第10章讲义光交换技术
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第10章光交换技术
【本章内容简介】 光交换技术是交换 技术未来的发展方向。
本章从交换光交换概念出发，介绍了 光纤通信的发展简史及主要特点，阐述了 光交换技术的实现方式与原理，主要涉及 光交换器件、各种光交换网络、光交换系 统等内容，同时对光交换技术的现状和发 展概况进行了简要介绍。
【本章重点难点】 重点掌握光交换器 件和光交换网络。
若光信号同时采用两种或三种交换方 式，则称为混合光交换。
10.3.1 空分光交换网络
空分光交换网络（space optical switch network）是光交换方式中最简单的一种。
图10-7 基本的22空分光交换模块
10.3.2 时分光交换网路
采用光延迟器件实现光时分交换的原 理是：先把时分复用光信号通过光分路器 分成多个单路光信号，然后让这些信号分 别经过不同的光延迟器件，获得不同的时 间延迟，再把这些信号经过光合路器重新 复用起来。
（1）光纤通信的基本原理
光纤通信的原理是：在发送端首先要 把传送的信息（如语音）变成电信号，然 后调制到激光器发出的激光束上，使光的 强度随电信号的幅度（频率）变化而变化， 并通过光纤发送出去；在接收端，检测器 收到光信号后把它变换成电信号，经解调 后恢复原信息。
（2）数字光纤通信系统
图10-1 数字光纤通信系统
光纤几乎可做得不漏光，因此保密性 好，光缆中的光纤也互不干扰。
当通信容量较大，距离较远时，光纤 通信系统的每话路公里的造价较电缆通信 的为低。
光纤通信因有这些优点而得到迅速发 展。
10.1.2 全光通信网
全光通信是指用户与用户之间的信号 传输与交换全部采用光波技术，即数据从 源节点到目的节点的传输过程都在光域内 进行，而其在各网络节点的交换则采用全 光网络交换技术。
图10-5 外调制器的结构
10.2.3 光波长转换器
10-6 光波长转换器结构示意图
10.2.4 光存储器
1．光纤延迟线光存储器 2．双稳态激光二极管光存储器
10.3 光交换网
光交换网络完成光信号在光域的直接 交换，不需通过光—电—光的变换。
根据光信号的复用方式，光交换技术 可分Fra Baidu bibliotek空分、时分和波分3种交换方式。
光分路器、光合路器和光延迟器件的
1．直接调制
直接调制：又称为内调制，即直接对 光源进行调制，通过控制半导体激光器的 注入电流的大小来改变激光器输出光波的 强弱。
传统的PDH和2.5Gbit/s速率以下的 SDH系统使用的LED或LD光源基本上采用 的都是这种调制方式。
2．间接调制
间接调制，这种调制方式又称为外调 制。
即不直接调制光源，而是在光源的输 出通路上外加调制器对光波进行调制，此 调制器实际上起到一个开关的作用。其结 构如图10-5所示。
1985年，纵贯日本的干线光纤宣告完 成，全长为3 400km。1988年，大西洋海 底光缆宣告建成，长度为13 000km。
进入21世纪，光纤通信发展较快的几 项技术是波分复用技术、光纤接入网技术 （OAN）和全光网技术。
2．光纤通信技术
所谓光纤通信，就是利用光纤来传送 携带信息的光波以达到通信之目的。
当光通过液晶时，会产生偏振面旋转， 双折射等效应。
液晶分子是含有极性基因团的极性分 子，在电场作用下，偶极子会按电场方向 取向，导致分子原有的排列方式发生变化， 从而液晶的光学性质也随之发生改变，这 种引外电场引起液晶光学性质的改变称为 液晶的光电效应。
4．微电子机械光开关（MEMS）
10-4 液晶光开关工作原理
依据开关实现技术的物理机理来分，
可分为机械式光开关、热光开关和电光开 关等。
1．半导体光开关
图10-2 半导体光放大器及等效开关示意图
2．耦合波导开关
图10-3 耦合波导光开关
3．液晶光开关
液晶是介于液体与晶体之间的一种物 质状态。
一般的液体内部分子排列是无序的， 而液晶具有流动性，其分子又按一定规律 有序排列，使它呈现晶体的各向异性。
