第三章光交換技術1

1、第第 三三 章章 光光 交交 換換 技技 術術 3.1 概述 一、光交換的發(fā)展一、光交換的發(fā)展 光交換指不經(jīng)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。光 交換也是一種光纖通信技術，是全光網(wǎng)絡 AON的核心技術之一。 問題的提出問題的提出: 光纖傳輸系統(tǒng)容量的快速增長帶來的是對交換光纖傳輸系統(tǒng)容量的快速增長帶來的是對交換 節(jié)點發(fā)展的壓力和動力。通信網(wǎng)中交換系統(tǒng)的節(jié)點發(fā)展的壓力和動力。通信網(wǎng)中交換系統(tǒng)的 規(guī)模越來越大，運行速率越來越高，未來的大規(guī)模越來越大，運行速率越來越高，未來的大 型交換系統(tǒng)將需要處理總量達幾百型交換系統(tǒng)將需要處理總量達幾百Tbit/s的信的信 息。但是目前的

2、電子交換和信息處理網(wǎng)絡的發(fā)息。但是目前的電子交換和信息處理網(wǎng)絡的發(fā) 展已接近了極限。為了解決節(jié)點電子瓶頸限制展已接近了極限。為了解決節(jié)點電子瓶頸限制 問題，研究人員開始在交換系統(tǒng)中引入光子技問題，研究人員開始在交換系統(tǒng)中引入光子技 術，實現(xiàn)光交換。術，實現(xiàn)光交換。 二、光交換優(yōu)點 光信息流在網(wǎng)絡中傳輸及交換時始終以光的形式存在，消除了節(jié)點光信息流在網(wǎng)絡中傳輸及交換時始終以光的形式存在，消除了節(jié)點 處的電子瓶頸，不受監(jiān)測器和調制器等光電器件響應速度的限制。處的電子瓶頸，不受監(jiān)測器和調制器等光電器件響應速度的限制。 光交換的比特率和調制方式透明，可大大提高交換單元的吞吐量，光交換的比特率和調制方式

3、透明，可大大提高交換單元的吞吐量， 充分發(fā)揮光信號的高速、寬帶和無電磁感應等優(yōu)點。充分發(fā)揮光信號的高速、寬帶和無電磁感應等優(yōu)點。 光交換與高速的光纖傳輸速率匹配，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的高速率。光交換與高速的光纖傳輸速率匹配，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的高速率。 光交換可以保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，提供靈活的信息路由手段。光交換可以保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，提供靈活的信息路由手段。 光交換控制可以分為兩種光交換控制可以分為兩種 1. 電控光交換電控光交換 在光域內交換，但控制還必須在電域內完成在光域內交換，但控制還必須在電域內完成 2. 全光交換全光交換 由光控制的光交換。由光控制的光交換。 由于光邏輯器件的功能還很簡單，不能完成控

4、制由于光邏輯器件的功能還很簡單，不能完成控制 部分復雜的邏輯處理功能，因此目前的光交換單部分復雜的邏輯處理功能，因此目前的光交換單 元還都要由電信號來控制，即電控光交換。元還都要由電信號來控制，即電控光交換。 三三 . 光交換類型光交換類型 光信號的分割復用方式有三種：光信號的分割復用方式有三種： 相應就有相應就有三種光交換三種光交換: 空分、時分、波分空分、時分、波分，分別完成，分別完成 空分信道、時分信道和波分信道的交換?？辗中诺?、時分信道和波分信道的交換。 這三種分割復用方式的特點各自不同，其相應交換這三種分割復用方式的特點各自不同，其相應交換 單元的實現(xiàn)方案和難易程度也不同。若光信號同

