第3章 光交换技术(1)
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正是由于上述四点原因,光电型波长变换器在WDM网 络中的应用受到了很大的限制,这也是人们积极研制 和开发全光型波长变换器的部分原因。
2.全光波长变换器
(1)基于SOA的交叉增益调制(XGM)型 半导体光放大器(SOA)具有响应速度快(>10 Gbit/s)、易于和其他半导体光电器件集成等优点, 因此基于SOA的光电处理器,尤其是全光波长变换器 (AOWC)受到了广泛的重视。
基于SOA中XGM的AOWC原理图
连续的探测 光λC 电泵 电流
探测光λC输出
信号光λS
增益调制
信号光λS输出
SOA
光泵
SOA随着输入光功率的增加,由于受激辐射,SOA 中载流子的消耗相应增加,载流子浓度下降,导 致SOA增益减少,即发生增益饱和现象。此时,如 果把一束波长为λc (与目标波长相同)的连续探 测光注入SOA,当信号光λs处于高功率(逻辑1) 时,由于SOA的增益饱和效应,探测光不能得到放 大(逻辑0);相反,当信号光处于逻辑0时,探 测光被放大(逻辑1)。此即为交叉增益调制效应 (XGM)。于是,强度调制信息就从信号光λs加载 到了探测光λc上,实现了波长变换,只是输出信 号在逻辑上与原信号反相。
无阻塞网络N×N
c) 纵向重复扩张Banyan网络
3.3 时分光交换
• 时分光交换与程控交换中的时分交换系统概念相 同,也是以时分复用为基础,用时隙交换原理实 现光交换功能。它采用光存储器实现,把光时分 复用信号按一种顺序写入光存储器,然后再按另 一种顺序读出来,以便完成时隙交换。光时分复 用和电时分复用类似,也是把一条复用信道划分 成若干个时隙,每个基带数据光脉冲流占用一个 时隙,N个基带信道复用成高速光数据流信号进行 传输。 目前光存储器主要是使用光纤延迟线实现。
3. 是功耗
对2.5 Gbit/s的光电型波长变换器,前端接收机、 RF放大和激光器的总功耗约为2W;对变换速率为10 Gbit/s的变换器,其功耗至少要翻倍。如果加入外调 制器,则功耗还会增加,而绝大多数的全光波长变换 器(AOWC)的功耗要远远小于它。 例如,对一个基于半导体光放大器(SOA)中交叉 增益调制(XGM)原理,具有10 Gbit/s变换能力的 AOWC,其所需的探测光的功率约为-5 dBm,SOA上 所加的电流约为100mA,它的功耗仅为200mW.
空分光交换基本单元
2 输入 1 2 输入 1 3 4 输出 2 输入 1 (a)1×2光开关 交叉连接 平行连接 4 3 输出 4 3 输出
2×2光交换单元;
(b) 平行连接和交叉连接 (b) 连接方式
较大型的空分光交换单元可以由基本的2×2光 开关以及相应的1×2光开关级联、组合构成。 构成的方式按网络结构可以分成许多种, 常见的有: 纵横式(crossbar)网络、 双纵横式(double-crossbar)网络 Banyan树拓扑、 Benes网络、 扩张的Banyan或Benes网络等。 在构建绝对无阻塞的大型光开关矩阵时,减小串 扰、降低损耗、实现低成本是需要研究的问题。
光电光型波长变换器原理结构
电子放大和再生
λ输入 PIN探测器
可调谐 激光器
外调制器
λ转换
O/E/O型波长变换器有许多优点,但在未来高速 的WDM网络中它却有着不可克服的缺点:
1. 对信号不透明 对于调频、调相和模拟信号均不能实现波长变 换。 对于数字信号也只是在一定的速率范围内是透明的。 因为光电变换器的带宽应包括所有可能的信号速率,而 RF的增益和带宽等特性参量不可能在所有的信号速率下 均达到最佳值,通常最佳的工作点是根据最高的速率确 定的,在较低的速率下它就将偏离最佳值。
WDMX 1
1 空分交换
WMUX
1 ... W 2 空分交换 1 ... W 3
空分交换
1 ... W
1
2
1 ... W
2
. . .
N
. . .
. . .
N
1 ... W
分波器
W
空分交换
1 ... W
合波器
波长选择法交换
WDMX
1 2
1 2
二、光交换优点
• 光信息流在网络中传输及交换时始终以光的形式存在,消除了节点 处的电子瓶颈,不受监测器和调制器等光电器件响应速度的限制。 • 光交换的比特率和调制方式透明,可大大提高交换单元的吞吐量, 充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应等优点。 • • 光交换与高速的光纤传输速率匹配,可以实现网络的高速率。 光交换可以保证网络的稳定性,提供灵活的信息路由手段。
第 三 章
光 交 换 技 术
通信的两大组成部分:传输和交换。
目前通信网络主要是光电混合网。它的组成见 书P28图3-1.
3.1 概述
一、光交换的发展 • 光交换指不经过任何光电转换,在光域直
接将输入光信号交换到不同的输出端。光
交换也是一种光纤通信技术,是全光网络
AON的核心技术之一。
问题的提出: 光纤传输系统容量的快速增长带来的是对交换 节点发展的压力和动力。通信网中交换系统的 规模越来越大,运行速率越来越高,未来的大 型交换系统将需要处理总量达几百Tbit/s的信 息。但是目前的电子交换和信息处理网络的发 展已接近了极限。为了解决节点电子瓶颈限制 问题,研究人员开始在交换系统中引入光子技 术,实现光交换。
百度文库
WMUX
1
1
W 1 2
2 NWNW 空分交换
W 1 2
2
W
W
. . .