10.2 光交换器件
实现光交换的设备是光交换机。 光交换器件是实现全光网络的基础。 光交换机的光交换器件有光开关、光 波长转换器和光存储器等。
10.2.1 光开关
光开关在光通信中的作用一是将某一 光纤通道中的光信号切断或开通；其次是 将某波长光信号由一个光纤通道转换到另 一个光纤通道中去；再是在同一光纤通道 中将一种波长的光信号转换成另一种波长 的光信号。
3．光纤通信的优点
大家知道，光波也是电磁波，但它的 频率比电信中利用的其他电磁波频率高出 几个数量级。
频率极高使得通信系统拥有极大的通 信容量，所用光纤和由多根光纤组成的光 缆体积小，重量轻，易于运输和施工。
光纤的衰耗很低，故无中断，通信距 离很长。
此外，光纤是绝缘体，不会受高压线 和雷电的电磁感应，抗核辐射的能力也强， 因而在某些特殊场合，电通信受干扰不能 工作而光纤通信却能照常工作。
难点是光存储器的工作原理。
10.1 概述
光交换（photonic switching）技术是 在光域直接将输入光信号交换到不同的输 出端，完成光信号的交换。
10.1.1 光纤通信
1．光纤通信技术的发展
光纤用于通信是1978年，首先应用于 商业性实验。
1980年美国建成了长度为1 241.6km的 干线光缆。
全光通信技术是针对普通光纤系统中 存在着较多的光电/转换设备而进行改进的 技术。
1．全光通信的发展过程
全光通信的实现，可以分为两个阶段 来完成。
2．全光通信的特点
（1）全光通信是历史发展的必然 （2）降低成本 （3）解决了“电子瓶颈”问题
3．全光网络的基本技术
全光网络的基本技术有全光交换、全 光交叉连接、全光中继、全光复用与解复 用等。
10.2.2 光调制器
在光纤通信中，通信信息由光波携带， 光波就是载波，把信息加载到光波上的过 程就是调制。
光调制器是实现电信号到光信号转换 的器件，也就是说，它是一种改变光束参 量传输信息的器件，这些参量包括光波的 振幅、频率、位相或偏振态。
目前广泛使用的光纤通信系统均为强 度调制——直接检波系统，对光源进行强 度调制的方法有两类，即直接调制和间接 调制。
【本章内容简介】 光交换技术是交换 技术未来的发展方向。
本章从交换光交换概念出发，介绍了 光纤通信的发展简史及主要特点，阐述了 光交换技术的实现方式与原理，主要涉及 光交换器件、各种光交换网络、光交换系 统等内容，同时对光交换技术的现状和发 展概况进行了简要介绍。
【本章重点难点】 重点掌握光交换器 件和光交换网络。
若光信号同时采用两种或三种交换方 式，则称为混合光交换。
10.3.1 空分光交换网络
空分光交换网络（space optical switch network）是光交换方式中最简单的一种。
图10-7 基本的22空分光交换模块
10.3.2 时分光交换网路
采用光延迟器件实现光时分交换的原 理是：先把时分复用光信号通过光分路器 分成多个单路光信号，然后让这些信号分 别经过不同的光延迟器件，获得不同的时 间延迟，再把这些信号经过光合路器重新 复用起来。
（1）光纤通信的基本原理
光纤通信的原理是：在发送端首先要 把传送的信息（如语音）变成电信号，然 后调制到激光器发出的激光束上，使光的 强度随电信号的幅度（频率）变化而变化， 并通过光纤发送出去；在接收端，检测器 收到光信号后把它变换成电信号，经解调 后恢复原信息。
（2）数字光纤通信系统
图10-1 数字光纤通信系统
光纤几乎可做得不漏光，因此保密性 好，光缆中的光纤也互不干扰。
当通信容量较大，距离较远时，光纤 通信系统的每话路公里的造价较电缆通信 的为低。
光纤通信因有这些优点而得到迅速发 展。
10.1.2 全光通信网
全光通信是指用户与用户之间的信号 传输与交换全部采用光波技术，即数据从 源节点到目的节点的传输过程都在光域内 进行，而其在各网络节点的交换则采用全 光网络交换技术。
图10-5 外调制器的结构
10.2.3 光波长转换器
10-6 光波长转换器结构示意图
10.2.4 光存储器
1．光纤延迟线光存储器 2．双稳态激光二极管光存储器
