由WDM復用/解復用器、光交換網絡（矩陣）、波長轉換器和節點管理系統組成，主要完成光路上下、光層帶寬管理、光網絡的保護、恢復和動態重構等功能。第50頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一圖11-17 基于波分復用/解復用和光開關的O

16、ADM結構示意第51頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 圖11-18 波長交叉連接示意 第52頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 圖11-19 波長變換交叉連接示意第53頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一3光分組交換系統 光分組交換能夠在非常小的粒度上實現光交換/選路，極大地提高光網絡的靈活性和帶寬利用率，非常適合數據業務的發展，是未來光網絡的發展方向。第54頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 光分組交換系統的結構如圖11-20所示，它主要由輸入/輸出接口、交換模塊和控制單元等組成。 其關鍵技術主要包括光分

17、組產生、同步、緩存、再生、光分組頭重寫及分組之間的光功率均衡等。第55頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一圖11-20 光分組交換系統結構示意圖第56頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 光分組交換具有下列特點：（1）交換粒度小，能與IP分組很好地兼容。（2）容量大、可配置、數據率和格式透明，可支持不同類型的數據交換。第57頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一（3）提供端到端的光通道或者無連接傳輸，帶寬利用效率高，適應性好，能提供各種服務。第58頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一（4）將大量的交換業務轉移到光域，

18、交換容量與WDM傳輸容量匹配，同時便于與OXC、MPLS等新技術結合，實現網絡優化與資源的合理利用，資源利用率高、適應突發數據能力強。第59頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 但光分組交換也存在下列不足：（1）實現復雜，對光器件的性能要求高，光邏輯器件不成熟。（2）缺乏深度和快速的光記憶器件，在光域難以實現與電路由器相同的光路由器。第60頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一（3）由于突發數據分組需要在中間節點存儲轉發，需要有效的光隨機存儲器。（4）在光分組交換節點處，難以實現多個輸入分組的精確同步，需要靈活高效的光域同步技術。第61頁，共81頁，202

19、2年，5月20日，3點31分，星期一11.5 自動交換光網絡 20世紀90年代以來，基于SDH/WDM的光傳送網在電信網中獲得了廣泛的應用。 其快速的保護功能、優越的管理性能使之成為電信網的主要傳輸手段。 然而，隨著網絡業務的發展和用戶需求的提高，傳統的光傳送網暴露出下列缺陷。第62頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一（1）業務配置復雜。（2）帶寬利用率低。（3）保護方式單一。 第63頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一1ASON的體系結構圖11-21 ASON的體系結構第64頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一2ASON的技術特點（

20、1）支持端到端的業務自動配置。智能化的網元能直接感知網絡拓撲，處理速度快、生存能力強。（2）網絡資源和拓撲的自動發現。第65頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一（3）支持流量工程，網絡可根據業務需求，實時動態地調整網絡資源，實現最佳配置。（4）支持Mesh組網保護，增強了網絡的可生存性。第66頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一（5）便于引入新的業務類型，如按需帶寬業務（BOD）、波長批發、波長出租、分級的帶寬業務（SLA）和光層虛擬專網等。第67頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一3ASON的關鍵技術 ASON的實現依賴其控制機制，

21、包括自動發現、路由、信令、呼叫和連接控制，以及保護和恢復機制等。第68頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一4向ASON的演進（1）重疊模型（2）集成模型第69頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一本 章 小 結 光纖具有信息傳輸容量大、對比特流透明、不受電磁干擾、保密性好等優點，是現代通信網中傳送信息的極佳介質，光交換被認為是為未來寬帶通信網服務的新一代交換技術。第70頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 純粹的光交換，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。第71頁，共81頁，2022年，5月20日，3點3

22、1分，星期一 但由于目前光器件的功能還較簡單，不能完成復雜的邏輯控制功能，因此現有的光交換控制還要由電信號來完成，即電控光交換。 隨著光器件技術的發展，光交換技術的最終發展趨勢將是光控光交換。第72頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 光交換的基礎器件包括各種光開關（半導體、耦合波導、M-Z干涉型電光、液晶、微機電系統等）、波長轉換器、半導體激光放大器、光耦合器、光調制器和光存儲器等，利用這些器件可以構建不同的光交換結構（空分光交換、時分光交換、波分光交換、混合型光交換、自由空間光交換）。第73頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 和電交換技術類似，光交換技術也可分為光路光交換和分組光交換兩大類。第74頁，共81頁，2022年，5月20日，3點31分，星期一 光路光交換系統所涉及的技術有空分交換