光交换技术论文报告

课程论文

（光交换技术）

课程名称光纤通信

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指导教师

学习时间：2014 年 2 月至2014 年 4 月28 日

摘要：随着光纤通信技术的迅速发展, 光不再仅仅作为信息的载体和传输手段, 它在信息的交换中作用也越来越大而且它将成为未来宽带通信网中最具潜力的新一代交换技术。

关键词：光交换时分光交换空分光交换波分交换光交换应用

1 光交换技术的产生背景

十多年来，光纤已经成为通信网的重要传输媒介，现在世界上大约有60%的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网已广泛使用光纤传输。在一些发达国家, 随着光纤传输从中继网向用户网推进, 每秒数百兆比视频通信业务可能会像现在的电话通信一样普及, 网络交换节点所需容量是现有电话网的1000~10000倍, 其交换节点容量至少是太比(Tbit/s)级的。以电子技术为基础的交换方式, 无论是数字程控交换, 还是适合B一IS D N 的A T M 方式, 它们的交换容量都要受到电子器件工作速度的限制, 即使最新开发的电子A T M 交换系统最大容量也被限制在1600Gbit/t 左右, 最终难以实现高速宽带信号的交换。因此，先进的光交换技术以其高速，高宽带的特点而备受瞩目。

2 光交换技术的基本概念

光交换（photonic switching）技术是用光纤来进行网络数据、信号传输的网络交换传输技术。它是在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端, 完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路。

2.1 光交换技术的特点

2.1.1 高宽带

光交换技术最大的优点就是它的比特速率透明性, 即相同的光器件能应用于比特速率不同的系统。一个电子交换单元最大业务吞吐量为1 G bi t/ s , 经并联复用也只能达到每秒几吉比特而一个光开关就可能有每秒数百吉比特的业务吞吐量, 可以满足大容量交换节点的需要。

2.1.2 极高速

由于电子器件受到电子电路的电阻电容时延和载流子渡越时间的限制,并且电驱动的光开关也要受到电子电路工作速度的限制，因此其运行速度最高只有20 Gbit/s左右。而光控光开关速度可达10-12s级, 利用光控器件就能实现超高速的全光交换网。

2.1.3 空间并行传输信息的特性

光交换不受电磁波影响，可在空间并行进行信号处理和单元连接，可做二维

或三维连接而互不干扰,是增加交换容量的新途径。光交换不受电磁波影响,可在空间并行进行信号处理和单元连接,可做二维或三维连接而互不干扰,是增加交换容量的新途径。

2.2 光交换的组成部分

2.2.1 光开关

光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口。其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光器件。它操作灵敏度极高，能在皮秒内进行操作。

2.2.2 波长转换器

波长转换的原理是光/电/光型的WC先将光信号转换成电信号，经定时再生后，产生再生的电信号和时钟信号，再用该电信号对标准波长的激光器重新进行调制，从而实现波长变换。

它不仅增加光交换网络灵活性，而且还降低了网络阻塞。对光网络波长转换节点的设计方案也有很多。最简单的当然是专注式的转换节点设计，也就是在复用前，给每个通道都各配置一个波长转换器，显然这样作是元件利用率最低的。一些波长转换器的共享方案，也被陆续提出，常见的有节点共享式（SPN）和链路共享式（SPL）两种。

2.2.3 光存储器

光存储器是由光盘驱动器和光盘片组成的光盘驱动系统,光存储技术是一种通过光学的方法读写数据的一种技术,它的工作原理是改变存储单元的某种性质的反射率,反射光极化方向,利用这种性质的改变来写入存储二进制数据.在读取数据时,光检测器检测出光强和极化方向等的变化,从而读出存储在光盘上的数据.由于高能量激光束可以聚焦成约0.8μm的光束,并且激光的对准精度高,因此它比硬盘等其他存储技术具有较高的存储容量。

2.2.4 光调制器

光调制器是高速、短距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。电光调制器是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件，它在损耗、功耗、速度、集成性等方面都优于其他类型的调制器。在整体光通信的光发射、传输、接收过程中,光调制器被用于控制光的强度,

其作用是非常重要的。

2.2.5 光滤波器

光滤波器是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过。它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用。

3 光交换技术

3.1 时分光交换技术

时分光交换是以时分复用为基础，把时间划分为若干互不重叠的时隙，由不同的时隙建立不同的子信道，通过时隙交换网络完成话音的时隙搬移，从而实现入线和出线间话音交换的一种交换方式。

原理：把时间划分成帧，每帧划分为N个时隙，并分配给N路信号，再把N路信号复接到一条光纤上。在接收端用分接器恢复各路原始信号，如图1所示。

图1

3.2 空分光交换技术

空分光交换技术就是在空间域上对光信号进行交换，其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输出光纤之间构成通路。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。

原理：将通过WDMX将不同光纤中的不同波长的信号分离出来，然后再将相同波长的信号传输，最后再经过WMUX组合在一起传输，如图2所示。

图2

3.4 波分交换技术

光波长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。它根据光信号的波长进行通路选择。

原理：如图3所示，光纤中不同波长的信号经过光滤波器后分解为各种不同波长的信号，进行传输。接着将这些不同波长的信号进行波长转换，最后用合并器进行合路，再输出一个多路复用的光信号。