5、時單元的實現(xiàn)方案和難易程度也不同。若光信號同時 采用兩種或三種分割復采用兩種或三種分割復用方式，則需要相應的復合用方式，則需要相應的復合 光交換。光交換。 3.2 空分光交換 空分光交換的功能是使光信號的傳輸通路在空分光交換的功能是使光信號的傳輸通路在 空間上發(fā)生改變?？臻g上發(fā)生改變?？辗止饨粨Q是將光信號在空分光交換是將光信號在 空間域上進行交換，例如，將數(shù)根光纖中承空間域上進行交換，例如，將數(shù)根光纖中承 載的信號通過光開關進行交換，或將不同波載的信號通過光開關進行交換，或將不同波 長信道中的信號在空間域上進行交換。長信道中的信號在空間域上進行交換。 空分光交換的核心器件是光開關，其基本原 理

6、是用光開關組成門陣列開關，通過控制開 關矩陣的狀態(tài)使輸入端的任一信道與輸出端 的任一信道接通或斷開。 空分光交換基本單元 22光交換單元； (b) 平行連接和交叉連接 較大型的空分光交換單元可以由基本的較大型的空分光交換單元可以由基本的22光光 開關以及相應的開關以及相應的12光開關級聯(lián)、組合構成。光開關級聯(lián)、組合構成。 構成的方式按網(wǎng)絡結構可以分成許多種，構成的方式按網(wǎng)絡結構可以分成許多種， 常見的有常見的有: 縱橫式縱橫式(crossbar)網(wǎng)絡、網(wǎng)絡、 雙縱橫式雙縱橫式(double-crossbar)網(wǎng)絡網(wǎng)絡 Banyan樹拓撲、樹拓撲、 Benes網(wǎng)絡、網(wǎng)絡、 擴張的擴張的Banya

7、n或或Benes網(wǎng)絡等。網(wǎng)絡等。 在構建絕對無阻塞的大型光開關矩陣時，減小串在構建絕對無阻塞的大型光開關矩陣時，減小串 擾、降低損耗、實現(xiàn)低成本是需要研究的問題。擾、降低損耗、實現(xiàn)低成本是需要研究的問題。 in A out A in B out B 12345678 12345678 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 a) crossbar 結構結構 b) Banyan 樹拓撲 c) 縱向重復擴張Banyan網(wǎng)絡 88網(wǎng)絡 ; 無阻塞網(wǎng)絡NN 3.3 時分光交換時分光交換 時分光交換與程控交換中的時分交換系統(tǒng)概念相 同，也是以時分復用為基礎，用時隙交換原理實 現(xiàn)光

8、交換功能。它采用光存儲器實現(xiàn)，把光時分 復用信號按一種順序寫入光存儲器，然后再按另 一種順序讀出來，以便完成時隙交換。光時分復 用和電時分復用類似，也是把一條復用信道劃分 成若干個時隙，每個基帶數(shù)據(jù)光脈沖流占用一個 時隙，N個基帶信道復用成高速光數(shù)據(jù)流信號進行 傳輸。 目前光存儲器主要是使用光纖延遲線實現(xiàn)。 3.4 波分光交換波分光交換 波分光交換可以采用波長選擇或波長轉換兩種方法來實 現(xiàn)交換功能。 一一. 波分光交換原理波分光交換原理 將波分復用信號中任一波長將波分復用信號中任一波長i變換成另一波長變換成另一波長j 。 波分光交換需要有波長變換器波分光交換需要有波長變換器(wavelengt

9、h convertor, WC). 一般先用波分解復用器件將波分信道空間分割開，然后對一般先用波分解復用器件將波分信道空間分割開，然后對 每一波長信道分別進行波長變換，再把它們復用起來輸出，每一波長信道分別進行波長變換，再把它們復用起來輸出， 從而實現(xiàn)波分交換。從而實現(xiàn)波分交換。 WC WC 波分解復用器波分解復用器 耦合器耦合器/ /波分復用器波分復用器 WC 1N 1N 1 i N . . . 波長變換器波長變換器 j k 2 12ijN 二二. 波長變換器波長變換器 波長變換器是實現(xiàn)波分交換的關鍵器件。波長變換器是實現(xiàn)波分交換的關鍵器件。 波長變換器有多種實現(xiàn)方案，目前較成熟的有下列幾種