10.3 光交换网
光交换网络完成光信号在光域的直接 交换，不需通过光—电—光的变换。
根据光信号的复用方式，光交换技术 可分Fra Baidu bibliotek空分、时分和波分3种交换方式。
光分路器、光合路器和光延迟器件的
1．直接调制
直接调制：又称为内调制，即直接对 光源进行调制，通过控制半导体激光器的 注入电流的大小来改变激光器输出光波的 强弱。
传统的PDH和2.5Gbit/s速率以下的 SDH系统使用的LED或LD光源基本上采用 的都是这种调制方式。
2．间接调制
间接调制，这种调制方式又称为外调 制。
即不直接调制光源，而是在光源的输 出通路上外加调制器对光波进行调制，此 调制器实际上起到一个开关的作用。其结 构如图10-5所示。
1985年，纵贯日本的干线光纤宣告完 成，全长为3 400km。1988年，大西洋海 底光缆宣告建成，长度为13 000km。
进入21世纪，光纤通信发展较快的几 项技术是波分复用技术、光纤接入网技术 （OAN）和全光网技术。
2．光纤通信技术
所谓光纤通信，就是利用光纤来传送 携带信息的光波以达到通信之目的。
当光通过液晶时，会产生偏振面旋转， 双折射等效应。
液晶分子是含有极性基因团的极性分 子，在电场作用下，偶极子会按电场方向 取向，导致分子原有的排列方式发生变化， 从而液晶的光学性质也随之发生改变，这 种引外电场引起液晶光学性质的改变称为 液晶的光电效应。
4．微电子机械光开关（MEMS）
10-4 液晶光开关工作原理
依据开关实现技术的物理机理来分，
可分为机械式光开关、热光开关和电光开 关等。
1．半导体光开关
图10-2 半导体光放大器及等效开关示意图
2．耦合波导开关
图10-3 耦合波导光开关
3．液晶光开关
液晶是介于液体与晶体之间的一种物 质状态。
一般的液体内部分子排列是无序的， 而液晶具有流动性，其分子又按一定规律 有序排列，使它呈现晶体的各向异性。
10.2 光交换器件
实现光交换的设备是光交换机。 光交换器件是实现全光网络的基础。 光交换机的光交换器件有光开关、光 波长转换器和光存储器等。
10.2.1 光开关
光开关在光通信中的作用一是将某一 光纤通道中的光信号切断或开通；其次是 将某波长光信号由一个光纤通道转换到另 一个光纤通道中去；再是在同一光纤通道 中将一种波长的光信号转换成另一种波长 的光信号。
3．光纤通信的优点
大家知道，光波也是电磁波，但它的 频率比电信中利用的其他电磁波频率高出 几个数量级。
频率极高使得通信系统拥有极大的通 信容量，所用光纤和由多根光纤组成的光 缆体积小，重量轻，易于运输和施工。
光纤的衰耗很低，故无中断，通信距 离很长。
此外，光纤是绝缘体，不会受高压线 和雷电的电磁感应，抗核辐射的能力也强， 因而在某些特殊场合，电通信受干扰不能 工作而光纤通信却能照常工作。
难点是光存储器的工作原理。
10.1 概述
光交换（photonic switching）技术是 在光域直接将输入光信号交换到不同的输 出端，完成光信号的交换。
10.1.1 光纤通信
1．光纤通信技术的发展
光纤用于通信是1978年，首先应用于 商业性实验。
1980年美国建成了长度为1 241.6km的 干线光缆。
全光通信技术是针对普通光纤系统中 存在着较多的光电/转换设备而进行改进的 技术。
1．全光通信的发展过程
全光通信的实现，可以分为两个阶段 来完成。
2．全光通信的特点
（1）全光通信是历史发展的必然 （2）降低成本 （3）解决了“电子瓶颈”问题
3．全光网络的基本技术
全光网络的基本技术有全光交换、全 光交叉连接、全光中继、全光复用与解复 用等。
10.2.2 光调制器
在光纤通信中，通信信息由光波携带， 光波就是载波，把信息加载到光波上的过 程就是调制。
光调制器是实现电信号到光信号转换 的器件，也就是说，它是一种改变光束参 量传输信息的器件，这些参量包括光波的 振幅、频率、位相或偏振态。
目前广泛使用的光纤通信系统均为强 度调制——直接检波系统，对光源进行强 度调制的方法有两类，即直接调制和间接 调制。