1 2
N
. . .
1 2
N
W
波长转换器
W
波长转换法交换
四、混合型光交换
• 常用的混合型光交换主要有:
空分+时分光交换系统; 波分+空分光交换系统; 频分+时分光交换系统; 时分+波分+空分光交换系统。
主要性能指标:基本光开关数和可集成度、阻塞特性、光 路损耗、信噪比。可见书P31.
in B
8 7 6 5 4 3 2 1
1 2
3 4
1
2 3 4 5 6
in A
5 6
out A
7 8
8 7 6 5 4 3 2 1
7
8
out B a) crossbar 结构
b) Banyan 树拓扑
8×8网络 ;
光交换控制可以分为两种
1. 电控光交换 在光域内交换,但控制还必须在电域内完成 2. 全光交换 由光控制的光交换。 由于光逻辑器件的功能还很简单,不能完成控制 部分复杂的逻辑处理功能,因此目前的光交换单 元还都要由电信号来控制,即电控光交换。
三 . 光交换类型
光交换技术有:光路交换和光分组交换两种交换方式。见书P28. 光信号的分割复用方式有三种: 相应就有三种光交换: 空分、时分、波分,分别完成空分信道、 时分信道和波分信道的交换。 这三种分割复用方式的特点各自不同,其相应交换单元的实现 方案和难易程度也不同。若光信号同时采用两种或三种分割复 用方式,则需要相应的复合光交换。 因此光交换技术又可分为以下几种: 空分光交换技术、时分光交换技术、波分光交换技术、 码分光交换技术和复合型光交换。
• •
1 延迟 2 4 3 2 1 输入 光 分 路 器 4 延迟 延迟 3 延迟 2
1
3
光 合 路 器
2 1 4 3 输出
4
3.4 波分光交换
波分光交换可以采用波长选择或波长转换两种方法来实
现交换功能。
一. 波分光交换原理
将波分复用信号中任一波长λi变换成另一波长λj 。 波分光交换需要有波长变换器(wavelength convertor, WC). 一般先用波分解复用器件将波分信道空间分割开,然后对 每一波长信道分别进行波长变换,再把它们复用起来输出, 从而实现波分交换。
波分解复用器 耦合器/波分复用器 WC
λ1 λ1…λN λi . . . λN
λ2
λj λ1…λN
WC
λ 1 λ2 λi λj λN
WC
λk
波长变换器
二. 波长变换器
波长变换器是实现波分交换的关键器件。 波长变换器有多种实现方案,目前较成熟的有下列几种: 1 . O/E/O方案 光信号首先被转换为电信号,再用电信号来调制新 的光源。新光源最好是波长可调谐激光器,可以将输入 波长变换到需要的各种波长上。这种方案技术最为成熟, 容易实现,且光电变换后还可进行整形、定时、放大处 理。但是由于其间经过了光电、电光变换,它的带宽受 检测器和调制器的限制,而且破坏了光网络的透明性。
作
业
1、有哪些光交换技术?
2. 噪声特性
光电型波长变换器中的RF放大器可以提高变换效 率,但由于它也引入噪声,会使变换信号的信噪比变 小。信号经过放大器前后的信噪比之比称为噪声指数。 许多波长变换器均有电的或光的放大器,其噪声指数 各不相同。用980 nm光源泵浦的EDFA的噪声指数可 达3.1 dB.而宽带的RF放大器和半导体光放大器的噪声 指数在7~9 dB之间。 若用一个噪声指数为4 ~ 5 dB的EDFA和一个无附 加噪声的全光波长变换器来共同完成对信号的变换和 放大,无论是信噪比,还是变换效率都要比光电型波 长变换器好。
4. 是价格
一个2 .5 Gbit/s的光电型波长变换器的价格约为9000 美元,而一个偏振不敏感、变换速率可达10 Gbit/s的 SOA的价格约为10000美元。考虑到光电器件的技术已 很成熟,市场也较大,而SOA的市场还较小,所以SOA 的价格会随市场的扩大而不断降低。 在价格上另外一个需要重视的因素是封装的费用。一 个波长交换交叉连接 WIXC(Wavelengthinterchanging Cross-connect)中需要多个波长变换器, 若把多个AOWC封装在一起,将会大大降低每个单元的 价格。但要把多个光电型波长变换器封装在一起却不是 那么容易的事情,因为RF藕合将会产生串扰,对高速的 电子器件需要很复杂的封装才能避免它们之间的串扰, 其费用也就相应的提高了。这方面的工作也是国内外研 究的一个热点。
3.2 空分光交换
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。空分光交换是将光信号在 空间域上进行交换,例如,将数根光纤中承 载的信号通过光开关进行交换,或将不同波 长信道中的信号在空间域上进行交换。 空分光交换的核心器件是光开关,其基本原 理是用光开关组成门阵列开关,通过控制开 关矩阵的状态使输入端的任一信道与输出端 的任一信道接通或断开。