现代交换原理与通信网技术——第10章 光交换

以下是几种主要的光开关器件： (1)半导体光放大器 半导体光放大器可以对输入的光信号进行放大，并且 可以利用一种叫偏置电信号的器件来控制对光信号的 放大倍数。当偏置电信号的值为0时，输入的光信号不 能从光放大器的输出端输出，相当于电开关的断开； 当偏置电信号的值不为0时，输入的光信号可以从输出 端输出，相当于电开关的接通。结构如图10.3所示。
图10.4 耦合波导开关结构图
(3) 硅衬底平面光波导开关 这种开关包含两个3dB的定向耦合器和两个长度相等的 波导臂，利用镀在Mach－Zehnder干涉仪波导臂上的 金属薄膜加热器形成相位延时器，通过控制两臂的相 位差来控制光信号的接通和断开。它的原理是利用在 硅介质波导内的热－电效应，平时偏压为零时，开关 处于交叉连接状态，但是当波导臂被加热后，开关切 换到平行的连接状态。如图10.5所示。
交换矩阵完成光信号在空间上的选路工作。交换矩阵要 能够完成基于分组级的信号处理。实现高速的信号处理 是交换矩阵的一个关键问题。交换矩阵必须在两个相继 分组到达的时间间隔内完成重新配置和交换。例如，在 一个10Gbit/s系统中，如果分组长度为125Byte （1kbit），一个分组要完全离开输入端口到达交换矩阵 需要大约100ns。两个分组之间的间隔也非常短，所以 交换矩阵重新配置和交换的时间必须是纳秒级的。
10.2.3 波分 频分光交换 波分/频分光交换 波分交换是根据光信号的波长来进行通路选择的交换 方式。其基本原理是对于波分复用信号使用不同的波 长来区别各路原始信号，通过改变输入光信号的波长， 把某个波长的光信号变换成另一个波长的光信号输出， 即实现波长互换，从而实现对各路原始信号的交换。 波分光交换模块由波长复用器/去复用器、波长选择空 间开关和波长变换器（波长开关）组成。 如图10.9所 示。
10.2.1 时分光交换 时分光交换的原理与程控交换系统中的时分交换系统 原理相同，即将输入的某一时隙上的光信号交换至另 外一个时隙进行输出的交换方式。 时分光交换系统利用一种被称为时隙交换器（Time Slot Interchanger）的部件来完成光信号在时间轴上的 重新排列。时隙交换器是由空间光开关（光分路器、 光复用器）和一组光纤延时线构成的。光纤延时线是 一种光缓存器。
10.1概述 概述
10.1.1光交换的产生 光交换的产生 光交换的发展过程可分为两个阶段：第一阶段进行 电控光交换，即信号交换是全光的，而光器件的控 制仍由电子电路完成，目前世界上的光交换系统大 都处于这一水平。第二阶段为全光交换技术，即系 统的逻辑、控制及交换均由光子完成，这是光交换 未来发展的方向。
图10.8 时分光交换过程示意图
按照相同帧中的输入时隙经过时隙交换输出后是否还在 同一帧，可以把时隙交换分为保持帧的完整性和不保持 帧的完整性两种。保持帧的完整性是指在进行时隙交换 时，某一帧的每个时隙可以交换到这一帧中的任何时隙， 但是不能越过这一帧的边界到其他帧中，也就是在交换 后，原先的输入信号中的任何一帧时隙在输出后都不会 改变其所在的帧，依然在原来的帧中；而不保持帧的完 整性就不一样，它可以根据每个时隙的交换要求，选择 自己需要的时隙输出，不要求与其他的时隙保持在原来 的帧中。
光分组交换技术主要有：透明光分组交换技术，光突 发交换技术，光标记分组交换技术，光子时隙路由技 术等。下面主要介绍透明光分组交换技术和光突发交 换技术。
10.3.1透明光分组交换技术 透明光分组交换技术 1、交换节点结构模型 、 通用的光分组交换节点的结构模型如图10.10所示： 主要包括一系列复用器/解复用器、输入接口、输出 接口、交换矩阵、光存储器、波长变换器以及交换 控制单元等模块。由于光分组交换有同步交换和异 步交换两种交换方式，同步交换方式是目前比较常 见的交换方式，所以，这里主要介绍使用同步交换 方式的光分组交换节点结构模型的各功能模块。
图10.6 光/电/光波长转换器
10.2光交换原理 光交换原理
光信号的分割复用方式有空分、时分和波分三种， 因而光交换相应地也存在空分、时分和波分三种光 交换，它们分别完成空分信道、时分信道和波分信 道的交换。如果光信号同时采用多种分割复用方式， 则完成这样光信号的交换需要相应的复合光交换， 如空分+波分交换。
图10.3 半导体光放大器结构图
(2) 耦合波导开关 耦合波导开关不像半导体光放大器那样只有一个输入 端和一个输出端，而是有两个输入端和两个输出端。 每个输入和对应的输出形成一个光通道。两个输入和 两个输出组成两个光通道。耦合波导开关利用控制电 极来控制光信号的输出状态。当控制电极上不加电时， 其中一个光通路上的光信号会完全耦合接到另一个光 通道上，形成光信号的交叉连接；当控制电极上加电 时，原先耦合到另外的光通路上的光信号会耦合回到 原来的光通道上，形成光信号的平行连接。耦合波导 开关的结构如图10.4所示。
图10.1 电交换的过程