10、：波長變換器有多種實現(xiàn)方案，目前較成熟的有下列幾種： 1 . . O/E/OO/E/O方案方案 光信號首先被轉換為電信號，再用電信號來調制新光信號首先被轉換為電信號，再用電信號來調制新 的光源。新光源最好是波長可調諧激光器，可以將輸入的光源。新光源最好是波長可調諧激光器，可以將輸入 波長變換到需要的各種波長上。這種方案技術最為成熟，波長變換到需要的各種波長上。這種方案技術最為成熟， 容易實現(xiàn)，且光電變換后還可進行整形、定時、放大處容易實現(xiàn)，且光電變換后還可進行整形、定時、放大處 理。但是由于其間經(jīng)過了光電、電光變換，它的帶寬受理。但是由于其間經(jīng)過了光電、電光變換，它的帶寬受 檢測器和調制器的限

11、制，而且檢測器和調制器的限制，而且破壞了光網(wǎng)絡的透明性。破壞了光網(wǎng)絡的透明性。 光電光型波長變換器原理結構 輸入輸入 轉換轉換 可調諧可調諧 激光器激光器 PIN探測器探測器 電子放大和再生電子放大和再生 外調制器外調制器 O/E/O型波長變換器有許多優(yōu)點，但在未來高速型波長變換器有許多優(yōu)點，但在未來高速 的的WDM網(wǎng)絡中它卻有著不可克服的網(wǎng)絡中它卻有著不可克服的缺點缺點: 1. 對信號不透明對信號不透明 對于調頻、調相和模擬信號均不能實現(xiàn)波長變對于調頻、調相和模擬信號均不能實現(xiàn)波長變 換。換。 對于數(shù)字信號也只是在一定的速率范圍內是透明的。對于數(shù)字信號也只是在一定的速率范圍內是透明的。 因為

12、光電變換器的帶寬應包括所有可能的信號速率，而因為光電變換器的帶寬應包括所有可能的信號速率，而 RF的增益和帶寬等特性參量不可能在所有的信號速率下的增益和帶寬等特性參量不可能在所有的信號速率下 均達到最佳值，均達到最佳值，通常最佳的工作點是根據(jù)最高的速率確通常最佳的工作點是根據(jù)最高的速率確 定的，在較低的速率下它就將偏離最佳值。定的，在較低的速率下它就將偏離最佳值。 2. 噪聲特性噪聲特性 光電型波長變換器中的光電型波長變換器中的RF放大器可以提高變換效放大器可以提高變換效 率，但由于它也引入噪聲，會使變換信號的信噪比變率，但由于它也引入噪聲，會使變換信號的信噪比變 小。信號經(jīng)過放大器前后的信噪

13、比之比稱為噪聲指數(shù)。小。信號經(jīng)過放大器前后的信噪比之比稱為噪聲指數(shù)。 許多波長變換器均有電的或光的放大器，其噪聲指數(shù)許多波長變換器均有電的或光的放大器，其噪聲指數(shù) 各不相同。用各不相同。用980 nm光源泵浦的光源泵浦的EDFA的噪聲指數(shù)可的噪聲指數(shù)可 達達3.1 dB.而寬帶的而寬帶的RF放大器和半導體光放大器的噪聲放大器和半導體光放大器的噪聲 指數(shù)在指數(shù)在79 dB之間。之間。 若用一個噪聲指數(shù)為若用一個噪聲指數(shù)為4 5 dB的的EDFA和一個無附和一個無附 加噪聲的全光波長變換器來共同完成對信號的變換和加噪聲的全光波長變換器來共同完成對信號的變換和 放大，無論是信噪比，還是變換效率都要比