图3

4 光交换技术的应用

4.1 微电子机械系统（MEMS）

MEMS是使用一个微小反射镜的阵列在光纤之间,对不同波长的光重新定向的一种技术。这些反射镜由半导体材料(如硅)制成,结构类似于集成电路。一个256×256的MEMS阵列使用直径为1. 5 mm 的反射镜。这些反射镜每隔1mm被放置一个,并且完整的阵列被放置在一个硅的晶片上,每一面的直径都是2.5cm。作为比较,这个阵列大约比电子交换矩阵密32倍,而且因为光不需要把256个波长的光转换为电信号,所以该交换机大约消耗了传统光交叉连接功率的百分之一。

图4

在MEMS 交换处理器中的软件决定了将哪一条光纤作为输出光纤。控制软件发送一个信号给一个电极,这个电极产生一个电磁场,于是就把反射镜调整到了所希望的角度上。因为二维反射镜的设计、结构和使用比使用三维阵列有更多的优点, 所以它们很可能成为用于新一代全光交换机的技术。

4.2 液晶光交换技术

液晶光开关是利用其偏振特性来完成交换的。液晶是一个细长的、几乎是一维形状的分子链。当电场加到液晶上时,它们排列成行并且变得不透明,仅仅允许光在一定的方向上通过。图5显示了液晶光开关的工作原理。

图5

液晶交换系统有一个默认的设置,在没有施加电压时,光波被自动引导通过这个默认路径; 当加入电压时,一条新的路径被创建出来,如图2中的虚线所示。因为液晶不仅能改变光的方向, 而且也能抑制光的通过量,所以十分适合应用于光交换机中,并且更适用于小型的波长选择的交换机。

4.3 气泡光开关技术

一种使用在打印机上的非常流行的技术现在也成了光交换技术的核心,这就是气泡技术。该技术是在Si材料中做出偏振光束分支波导( PBS) ,再在每个分支波导交叉点处刻蚀出某种角度的槽,并将沟槽内装上与折射率匹配的液晶,液晶槽下面是电热器。不加电时光束直通,当加热硅片相应点上的电热器时,其上面的液晶体内产生出一种气泡,经过全反射,使来自输入波导的光改变方向,反射到要求输出的光波导。PBS 起路由器作用,把信号引向要求的出口。工作原理如图6所示。

图6

图6的左半部是光按照它默认的路径通过各层,由于没有任何东西阻挡它的路径,于是它直接通过已经建立的路径。在图3的右半部,我们看到当信号需要被

发送到不同的输出端口时所发生的事情。在这种情况下,光通过一个二氧化硅的沟槽,由于交换机决定光波必须被重新分配路径,这样,一个气泡膨胀了,阻塞了路径,于是光波就沿着新的路径继续前进。

4.4 热光波导技术

波导是集成电路上的通路, 可以使用与制造集成电路一样的工艺过程来制造。波导与普通光纤一样,仍然包括芯部和涂覆层。热光波导使用温度上的变化来改变光波通过波导的相位,作为相位变化的结果,光波可以采用不同的路径通过波导。热光交换器件有一个输入波导,两个输出波导。在输入和输出之间,是两个短的内部波导,它分离输入的光。原理如图7所示

图7

光通过两个路径被发送,一个是正常路径,而另一个是通过上面加有电压的小电阻来加热的路径。温度的变化加热了一个波导,引起了这个波导在物理上的增长。这个增长改变了光波的相位,当光波一起返回时,相位差就把光波推进了第二个输出波导中。如果没有对分离的波长加热,那么当它们重新合并的时候,它们都将通过默认的路径前进。热光技术主要使用在制造小型的光交换机中,一般大小是1×1、1×2和2×2。因为它是一个二维技术,所以大的交换机可以通过结合同样晶片上1×2的部件来制造。

5 光交换的发展趋势

5.1 智能化

目前大部分交换设备张的光路或波长的连接部分都是有人工配置的，这种方式效率低并且操作复杂，容易出错。而未来的光网络将引入智能光交换技术，自动地配置网络，实现网络节点间路由的自动调度配置，优化网络资源的分配，维护网络拓扑的完整一致。

5.2 全光交换

所谓全光交换是指从波长到波长的转换, 基于这种技术的光交换或波长路由器能使网络配t 更灵活,使运营商可以在光骨干网中方便地提供OC一1 到光波长的业务, 把选路定位在波长上而不是光纤上, 遇到故障可以自动恢复工作。由于无须A TM 交换机、SONET AMD和数字交叉连接器等设备, 网络的结构将得到大大简化。

5.3 光交换器件的研发

光子晶体被认为是新一代的光电子材料。它可以制作光子晶体全反射镜、光子晶体无阈值激光器、光子晶体光波导、光偏振器、光开关、光放大器、光聚焦器等等。

光可变换器件，它可实现快速配置、波长转换、可重构的OADM 以及光开关、保护和恢复的功能，是智能光网络的催化剂。可调谐光滤波器有两个主要应用，一个是作为光性能监测（OPM）的基础，只需要通过可调谐光滤波器，将要处理的波长筛选出来即可监测。另一个是在可调OADM 和OXC 方面应用，通过可调谐光滤波器来取代波分复用器将要下载的波长筛选出来。

参考文献

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