而光交换在交换的过程中信号始终以光的形式存在，在 进出交换机时不需要进行光信号的光/电转换或者电/光 转换，如图10.2所示。这样就大大提高了系统的性能。
图10.2 光交换的过程
光交换主要有以下一些特点： (1)由于光交换不涉及到电信号，所以不会受到电子器件 处理速度的制约，与高速的光纤传输速率匹配，可以 实现网络的高速率。 (2)光交换根据波长来对信号进行路由和选路，与通信采 用的协议、数据格式和传输速率无关，可以实现透明 的数据传输。 (3)光交换可以保证网络的稳定性，提供灵活的信息路由 手段。
10.3光分组交换技术 光分组交换技术
光交换按交换方式可分为光路交换方式（OCS—— Optical Circuit Switching）和光分组交换方式（OPS— —Optical Packet Switching），对应于电交换中的电路 交换和分组交换方式。光路交换又分为空分、时分和波 分/频分三种光交换类型。光分组交换则有ATM光交换、 透明光分组交换、光突发交换等。 ATM光交换是对ATM信元进行交换的技术。ATM光交换 遵循电信号领域ATM交换的基本原理，采用波分复用、 电或光缓冲技术，先对信元波长进行选路，依照信元的 波长，将信元选路到输出端口的光缓冲存储器中。
将一个时隙时间内的光信号在光纤延时线中传输的长度 定义为一个基本单位。那么，光信号需要延迟传输几个 时隙，就让它经过几个单位长度的光纤延时线。时分复 用光信号经过分路器分离出每个时隙信号，将这些信号 分别经过不同的光纤延时线，即经过不同的时间延迟， 变换到相应的时隙中，再把所有时隙信号经复用器复用 输出，即完成了时分光交换。如图10.8所示。
第10章 光交换 章
光交换是指不经过任何光／电转换，在光域内 为输入光信号选择不同输出信道的交换方式。 本章从光交换的产生开始介绍了光交换和传统 电交换的主要区别，以及光交换的基本器件光 开关，接着介绍了光交换的基本原理和现在两 种主要的光分组交换技术——透明光分组交换 技术和光突发交换技术，最后对未来光交换的 发展作了展望。
（3）交换控制单元 ） 交换控制单元主要完成对分组在交换矩阵中选路的控 制功能。交换控制单元处理所有的包头信息，决定分 组的输出端口和波长，并完成对交换矩阵的配置工作。 目前的交换控制单元还是由电子电路来实现的，通过 电存储器中的路由交换表来管理路由交换过程。 （4）交换矩阵部分 ） 交换矩阵部分包括交换矩阵、光存储器和波长转换器。 这一部分的主要功能就是在交换控制单元的控制下， 完成信号的选路工作。
2×2的光开关和其他的光开关（例如1×2开关）级联、 组合，可以构成比较大型的空分光交换单元。空分光交 换单元通过不同方式连接可以构成空分光交换网络。空 分光交换网络的构成结构跟传统电交换网络类似，可以 构成纵横式（crossbar）网络、双纵横式（double－ crossbar）网络、Banyan网络、扩张的Banyan网络、 Benes网络、扩张的Benes网络等等，具体可以参看第二 章交换网络的介绍。
交换
交换矩阵
输 入 接 口 口 接 出
输
换
10.10
交换
（1）解复用 复用器 ）解复用/复用器 解复用器的功能是将输入光纤上的分组按照不同的波 长分开，送往输入接口进行下一步处理。 复用器的功能正相反，将输出接口的分组根据波长进 行复用。 （2）输入接口 ） 输入接口的功能主要包括：对输入信号进行整形、定 时和再生，以方便进一步的处理；检测输入信号的漂 移和抖动；识别出分组头、净荷信息和分组尾；对输 入分组进行同步，使分组与交换时隙对准；将分组头 提取出来交给交换控制单元处理，等等。
图10.7 2×2光开关
按照光信号在光开关通过的介质的不同，空间光开关 可以分为自由空间型和波导（光纤）型两大类，每一 类又可以根据不同的物理效应、不同的材料、不同的 工艺来实现。平时常见的光开关有：机械型光开关、 热光开关、微电机系统（MEMS）光开关、喷墨气泡光 开关、半导体光放大器（SOA）开关等等。
10.1.3光交换的基本器件 光交换的基本器件 电开关是电信号交换系统最基本的单元。每个电开关 在控制信号的控制下接通或断开其出线和入线。当电 开关的出线和入线接通时，电信号可以从这个电开关 通过；当电开关的出线和入线断开时，则电信号不能 从这个电开关通过。将许多电开关组成一个阵列，在 控制信号的控制下，可以使某些电开关接通，某些电 开关断开，这样，电信号就能在这个阵列中进行交换。 这就是最基本的交换单元的构成及其工作原理，我们 在第二章中对交换单元及其由交换单元构成的交换网 络有过深入的介绍。
光交换和电交换的原理一样，也是通过控制开关矩阵 的出线和入线的接通和断开来完成信号的交换。与电 交换不同的是，在光交换中要控制的是光信号，所以 光交换中更多的要考虑结合光的物理特性来进行交换。 光开关是完成光交换的最基本的功能器件。将一系列 光开关组成一个阵列，构成一个多级互联的网络，在 这个阵列中完成光信号的交换。
λ1
波长变换
λ2 λ1…λw
波长解复 用
波长变换 波长复用 波长变换