14、光電型波放大，無論是信噪比，還是變換效率都要比光電型波 長變換器好。長變換器好。 3. 是功耗是功耗 對對2.5 Gbit/s的光電型波長變換器，前端接收機、的光電型波長變換器，前端接收機、 RF放大和激光器的總功耗約為放大和激光器的總功耗約為2W；對變換速率為；對變換速率為10 Gbit/s的變換器，其功耗至少要翻倍。如果加入外調的變換器，其功耗至少要翻倍。如果加入外調 制器，則功耗還會增加，而絕大多數(shù)的制器，則功耗還會增加，而絕大多數(shù)的全光波長變換全光波長變換 器（器（AOWC）的功耗要遠遠小于它。的功耗要遠遠小于它。 例如，對一個基于半導體光放大器（例如，對一個基于半導體光放大器（SOA

15、）中交叉）中交叉 增益調制（增益調制（XGM）原理，具有）原理，具有10 Gbit/s變換能力的變換能力的 AOWC，其所需的探測光的功率約為，其所需的探測光的功率約為-5 dBm,SOA上所上所 加的電流約為加的電流約為100mA，它的功耗僅為，它的功耗僅為200mW. 4. 是價格是價格 一個一個2 .5 Gbit/s的光電型波長變換器的的光電型波長變換器的價格約為價格約為9000 美元，而一個偏振不敏感、變換速率可達美元，而一個偏振不敏感、變換速率可達10 Gbit/s的的 SOA的價格約為的價格約為10000美元?？紤]到光電器件的技術已美元?？紤]到光電器件的技術已 很成熟，市場也較大，

16、而很成熟，市場也較大，而SOA的市場還較小，所以的市場還較小，所以SOA 的價格會隨市場的擴大而不斷降低。的價格會隨市場的擴大而不斷降低。 在價格上另外一個需要重視的因素是封裝的費用。一在價格上另外一個需要重視的因素是封裝的費用。一 個個波長交換交叉連接波長交換交叉連接 WIXC（Wavelength- interchanging Cross-connect)中需要多個波長變換器，中需要多個波長變換器， 若把多個若把多個AOWC封裝在一起，將會大大降低每個單元的封裝在一起，將會大大降低每個單元的 價格。但要把多個光電型波長變換器封裝在一起卻不是價格。但要把多個光電型波長變換器封裝在一起卻不是

17、那么容易的事情，因為那么容易的事情，因為RF藕合將會產(chǎn)生串擾，對高速的藕合將會產(chǎn)生串擾，對高速的 電子器件需要很復雜的封裝才能避免它們之間的串擾，電子器件需要很復雜的封裝才能避免它們之間的串擾， 其費用也就相應的提高了。這方面的工作也是國內外研其費用也就相應的提高了。這方面的工作也是國內外研 究的一個熱點。究的一個熱點。 正是由于上述四點原因，光電型波長變換器在正是由于上述四點原因，光電型波長變換器在WDM網(wǎng)網(wǎng) 絡中的應用受到了很大的限制，這也是人們積極研制絡中的應用受到了很大的限制，這也是人們積極研制 和開發(fā)全光型波長變換器的部分原因。和開發(fā)全光型波長變換器的部分原因。 2.2.全光波長變換

18、器全光波長變換器 (1)(1)基于基于SOASOA的交叉增益調制（的交叉增益調制（XGMXGM）型）型 半導體光放大器（半導體光放大器（SOASOA）具有響應速度快（）具有響應速度快（10 10 Gbit/sGbit/s）、易于和其他半導體光電器件集成等優(yōu)點，）、易于和其他半導體光電器件集成等優(yōu)點， 因此基于因此基于SOASOA的光電處理器，尤其是全光波長變換器的光電處理器，尤其是全光波長變換器 （AOWCAOWC）受到了廣泛的重視。）受到了廣泛的重視。 基于基于SOA中中XGM的的AOWC原理圖原理圖 光泵光泵 電泵電泵 信號光信號光S S 信號光信號光S輸出輸出 探測探測光光C輸出輸出 增益調制增益調制 連續(xù)的探測連續(xù)的探測 光光C